“全反射”教学设计的新探索

田望璇 邢红军

(首都师范大学教师教育学院,北京 100048)

1 现行教材编写分析

教材首先介绍光密介质和光疏介质的定义及其相对性,然后通过半圆形玻璃砖的演示实验,引出全反射的定义和临界角的概念及计算,最后,以全反射棱镜和光导纤维为例,介绍全反射现象的应用.

研究发现,基于三维课程目标的教材[1]编写存在以下问题: (1) 虽然教材通过演示实验展示了真实的全反射现象,但并未呈现直观、动态的光路图,这就在一定程度上影响了学生对于全反射现象的理解; (2) 教学逻辑主线不甚清晰,缺乏全反射现象、概念、公式间的系统连接; (3) 学生对知识形成过程的体验不够,忽视了过程展现对教学的重要作用.有鉴于此,本文针对以上问题,基于物理概念与规律教学的要求展开新的教学设计.

为了解决全反射教学中存在的问题,确定一条逻辑清晰的教学主线便成为本节教学设计的重中之重.笔者认为,本节课的教学应遵循物理概念与规律教学的要求.[2]具体而言,由生活中的全反射现象出发,创设情境激发学生的学习兴趣;运用实验归纳法,通过直观、动态的光路图讲解全反射的产生过程和条件,建立全反射概念;进一步,诠释全反射现象的本质,借助临界法计算玻璃砖的临界角,使全反射及临界角的概念得以顺利应用;最后,运用所学知识解释生活中的光现象,达到学以致用的目的.显然,依据物理概念与规律教学要求的教学设计,有助于学生体验全反射学习的过程,从而更好地发展物理核心素养.

2 教学设计的新探索

2.1 创设全反射现象建立的情境

物理知识源于生活.因此,教学中应以全反射现象的形成过程为出发点,引导学生从生活中的物理现象出发,感受全反射产生的前提与动因,为抽象的物理概念注入鲜活生动的生活元素,将书本里的物理知识升华为学生对生活中的直观感受,从而激发学习兴趣,调动学习的主观能动性和积极性.

在日常生活中,有许多全反射现象.例如,清晨鸢尾花叶片上的露珠在阳光的照耀下闪闪发光;喝水时发现水杯中的气泡看上去特别明亮.教师可以向学生展示露珠和气泡的图片,引领他们从生活现象中提炼物理情境,提出可探究的物理问题.基于教师的引导,学生自然而然就可提出诸如为什么会发生这样的现象?这个现象的原理是什么等问题.在此基础上,教师可进行演示实验,如向玻璃杯中加水,原本在杯底中的硬币就“消失不见”了;激光在弯曲的有机玻璃棒中并不沿直线传播.通过设置认知冲突,激发学生的好奇心和求知欲,让学生透过实验现象去发现蕴含在其中的全反射现象.

2.2 运用科学方法建立全反射概念

在创设物理情境之后,就需要沿寻物理概念与规律获得的逻辑路径,运用科学方法建立物理概念及规律.基于此,可以运用实验归纳法进行研究.光从一种介质射入另一种介质时,会同时发生反射和折射.根据折射定律,光由光疏介质入射到光密介质(例如由空气射入水)时,折射角小于入射角,如图1所示.根据光路的可逆性,当光由光密介质入射到光疏介质(例如由水射入空气)时,折射角大于入射角.当入射角增大到一定程度,但还没有到达90°时,折射角就会先增大到90°,此时折射光完全消失,只剩下反射光,这种现象就叫做全反射,此时的入射角叫临界角,用C表示.之后,教师通过学生分组实验探究的方式,引导学生归纳出发生全反射的两个条件:光从光密介质入射到光疏介质以及入射角等于或大于临界角.

图1 全反射的产生示意图

借助图1,可以帮助学生构建起光的反射、折射和全反射之间的逻辑关系,从而理解全反射的产生过程.由于全反射现象的发生具有动态化、抽象化的特点,学生理解往往会产生困难.因此,教学中就应向学生展示直观、动态的光路图,帮助他们理解全反射的产生过程及条件.

2.3 理解全反射现象的本质

物理教学的最终目的是以科学的方式讲清楚物理知识最核心的本质,一切教学方法和教学活动都要围绕物理本质展开.因此,教师在介绍全反射概念的基础上,还应继续带领学生理解全反射现象的物理本质.

光是一种电磁波,因此,可以以电磁波为着力点,帮助学生理解全反射现象的本质及其微观的物理图景.事实上,在全反射现象发生时,入射波不是简单地全部回到光密介质,在光疏介质中也存在透射波.入射波从光密介质入射到界面上,并不是从分界面上突然返回光密介质,而是继续沿分界面传播,在光疏介质内传播一段距离z0,[3]这段距离约为波长数量级,然后,再从光疏介质返回光密介质.发生全反射时,能量随着传播深度指数衰减,但这种衰减并不是被损耗,而是被逐渐返回原介质而产生的,因此,两介质间是完全没有能量交换的.[4]显然,只有厘清全反射现象的本质,才能算得上是真正理解了全反射现象.

2.4 借助科学方法应用全反射现象

研究表明,物理概念与规律唯有通过应用,才能使学生理解得更为深刻,掌握得更为牢固.由于物理概念与规律需要经由科学方法才能应用,所以,为了能够顺利应用全反射,就必须借助科学方法.

物体由一种物理过程(状态)变为另一种物理过程(状态)时,通常存在一个分界状态或转折点,这时物体所处状态通常称为临界状态,与之相关的物理条件则称为临界条件,研究临界问题的方法称为临界法.当发生全反射现象时,是折射光刚好消失的临界状态,教师可由此引导学生应用全反射的概念和临界角的定义寻找光从介质射入空气时,发生全反射的临界角C与介质的折射率n的关系,即

(1)

同时,学生也能发现介质的折射率越大,发生全反射的临界角越小.比如,钻石的折射率为2.41,临界角为24.4°,水晶的折射率为1.52,临界角为41.0°,由此,学生便知道钻石比水晶看上去更加闪亮的原因.因为钻石的临界角小于水晶的临界角,所以钻石比水晶更容易发生全反射,这就是人们选择钻石作为戒指的原因.

2.5 运用物理概念与规律解释全反射现象

“应用”是物理概念与规律教学的最后环节.需要明确的是,这一环节不能理解为解答物理习题.只有通过解决实际物理问题,学生才能真正理解物理概念与规律.由此,教师可带领学生利用所学知识解释虹和霓的形成原因及其区别.太阳光照射到雨滴后,会在雨滴中发生全反射,形成彩色的光带.虹的光带红色在外,紫色在内,是太阳光在水滴中发生一次全反射形成的,红光的出射光与入射光的夹角α=42°.霓的光带紫色在外,红色在内,是发生两次全反射形成的,红光的出射光与入射光的夹角α=50°,如图2所示.至此,通过霓和虹的比较,学生可以对全反射现象有更为深入的认识.

图2 霓和虹的形成示意图

正如物理教育专家乔际平先生所说,“学习物理的首要目的不是获得知识,而是解决生活实际中遭遇的物理问题,问题解决后自然习得相应的物理知识”.[5]问题是学生思维的起点,知识的获得始于问题的提出,终于问题的解决.只有运用所需知识解决实际问题,才能使学生真正体会到物理学的魅力所在.

3 研究启示

3.1 彰显教学理论的价值

长期以来,我国物理概念与规律的教学始终未能突破经验总结,原因在于教学一直缺乏深入的理论研究.而基于科学方法中心论的物理概念与规律教学要求,在抓住概念规律教学要素的同时,兼具科学、合理、流畅的教学逻辑,展现了物理概念与规律教学的应有之意,使物理概念与规律的教学得以超越经验而上升到理论层面,从而有效解决了教学中长期滞留的问题,为物理教学提供了坚实的理论指引.

正是在物理概念与规律教学要求的指导下,全反射的教学设计才显现出独特的结构性与整体性.本节教学设计的核心是体现运用科学方法建立全反射概念,理解全反射现象的本质,借助科学方法应用全反射现象,运用物理概念与规律解释全反射现象,它们相辅相成,共同构筑起了全反射教学的结构.这种观点下的物理教学设计既相互关联又相互依存,呈现出层层递进、逐步升华的样态.其脉络淸晰、层次分明、目标明确的特点,很好的体现了循序渐进的教学原则.

3.2 体现物理哲学的思想

量变引起质变,是马克思主义哲学原理的重要观点,也是物理学中的重要思想.量变和质变是事物发展变化过程中两种不同的状态,一切事物的变化一般都是从量变开始,逐渐积累起来,当量变发展到一定程度时,就会发生跳跃式的改变而引起质变.[6]

全反射现象发生的过程不仅反映出量变到质变的哲学思想,也体现出量变与质变相互交错渗透的内在联系.在全反射现象演示实验中,当入射角增大到一定程度时,折射光刚好消失,此时恰好发生全反射,处于临界状态.这时,教师可向学生强调临界的观点与方法,体会现象背后蕴含的临界思想.教师应当告诉学生,临界的观点以及从量变到质变的哲学思想与辩证规律,是全反射概念与本质在学生头脑中的升华,也是从物理学视角解释自然现象和解决实际问题的基础.因此,这样的教学设计才有利于学生体会临界的观点,感悟物理学中量变引起质变的哲学思想.

3.3 超越传统教材的局限

我国传统物理备课的“教材分析”、“教案撰写”强调经验的继承,强调对物理材料的感知和把握,但其固有的封闭性在相当程度上造成了“闭门造车”的倾向.[7]研究发现,很多中学物理教师在进行教学设计时,主要依据的是教材,教学设计往往就是教材的细化过程.[8]这样的教学设计过分依赖教材,缺乏教师对于物理知识的思考与创造,不利于学生对知识的把握.

对于全反射一节,教材编写虽然力求完备,但终究不能做到尽善尽美.传统教材对于全反射现象、本质与应用等教学环节的衔接存在不足,没有使学生达成对知识形成过程的体验.若完全依据教材进行教学设计,就会使这些不足成为学生知识体系中的问题,阻碍学生对知识的理解与掌握.当然,这囿于我们的基础教育水平,新版课程标准已在这一方面做出了很大改变.本节全反射教学设计超越传统教材的局限,遵循物理概念和规律的教学要求,力图带领学生亲历全反射现象形成的始末.通过厘清现象,揭示本质,把握逻辑,展开应用,从而较好地体现了物理核心素养的要求.