基于PCK的研究性备课的区域实践研究——以苏科版初中物理教材“光的色彩、颜色”为例

季卫新 陈 栋

(1. 南京市雨花台区教师发展中心,江苏 南京 210012；2. 连云港市灌南县下车中学，江苏 连云港 222231)

1 相关研究背景

1.1 关于PCK

PCK,是“Pedagogical Content Knowledge”的缩写,即“学科教学知识”,这个概念最早由舒尔曼提出的．1986年,舒尔曼在美国教育研究协会会刊《教育研究者》发表的一份研究报告中首次提出PCK概念,并将其定义为“教师个人教学经验、教师学科内容知识和教育学的特殊整合”．PCK概念的提出本旨是为了方便研究“学科知识与教学方法发展之间的关系”．

PCK研究的意义就是“它揭示了 PCK是教师实践知识中最有意义的知识”．“要给学生一杯水,教师要有一桶水”,这仅仅是强调了教师知识“量的关系”．为了这“一杯水”,此外,还要去研究:教师如何才能有一桶水?如何将这一桶水通过“教学实践”转化为学生的“一杯水”?如何确保有效?在有效的基础上又怎样可以高效?否则,“教师即使有一桶水,也未必能给学生一杯水”．而PCK所研究的各成分恰恰就为教师教学知识发展提供了指导,必然就是教师专业发展首先要考虑的问题．

教师的 PCK应该是实践性的,在实践“前、中、后”围绕某一“教学点”开展行动研究,积累大量的教学点 PCK,并通过大量的课例研究、提供教学知识点的“典型案例”,可以为其他教师提供借鉴,而这些可以从“研究性备课”开始．

1.2 关于研究性备课

常规的备课通常应该有3个环节“教师个人备课——备课组集体备课——教师二次个人备课”．在本区域教学视导和教学工作质量检查过程中,笔者发现,绝大多数教师都是针对检查而进行“应付式”和“拷贝式”的“伪备课”．一份教案可以连续使用多少年而没有任何的改变,不研究教材、不重组教材、不创新教材,更不去研究如何在课堂教学过程中落实核心素养的培养．长期以往,既不能有效提升课堂教学质量,同时也阻碍了教师的自身专业成长．

为了有效改变以上所述现状,大力提升本区域初中物理教师备课的有效性、高效性和针对性,同时也能促进教师自身的专业成长,提出了基于PCK的研究性备课概念．

“基于PCK的研究性备课”:针对相应的学科知识,通过教师个体为主、集体为辅的方式,以研究教材的编排意图、教材的重难点突破、教材的重组和创新为载体,最终研究出符合“学生为主体”的教学方法．该定义清晰的界定了“研究性备课”的核心词为“研究”,并明确了研究的对象、研究的方式、研究的途径和研究的目标．

关于研究的对象,主要应该包括:《课程标准》、教材和“学情”．本文将以苏科版初中物理教材第3章第1节“光的色彩、颜色”的备课为例,谈一谈如何基于PCK进行研究性备课．

2 白光为什么会发生“色散”现象

白光是由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫等多种色光混合而成的．由两种或两种以上的单色光(频率不同的光)组成的光称为复色光．不能再分解的光(只有一种频率),称为单色光．在光学中,将复色光分解成单色光的过程,叫光的色散．

不同频率的光对同一介质的折射率并不相同,对同一种介质,光的频率越高,介质对这种光的折射率就越大．如图1所示,在可见光中,紫光的频率最高,红光频率最小．当白光通过三棱镜时,紫光的偏折程度最大,红光偏折程度最小．如图2所示,三棱镜将不同频率的光分开,白光散开后单色光从上到下依次为红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫7种颜色,这样就产生了光的色散．

图1 电磁光谱

图2 光的色散

色散除了可以利用三棱镜来实现之外,还可以利用衍射光栅(如图3和4所示),干涉仪(如图5所示)等仪器来实现．将颜色按一定顺序排列形成光谱(spectrum)．光谱是复色光经过色散系统(如棱镜、光栅等)分光后,被色散开的单色光按波长(或频率)大小而依次排列的图案,全称为光学频谱．光谱中最大的一部分可见光谱是电磁波谱中人眼可见的一部分,在这个波长范围内的电磁辐射被称作可见光．光谱并没有包含人类大脑视觉所能区别的所有颜色,譬如褐色和粉红色．

图3 衍射光栅原理

图4 衍射光栅光谱

图5 干涉仪原理

3 “色散”现象的发现与探索相关物理学史

光学真正形成一门科学,应该从建立反射定律和折射定律的时代算起．关于“光的本性”存在着“粒子说”和“波动说”两种观点．19 世纪以前,粒子说比较盛行．粒子说把光看成由粒子组成的,认为这些粒子按力学规律沿直线飞行,因此光具有直线传播的性质．但是,随着光学研究的深入,发现了许多不能用“粒子”来解释的现象,例如干涉、衍射等．但是,用光的波动性就很容易解释,于是光的波动说又占了上风．两种学说的争论促进了光学研究的深入与发展．

3.1 国内早期对色散的理解

中国古代对光的色散现象的认识,最早起源于对自然色散现象“虹”的认识．早在2300多年前,我国的《墨经》就记载了许多光学现象,例如投影、小孔成像、平面镜、凸面镜、凹面镜等等．而早在殷代甲骨文里就有了关于虹的记载.当时把“虹”字写成“绛”．

战国时期《楚辞》中有把“虹”的颜色分为“五色”的记载．东汉时期蔡邕(132—192年)在《月令章句》中对“虹”的形成条件和所在方位作了描述．唐初孔颖达(574—648年)在《礼记注疏》中粗略地揭示出虹的光学成因“若云薄漏日,日照雨滴则生虹”,认为虹是太阳光照射雨滴所产生的一种自然现象.

公元八世纪中叶,张志和(744—773年)在《玄真子·涛之灵》中第一次用实验方法研究了虹,而且是第一次有意识地进行的白光色散实验:“背日喷呼水成虹霓之状,而不可直也,齐乎影也”.南宋朝蔡卞进行了一个模拟“日照雨滴”的实验,把虹和日月晕现象联系起来,认为虹的产生是一种色散过程,并指出了虹和阳光位置之间的关系.

南宋程大昌(1123—1195年)在《演繁露》中记述了露滴分光的现象,并指出,日光通过一个液滴也能化为多种颜色,实际是色散,而这种颜色不是水珠本身所具有的,而是日光的颜色所造成的,这就明确指出了日光中包含有数种颜色,经过水珠的作用而显现出来,可以说,这已接触到色散的本质了.

从晋代开始,许多典籍都记载了晶体的色散现象．如孔雀毛及某种昆虫表皮在阳光下不断变色的现象,云母片“向日举之”可观察到各种颜色的光．李时珍也曾指出,较大的六棱形水晶和较小的水晶珠都能形成色散.

明末,方以智(1611—1671年)在其所著《物理小识》中综合前人研究的成果,对色散现象作了极精彩的概括,他把用带棱的自然晶体和人工烧制的三棱晶体将白光分成五色,与“向日喷水”而成的五色人造虹、“日光照射飞泉”产生的五色现象,以及虹霓之彩、日月之晕、五色之云等自然现象联系起来,认为“皆同此理”即都是白光的色散.

清代著名光学家郑复光(1780—约1862年)著有的光学著作《镜镜冷痴》对“物体的颜色、光的直进、反射和折射,反射镜和透镜的成像,光学仪器的制造等”都作了比较详细的阐述．

所有这些都表明中国早期对色散现象的本质已有了较全面的认识,唯一遗憾的就是中国古代物理学知识大都是零散、经验性的知识．

3.2 国外早期对色散的理解

西方光学发展的早期对色散的研究,起源于对“颜色的解释”．亚里士多德认为,颜色不是物体客观的性质,而是人们主观的感觉,一切颜色的形成都是光明与黑暗、白与黑按比例混合的结果．

西奥多里克曾在实验中模仿天上的彩虹,他用阳光照射装满水的大玻璃球壳,观察到了和空中一样的彩虹,以此说明彩虹是由于空气中水珠反射和折射阳光造成的现象．不过,他的进一步解释没有摆脱亚里士多德的教义．

笛卡儿对彩虹现象也有兴趣,他用实验检验西奥多里克的论述．在他的《方法论》(1637年)中还有一篇附录,专门讨论彩虹,并且介绍了他自己做过的棱镜实验．他用三棱镜将阳光折射后投在屏上,发现彩色的产生并不是由于进入媒质深浅不同所造成．因为不论光照在棱镜的那一部位,折射后屏上的图象都是一样的．遗憾的是,笛卡儿的屏离棱镜太近(大概只有几厘米),他没有看到色散后的整个光谱,只注意到光带的两侧分别呈现蓝色和红色．

1648年,马尔西用三棱镜成功演示了光的色散,但遗憾的是解释错了．

1663年波义耳也曾研究了物体的颜色问题,他认为物体的颜色并不是属于物体的带实质性的性质,而是由于光线在被照射的物体表面上发生变异所引起的．能完全反射光线的物体呈白色,完全吸收光线的物体呈黑色．

牛顿从笛卡儿的棱镜实验得到了启发,又借鉴于胡克和玻义耳的分光实验．胡克用了一只充满水的烧瓶代替棱镜,屏距折射位置大约60 cm;玻义耳把棱镜散射的光投到1 m多高的天花板上;而牛顿则将距离扩展为6—7 m,从室外经洞口进入的阳光经过三棱镜后直接投射到对面的墙上,如图6所示．这样,他就获得了展开的光谱,而前面的几位实验者只看到两侧带颜色的光斑．

图6 牛顿的色散实验

牛顿对于“光的色散”现象做了近8个实验,其中最具有代表性的有4个实验.

(1) 为了证明色散现象不是由于棱镜跟阳光的相互作用,而是由于不同颜色具有不同的折射性,做了如图7所示实验．在一张黑纸上画一条直线opq,op为深蓝色,pq为深红色,经棱镜观看,只见这根线好象折断了似的,分界处正是红蓝之交,蓝色部分rs比红色部分st更靠近棱脊ab．可见蓝光比红光的折射能力更大．

图7 证明蓝光比红光折射性强

(2) 为了证明“棱镜的作用是使白光分解为不同成分,又可使不同成分合成为白光”,设计了如图8所示实验．

图8 牛顿用3个棱镜做实验

(3) 为了证明“白光确是由折射性能不同的光组成”,设计了如图9所示的“判决性试验”．光从S平行进入F后经棱镜折射,穿过木板DE上小孔G,各种颜色以不同的角度射向木板de(离DE约4米远),穿过小孔g,经三棱镜abc再折射后抵达墙壁MN．缓缓旋转三棱镜ABC,使木板de上不同颜色的光相继穿g到达三棱镜abc．实验结果:被第1块棱镜折射得最厉害的紫光,经第2块棱镜也偏折得最多．

图9 牛顿的判决性实验

(4) 为了反驳“光谱实验没有考虑到太阳本身的张角”、“光谱变长是一种衍射效应”和“无法解释薄膜的颜色”等质疑,设计了如图10所示的实验．扁长的三棱镜,可以使产生的光谱相当狭窄．用屏放在位置1接受光,看到的仍然是普通光,但将屏改变角度,放在位置2,就可以看到分解的光谱．这样,由于只涉及屏的角度,结果与棱镜无关,就回答了怀疑者提出的质疑．

图10 扁长三棱镜实验

4 光的三原色应该如何正确理解

苏科版教材在设置“活动3.1分解太阳光(如图11所示)”和“活动3.3观察色光混合现象(如图12所示)”后,进行了一段以下的论述．

教材文本:进一步研究表明,将红、绿 、蓝3种色光按不同比例混合,能产生任何一种其他颜色的光,而自身却无法用其他的色光混合得到．因此,我们将红、绿、蓝叫作光的三原色．彩色电视机和计算机显示器能呈现彩色图像,就是运用了三原色光混合的原理．在屏幕上排列着许多由红、绿、蓝组合而成的发光点,这些发光点在电路的控制下发出不同强度的三原色光,从而产生不同的色彩．

图11 教材活动3.1

图12 教材活动3.3

教材文本分为两段蕴意:前一段是“为什么把红绿蓝叫做光的三原色”,后一段是光的三原色的应用．很多教师没有研究教材、没有理解教材,经常淡化前一段“原因”的“生成”,而本末倒置地把后一段的应用代替“原因”,这个显然是错误的．正确的做法应该是通过以下两个角度,去科学阐述“原因”,然后再例举生活中的实际应用案例．

4.1 RGB(红绿蓝)无法分解得到其他色光

由“活动3.1分解太阳光”得到“红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫”7种颜色彩色光带,在此基础上,可以进行以下的研究性备课思考．

图13 投影仪灯光的色散

考虑到太阳光获取的诸如天气、授课节次、教室位置、朝向等客观因素,可以使用投影仪的灯光代替太阳光进行实验．如图13所示,将PPT某一页幻灯背景设置为黑色,在合适位置添加一个狭长条形文本框,“填充”“白色”,播放当前页,进行调节,直到出现彩色光带．

之后,将当前页复制、粘贴7份,通过“填充”“自定义颜色”来改变文本框填充的颜色(投影仪灯光颜色)．依次将这七张幻灯片文本框填充上“红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫”色． 红光、橙光和黄光经三棱镜折射后的效果图如图14所示．

图14 红橙黄色光分解

通过这个实验,可以非常清晰地观察到这样的现象: (1) 橙光、黄光、靛光、紫光四种色光经过三棱镜后,再次被分解成其他颜色的色光; (2) 红光、绿光和蓝光三种色光经过三棱镜后,没有再次分解．结论:红光、绿光和蓝光三种色光是单色光;橙光、黄光、靛光、紫光四种色光是复色光．

4.2 RGB(红绿蓝)可以按不同比例混合得到其他所有色光

“活动3.3观察色光混合现象”有多种方法可以效果很明显地展示．如图15所示器材对于学生分组活动而言,是目前效果最好的,因为它可以通过旋转旋钮任意改变“红绿蓝”三色光的色度(比例),可以看到非常丰富的色光．

图15 光的三原色合成实验器

综合以上4.1和4.2论述可知，红、绿 、蓝3种色光是单色光,无法用其他的色光混合得到;将它们按不同比例混合,却能产生任何一种其他颜色的光．说明红、绿 、蓝三种色光是最本原的色光,因此,将红、绿、蓝叫做光的三原色．

5 人眼为什么能看到缤纷多彩的颜色

人耳能够听到并区分不同频率的声音,但是正常情况下,频率过低(次声波)和频率过高(超声波)人耳是听不见的;频率相差不大时,人耳也是无法区分的．与之相似,人的眼睛也能看到不同频率的光,但是频率过低(红外线以外)和频率过高(紫外线以外)人眼是看不见的;频率相差不大时,人眼也是无法区分的．

人眼视觉系统(如图16所示)由视锥细胞、视杆细胞和视觉神经组成．“视锥细胞”含有三种不同视色素,其重要功能就是辨别颜色．颜色视觉(Color Vision)是指对不同颜色的识别,即不同波长的光线作用于视网膜后在人脑引起不同的主观印象．人眼可以区分出红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等七种颜色,但仔细的检查可以发现,人眼可以分辨可见光谱(380～760 nm)内的约150种不同的颜色,每种颜色都与一定波长的光线相对应．因此,在可见光谱的范围内,波长长度只要有3～5 nm的增减,就可被视觉系统分辨为不同的颜色．很明显,视网膜中不可能存在上百种对不同波长的光线起反应的视色素．那么,只有三种视色素的视锥细胞是如何感知上百种不同颜色的呢?

图16 人眼视觉系统

图17 牛顿色盘

在牛顿时代的物理学中,大家普遍都有一个共同的认识:一种颜色不仅仅是由某一固定波长的光线所引起的,而且可以由两种或更多种其它波长光线的混合作用而引起．例如,把光谱上的七色光在如图17所示的“牛顿色盘”上旋转,可以在人眼引起白色的感觉．

19世纪初,Young(1809)和Helmholtz(1824)提出的“视觉的三原色学说(Trichromatic Theory)”认为:在视网膜上分布有3种不同的视锥细胞,分别含有对波长700 nm(红)、540 nm(绿)和450 nm (蓝)光线特别敏感的三种视色素．当某一波长的光线作用于视网膜时,以一定的比例使3种视锥细胞分别产生不同程度的感知,传至中枢神经,从而产生某一种颜色的感觉．

“三原色学说”已被许多实验所证实．研究表明,用不超过单个视锥细胞直径的细小单色光束,逐个检查并绘制视锥细胞的光谱吸收曲线,如图18所示,发现视网膜上确实存在三类吸收光谱,其峰值分别在564 nm、534 nm和420 nm处,与红、绿、蓝3色光的波长非常接近．用微电极记录单个视锥细胞感受器电位的方法,也观察到不同单色光引起的超极化型感受器电位的大小,在不同视锥细胞是不一样的,峰值出现的情况也符合三原色学说．

图18 视锥细胞的光谱吸收曲线

图19 一个色盲检查图

“三原色学说”及其实验依据能较合理地解释色盲和色弱的发病机制．色盲(Color Blindness)是一种对全部颜色或部分颜色缺乏分辨能力的色觉障碍,一般能通过类似如图19所示色盲检查图检查出来．色盲可分为全色盲和部分色盲．全色盲极为少见,表现为只能分辨光线的明暗,呈单色视觉．部分色盲可分为红色盲、绿色盲及蓝色盲,其中前两种较常见．

色盲绝大多数是由遗传因素引起的,只有极少数是由视网膜病变引起的．有些色觉异常的产生并非由于缺乏某种视锥细胞,而只是由于某种视锥细胞的反应能力较弱,这样使患者对某种颜色的识别能力差一些,这种色觉异常称为色弱,常由后天因素引起．

6 结束语

本文以苏科版初中物理教材第3章第1节“光的色彩、颜色”的备课为例,在对《初中义务教育物理课程标准(2011版)》的解读、对苏科版物理教材八年级上册的理解和对“学生第一次学习光学”学情的把握的基础上,通过5个问题核心问题,确定了“基于PCK的研究性备课”的研究对象．

“光的色彩、颜色”是初二学生学习物理光学的第一课,除了一些生活体验和现象观察之外,没有任何基础．同时,从物理学科核心素养的“物理观念”、“科学思维”、“科学探究”和“科学态度与责任”4个方面来说,研究性备课都应该将以上4个问题研究透切、理解到位、在课堂中真正“落地”,这样核心素养才有可能“生根”.

基于PCK的研究性备课,除了要明确其研究的对象外,还要厘清其研究的方式、研究的途径和研究的目标．这3个方面,笔者将会继续研究,以期尽快以飨读者．