促进学生理解的“测定玻璃折射率”教学

刘紫微 魏舜芷 陈 刚

(华东师范大学教师教育学院,上海 200062)

1 问题的提出

“测定玻璃的折射率”是人教版高中物理选修3-4中第13章第1节的内容,也是高考考纲中规定考查的唯一的几何光学实验.[1]教材中对于该实验的仪器和操作步骤已给出清晰的说明(如图1),[2]结合教材和教师的引导,学生基本能习得运用插针法测定玻璃折射率的方法.但当问及“为何要使大头针B把A挡住”“为何4个大头针相互遮挡就能确定相互对应的入射光线和折射光线”时,大多数学生无法作出清晰、有依据的解答.

图1 测定玻璃的折射率(人教版高中物理教材)

根据布鲁姆教育目标分类学,当学生表现出“解释、举例、推论、分类、概要、说明、比较”的外显行为时,表明学生已达到“理解”层次;当学生表现出“遇到某一熟悉任务(即练习)时,他会习惯性地执行一套程序”的外显行为时,表明学生已达到“运用”层次.[3]上述学生“能执行插针法但不能解释实验步骤”的外显行为表明,大多数学生在学完这部分内容后,能“运用”规则,但不能“理解”规则背后的物理概念和规律.

为使学生真正理解插针法,达到“知其然且知其所以然”,本文试以教学任务分析为依据,提出促进学生理解的“测定玻璃折射率”教学方案.

2 教学任务分析

任务分析,亦可称为教学任务分析,是指在学校教育环境下教师对帮助学生习得特定学习结果的教学任务的建构,是教师确定教学目标后,揭示学习者达到教学目标所需要掌握的知识、技能及相互间序列关系的认知活动.任务分析是教学设计的核心成分,选择教学方法、规划教学事件均以任务分析的结果为依据.[4]

物理概念和规律的学习一般有理论分析和实验归纳两种途径.“测定玻璃折射率”是测量物理量类的一个实验,故教学时应遵循实验归纳途径,即经历提出问题、猜想与假设、规划方案、设计实验、进行实验收集数据和处理数据获得结论环节.[5]由于是测量类的实验,问题已经明确,且无需进行猜想,故本节课主要涉及规划方案等后面4个环节.

规划方案：

设计实验：

由于在课堂教学中提供了基本的实验装置,如:白纸、图钉、大头针、直尺、铅笔、量角器、平木板、长方形玻璃砖等,也就是测量的技能都是确定的,在此基础上可遵循设计实验通用策略来设计实验(表1).

表1 设计实验通用策略的运用

在上述步骤(4)中,学生会遇到子问题1:如何在现有实验条件下,测量入射角和折射角?

该子问题的解决主要遵循理论分析途径,即经历确定待研究的对象、确定待解决的问题、确定论证方式、确定解决问题策略(以选择出解决问题的必要技能)、执行必要技能解决问题、验证环节.[6]由于对象和问题已经明确,且不是论证性的问题,故只需确定策略并解决问题即可.

对于子问题1,教师可引导学生遵循逆推法解决,如下:

师:如果要测定玻璃砖的折射率,比较直接的做法是什么?

生:可以将玻璃砖压在白纸上,用激光笔发射一束光,使其以一定的角度入射到玻璃砖内,用笔在白纸上标记入射光线和入射点.观察并标记光在玻璃砖下表面的出射点,连接入射点和出射点确定折射光线.测出入射角和折射角,计算得到折射率.

师:也就是说一束入射光线(如图2中的光线①)从空气射到玻璃砖的上表面会发生折射,玻璃砖内有对应的一束折射光线(如图2中的光线②),并在玻璃砖下表面射出.那这一束折射光线射到玻璃砖的下表面会怎样?

生:也会发生折射再出射到空气中(如图2中的光线③).

图2 光经玻璃砖两次折射的光路图

师:请同学们画出大致的光路图.

学生已知光从空气入射到玻璃中满足折射角小于入射角,从玻璃入射到空气中满足折射角大于入射角,能够画出两次折射的大致光路图,如图2所示.

师:我们已经知道了光在玻璃砖中折射的大致光路,还知道了测量入射角和折射角的关键是确定一条入射光线和一条对应的折射光线.

此时学生相当于将子问题1拆分成了两个新的子问题.

子问题2:如何在现有实验条件下,确定一条入射光线?

该问题也可遵循逆推法解决,如下:

师:本实验并未提供激光笔等光源,如何从无数条射向玻璃砖上表面的光线中确定一条入射光线来研究呢?

生:对于不能自行发光的物体,我们能看见它是因为它反射的光进入了我们的眼睛,所以我们可以将物体反射出的光线作为研究中的入射光线.

师:根据提供的器材,可以选哪个物体?如何做?

生:大头针可以,把它插在所选光线的路径上.

教师完成该操作,让学生观察.

师:透过玻璃砖从另一面观察大头针A,我们能观察到什么?

生:大头针A的像.

师:这个像是如何被观察到的?

生:大头针A反射的光线经玻璃砖两次折射进入我们的眼睛,就观察到了像.

师:我们初中时就学过,折射成像是虚像,人眼观察到的虚像位置在何处?

生:最后出射光线进入人眼,由于人眼总感觉光沿直线传播,所以人眼会感觉虚像在进入人眼的光线(即此时的出射光线)的反向延长线上.

师:很好!现在我们知道了折射所成虚像在进入人眼的光线(即此时的出射光线)的反向延长线上.

师:那仅用一个大头针的像,能否确定所选的入射光线?

生:不可以.

师:确定一条入射光线至少要几个点?

生:两个.

师:那不妨在入射光线的路径上再插一个大头针B.这时透过玻璃砖能观察到什么?

教师完成该操作,让学生观察.

生:两个大头针的像.

师:此时能观察到两个像(如图3中的A′和B′),说明有两条出射光线进入人眼,也就是大头针A和B各对应了一条入射光线(如图3中的光线①和②).那当两个大头针的像满足什么关系时,才能确定一条入射光线呢?

图3 人眼观察到两个像

生1:一条确定的入射光线只会对应一条出射光线进入人眼,此时A和B成的像应该都在这条出射光线的反向延长线上.(如图4)

图4 人眼只观察到一个像

生2:那B′会遮挡A′,此时人眼只能观察到一个像.

生3:也就是说,当我们调整视线方向,直到大头针B的像刚好把A的像挡住时,我们就确定了一条入射光线,即为大头针A、B的连线.

子问题3:如何在现有实验条件下,确定一条与入射光线对应的折射光线?

该问题也可遵循逆推法解决,如下:

师:前面分析了入射光线的确定,那么折射光线如何确定呢?

生:如果能确定折射光线上的两点,就能确定折射光线了.

师:可以确定哪两个点?

生:一个是入射点,还可以确定在玻璃砖下表面的出射点.

师:入射点如何确定?

生:A、B的连线是入射光线,延长到与玻璃砖上表面相交的点即为入射点.

师:在下表面的出射点如何确定?

生:和入射点一样,只要确定了出射光线,延长到与玻璃砖下表面相交的点即为出射点.

师:如何确定出射光线?由前面的图(图4)可以看出什么规律?

生:出射光线与大头针A、B的像在同一直线上.

师:在同一直线上的物体会有何现象?

生:互相遮挡.

师:那你们想到如何确定出射光线了吗?

生1:可以在视线前方再插一个大头针C,如果C刚好能挡住像B′和A′,那么大头针C也在这条出射光线上.

生2:由于至少要两个点才能确定一条光线,所以还要在视线前方再插一个大头针D,如果D刚好能挡住C、像B′和A′,那么大头针D也在这条出射光线上.

生3:那C、D的连线就是出射光线,延长到与玻璃砖下表面相交的点即为出射点.再将入射点与出射点相连就得到了折射光线.

师:现在入射光线和折射光线都确定了,测量入射角和折射角也就不成问题了!

解决了子问题2和3,子问题1便也迎刃而解.随后教师继续引导学生遵循设计实验通用策略完成实验的设计,此时,在步骤(6)“确定每次实验中的条件(如物理量的变化方式)”时,学生就能想到通过改变大头针A、B的位置来改变入射角的大小.

进行实验收集数据：

设计完实验后,教师应带领学生梳理完整的实验步骤(如图1),随后学生进行多次实验并记录数据.

处理数据获得结论：

将数据代入公式计算玻璃的折射率,并通过多次实验取平均值来减小误差,得出最终结果.

3 促进学生理解的教学方案

通过上述教学任务分析,教师已经可以明确学生的学习过程,并分析出学生可能遇到的难点:

(1) 光在玻璃砖中折射的大致光路如何;

(2) 如何在没有激光光源的实验条件下,确定一条用于研究的入射光线;

(3) 如何在现有实验条件下,确定一条与入射光线对应的折射光线.

只有突破了上述难点,学生才能真正理解插针法.而要突破上述难点,需要学生对初中所学知识进行迁移,掌握以下知识:

(1) 光在光疏、光密介质间传播时满足的折射规律;

(2) 人眼看见不发光物体的原理;

(3) 人眼观察到折射所成虚像在进入人眼的光线的反向延长线上;(核心)

(4) 光在同种均匀介质中沿直线传播,同一直线上物体相互遮挡.

故而教师可在课前或相应的教学过程中带领学生复习相关知识,遵循任务分析得出的学习过程来规划教学过程,在学生遇到困难时引导学生突破难点.这样以教学任务分析为依据进行教学设计,能使教学有据可依,实现事半功倍的高效课堂.

对于教学方法的选择,通常有传授式、启发式和探究式,为了使学生达到“理解”层次,建议采用启发式或探究式教学法.如果选用启发式,教师可依据任务分析中的问题串,逐步引导学生选择知识、运用策略、解决问题.对于基础扎实、能力较强的学生,也可采用探究式教学法,教师针对学生可能存在困难的各节点事先准备好相应的工作单:当学生因未提取出解决问题必要技能而遇到障碍时,教师可提供相应的技能单,引导学生回忆以往学习经验;当学生因没有思路而遇到障碍时,教师可提供相应的策略单,通过提示解决此问题所需的策略来引导学生解决.

与常规教学方案从实验步骤出发不同的是,上述教学方案从实验原理出发,强调让学生通过自己的思维活动自主建构出测定玻璃折射率的实验方案,再梳理、总结出实验步骤.如此,学生不仅掌握了测定玻璃折射率的实验操作,更重要的是能够解释每一实验步骤背后的物理原理,真正达到“知其然且知其所以然”的“理解+运用”层次.

4 对插针法学习必要性的思考

教学应以学生的理解为目的.本节课的教学目标是给定一块玻璃,能够测量出它的折射率,学生能想到的最直接的、最能理解的方法是使用激光笔.如果采用插针法,按照只关注实验步骤的常规方案进行教学,学生将只能“运用”规则,而不能“理解”规则背后的物理概念和规律,这将使教学失去意义.然而,为使学生达到“理解”层次,由前文分析可知,学生需要掌握的前提知识很多,这又会导致教学过程相对繁杂,且有些知识,如“人眼观察到的虚像位置”并非本节课的重点,难免有些“喧宾夺主”.此外,现有文献中有很多涉及对插针法的误差分析和改进,这也表明插针法并非高中阶段测定玻璃折射率的最佳方案.插针法到底有何优势?插针法在高中阶段是否有学习的必要性?这些问题有待进一步研究讨论.