设计进阶实验 引发认知冲突

高嵩 邢宏光

摘 要：本文充分利用学生的“认知冲突”，通过采用符合学生认识水平的课堂引入，激发其探究问题的兴趣；通过设计让学生具体可感的进阶实验，克服了教材中实验过渡性不强的缺点，加强实验设计环节的逻辑性；通过对实验教具的改进，加强了实验效果，实现临界角的定量计算，有效帮助学生学习重点内容，丰富了学生的直观体验。最后，让学生解决了上课之初的“认知冲突”，实现了完整的课堂教学。

关键词：认知冲突；进阶实验；全反射

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2018）10-0032-3

《论语》有言：不愤不启，不悱不发。意思是在教学中，不到学生努力想明白而不得的时候不要开导他；不到他心里明白却不能完善表达出来的程度不要启发他。而如何让学生“愤”，让学生主观上想要解决这个难题，可以利用学生的定式思维，在授课之初诱发其产生认知冲突，可以激发学生的探究欲望，产生学习的直接动机[1]。仅仅设置“认知冲突”的引入还不够，还需要在随后的课程设计下功夫。实验设计环节需要符合学生的认知水平，符合学习进阶理论，从现象到本质、从基础到核心，一步步引领学生突破课程的重难点。最后通过学生对本节课知识的理解，进而解决上课之初的“认知冲突”，这样的课程设计就能够达到提高课堂效率、改善课堂效果的目的。

1 创设问题情境，激发认知冲突

认知冲突的产生，可以借助学生的生活体验及实践积累，使之产生和现行的现象相反的结论，充分抓住学生的好奇心和求知欲，带着疑问学习新课。

“全反射”是人教版高中物理选修3-4第十三章第二节的内容，教材对于本节课的安排是开篇给出“光疏介质”“光密介质”的定义，通过半圆形玻璃砖实验引出“全反射”现象以及“临界角”的概念，随后给出临界角和折射率的关系式以及对应习题，最后介绍了全反射棱镜与光导纤维的应用。这四部分内容虽能做到循序渐进，但这样安排却不能带给学生直观体验。学生不清楚“全反射”是什么，灌输式的教学不能很好地激发学生的学习兴趣，实验设计逻辑性不够，过渡衔接不自然。笔者将教材实验情境前置，通过魔术表演“水流导光”引入新课，颠覆学生“先入为主”的认知模式，再辅助实验演示，加以严密的逻辑推理，一步步带领学生感受“全反射”的魅力。

1.1 “水流导光”魔术引入

如图1所示，在一个盛满水的瓶子侧壁扎一个小孔，水从小孔流出，用一束激光水平照射小孔，发现光沿着“曲线”的水流轨迹进行传导。学生在初中已经学过“光在同种均匀介质中沿直线传播”，“水流导光”使学生产生认知冲突，带着疑问学习新课。

1.2 列举生活实例再次激疑

启发学生思考，图2所示的彩色喷泉、图3所示的光导纤维等生活中常见的事物，似乎都说明，光能沿着“曲线”传播，这与学生之前所学的光的直线传播现象相违背，引发认知冲突，激发学生探索的积极性。

2 设置对比实验，便于概念理解

此前学生已经学习了光的反射和折射，了解了几何光学基本的研究方法和相关概念，在此基础上，学生要进行全反射的学习，它是前面一节知识的深化和应用。同时，作为几何光学的最后一部分内容，本节课对学生构建完整的几何光学学习体系具有重要作用。如何让学生从“反射”“折射”过渡到“全反射”现象是本节的重点内容，让学生掌握发生全反射的条件，这也是需要课堂设计者下功夫的地方。

如图4所示，玻璃缸中上层是空气层，下层是水，用一束激光从空气层射入水层中，引导学生观察现象，无论怎样变化入射角，折射光线始终存在；然而，再将激光从水层射入空气层中时，如图5所示，逐渐增大入射角，学生会观察到折射角逐渐增大，并且光的强度在减弱，并会惊奇地发现最终折射光线竟然全部消失，入射光被全部反射，此时发生了全反射现象。直观的实验演示再一次产生了认知冲突，激发学生的学习热情。所以，清晰的实验现象是引发认知冲突的关键，为了使现象更加明显，可以采用喷水雾的方式，将光路可视化，便于教学活动的开展。

教师引导学生思考水层和空气层两种不同物质的差异，水层的折射率大，空气层的折射率小，进而引出“光密介质”“光疏介质”的概念。进一步启发学生思考，光从光疏介质射入光密介质时，没有发生全反射，光从光密介质射入光疏介质时，发生了全反射，引出全发射发生的一个条件：光须从光密介质射入光疏介质。通过对比实验，形象直观地引出光密介质、光疏介质的概念；通过观察明显的实验现象，使学生对全反射有一个清晰的认识，便于学生理解和接受。接下来，让学生观察当激光以较小的入射角从水入射到空气中，并不能发生全反射，继续增大入射角仍然不能发生，只有当入射角增大到某一角度才能发生全反射，从而引出发生全反射的另一个条件：入射角要达到某一角度。这样的实验安排，符合学生的认知规律，条理清晰，由浅入深地引出接下来探究“临界角”的实验。

3 进行实验演示，深入探究问题

将一束激光以一较小的角度射入半圆形玻璃砖，如图6（a），引导学生观察实验现象，可以看到反射光线和折射光线。继续增大入射角，引导学生观察实验现象，可以看到随着入射角的增大，折射角变大，折射光线越来越弱，反射光线越来越强，如图6（b）。启发学生思考，是否会存在某一时刻，当入射角增大到某一角度时，折射角增大到90°，折射光线完全消失，入射光被全部反射。教师用实验验证，如图6（c），并解释说明，折射角等于90°时对应的入射角，叫做临界角，用C表示。进一步加深学生对全反射的理解和认识：光从光密介质射入光疏介质时，当入射角逐渐增大到某一角度，折射角达到90°，折射光消失，只剩下反射光，这种现象叫做全反射。继续增大入射角，如图6（d），引导学生观察现象。发现仍然会发生全反射现象。从而引出发生全反射的另一个条件：入射角等于或大于临界角。

4 知識迁移应用，联系生活实际

无论是2017版的《高中物理课程标准》[2]，还是此前的课程标准[3]，对于本部分的教学都提出了这样的要求：知道光的全反射现象及其产生的条件。初步了解光纤的工作原理、光纤技术在生产生活中的应用。这就要求在教学中，不仅要学习全反射的知识，更要启发学生将所学知识应用于实际生活。既要讲解全反射棱镜以及光导纤维的原理，更应使学生将课本知识与前沿科技相结合，认识到物理与前沿科技的紧密关系。

结合以上所学内容，教师讲解全反射棱镜的原理：在玻璃内部，光射向玻璃与空气的界面时，入射角大于临界角，发生全反射。与平面镜相比，它的反射率高，几乎能达到100%，如图7所示。教师引导学生思考光导纤维的原理：当光在玻璃内部传播时，如果从玻璃射向空气的入射角大于临界角，光就会发生全反射。实用光导纤维由内芯和外套两层组成，内芯的折射率比外套的大，光传播时在内芯和外套的界面上发生全反射，如图8所示。向学生介绍，在当今的信息时代，人们在经济活动和科学研究中有大量的信息及数据需要加工和处理，而光纤正是传输信息最理想的工具。一根光导纤维电缆相当于100 根传送电话所使用的同轴电缆所传送的信息，而且传送时的损耗低，光纤技术为我们的生活提供了巨大的便利。

最后，类比于“光导纤维”的原理，教师带领学生一起揭秘“水流导光”魔术：并不是光能够沿“曲线”传播，只是光沿着水流的轨迹不断地发生着全反射。让学生利用本节课学习到的知识解决引入的问题，妥善地解决了学生的“认知冲突”，做到了首尾呼应，同时也增强了学生运用知识的能力，增强了学生的自豪感和自信心。

5 小 结

本节课运用“水流导光”魔术引入，颠覆学生“先入为主”的认知模式，使学生产生“认知冲突”，激发其探究问题的兴趣；设计“空气层、水层”实验，利用简单的教具，设计对比实验，引出发生全反射的必要条件：光从光密介质射入光疏介质。进一步启发学生，当入射角较小时并不能发生全反射，从而过渡到半圆形玻璃砖实验，带领学生探究全反射的另一条件：入射角等于或大于临界角。通过测量临界角的大小，利用折射率，给出临界角的公式并通过实验仪器进一步验证，加深学生的理解。最后，介绍全反射棱镜与光导纤维的应用，使学生认识到课堂知识与前沿科技的紧密联系，让学生解决上课之初的“认知冲突”，从而实现了完整的课堂教学。

在实验改进方面，学生能直观感受到“全反射”是一个什么样现象，可以实现全反射的定量计算；实验设计的过渡性强，克服了实验之间的堆砌和罗列，采用了新颖有趣、符合学生认识水平的课堂引入，使学生产生“认知冲突”，活跃了课堂气氛，调动了学生的学习积极性，学生的主观能动性得到了充分的发挥。设计出让学生具体可感的实验装置，加强了实验设计环节的逻辑性，可以做到课堂有效推进，学生高效吸收。

参考文献：

[1]徐慧.以问激疑，由疑启思——“全反射”教学设计[J].物理教学，2017（2）：18-22.

[2]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[3]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准[S].北京：北京师范大學出版社，2003.