创新《七色光》教学

董宇

《七色光》是苏教版五年级科学教材“光与色彩”单元中的内容，属于物质科学领域的科学概念，小学科学课程标准中对应的学习内容是“太阳光包含不同颜色的光”，教学目标是引导学生认识光是可以分解与合成的，从而引发学生对于光本质的思考和初步认识。

一、原实验的不足

为了达到上述教学目标，教材中安排了一些实验，来进行光的分解与合成。光的分解实验，主要是通过制造彩虹来实现的，包括水镜、喷雾器、三棱镜三种方法。采用这些方法都能够将太阳光或者来自灯泡等其他光源的白光分解为七色光，让学生直观感受到光是可以被分解的。但是另一方面，光的合成實验受到教学器材和教室教学环境的限制，难以进行多色光到白光的直接合成。

因此，教材中提供了间接的实验方法来演示白光合成。第一种方法是先用玻璃纸滤出红、绿、蓝三原色的光，再将三色光交叉到光屏上的同一点来合成白光;第二种方法是通过旋转涂有三原色或者七色色块的圆盘，利用人眼的“视觉暂留”效应来“合成”白光。这些方法能够完成白光合成的展示，并且引入三原色的概念，让学生认识到通过三原色就能够合成白光乃至任意颜色。但是由于是间接合成，并不能完全解决学生的疑问，授课过程中往往有意犹未尽的感觉。第一种方法只是让三束光在光屏处完成白光的合成，并没有像太阳光一样真正合成一束白光;而第二种方法借助了“视觉暂留”效应，与真正的白光合成有本质区别。另一个问题在于，光的分解和合成本来就是相反的两个颜色控制过程，但是却要通过完全不同的实验向学生展示，不能很好地体现它们之间的内在逻辑关系。

其实，早在17世纪，牛顿就已经利用三棱镜实现了白光的分解和合成，教材中也详细介绍了他的实验方法，遗憾的是，小学课堂环境难以支持这个实验。牛顿实验的难点在于，对光的指向性提出了很高的要求。他成功的关键在于，利用太阳作为光源，并且利用小孔进行方向的选择，在暗室中降低了背景光对于观测的影响，从而能够同时清楚地看到白光的分解与合成。这是由于太阳光是最强的白光光源，即便在方向选择后，仍然有足够的亮度。但是，上述实验条件显然难以在小学课堂上得到满足，而且，手电筒等常规光源也不具备像太阳光那样较强的方向性。

和常规光源相比，激光具有更强的方向性。因此，笔者创新了实验教具，采用三原色激光来直接合成白色激光。通过教学实践，本课教学获得了良好的教学效果，让学生无须暗室等特殊条件，就可以体验与牛顿实验相同的直观感受，并与教材中玻璃纸滤光和旋转圆盘实验中引入的三原色概念形成呼应，构成教学体系。

二、创新教具

（一）整体设计原理

本实验的核心器材是一个自制可开合的白光激光光源暗箱，暗箱中包含了红、绿、蓝三原色激光器，可以发出红、绿、蓝三束激光，经过三棱镜后合成一束白色激光，从暗箱中输出。该暗箱采用一体化设计，三色激光的方向可以精密调节并且保持稳定，确保合成白光中的各种色光在不同位置都能准确重合;红、绿、蓝三色激光的亮度可以通过内置的控制器独立调节，确保配比准确且能够实现任意色光的合成。

暗箱外的实验光路由一个三棱镜构成，当白色激光透过它后，可以分解成红、绿、蓝三色激光。在光路中可以插入光屏1，对于白光光斑进行观察，光屏2用于观察色散后的红、绿、蓝三束光斑。在白光光路中也可以插入不同颜色的滤光片，在光屏1和光屏2处分别观察滤光片对于白光颜色的影响。

（二）创新点

用白色激光代替普通白光光源。白色激光光源由红、绿、蓝色三个激光二极管合成，与普通白光光源相比，它的方向性更好，可以避免普通白光光源色散后发散太快难以被重新合成的问题。笔者选用的激光二极管其实是激光笔零配件，成本低，适合作为小学科学课的教具。同时，采用白光激光光源暗箱也可以避免利用太阳光做实验时受到光照时间限制的问题。

在同一套便携式、免调试的装置中完成光的色散、滤光与光的合成三个实验，可以结构性地向学生展示教材中牛顿的白光实验，尤其解决了光的合成难题。同时，本装置不需要在黑暗环境下进行实验，能够高效实现本节课中所有的实验教学目标。

在旋转圆盘实验已经采用三原色的基础上，本实验仅用红、绿、蓝三色激光二极管就能合成白色激光，并完成光的色散和合成实验，更深入地向学生展示了其实采用三原色就可以合成任意的颜色。一方面与教材已经引入的三原色概念形成呼应，另一方面，可以在教学过程中可适当提及三原色在生活中的广泛应用。其实目前几乎所有的人造显示装置都是采用三原色合成的，如电视、电脑显示器、手机、投影仪等等。

使用干冰升华现象来呈现光路，现象清晰明显，取代了常用的“点香”“烧纸”等制造烟雾的方式，安全，无刺激性，适合在封闭教室环境中采用。

实验箱是由航空层板搭建的手提式教具，强度好、质量轻，满足合光光路1米光程的要求，壳体仅为2千克。制作工艺采用激光雕刻技术，效率高、成本低。

三、实验内容

结合教学目标，笔者设计了三个实验环节，实验内容设计如下。

（一）光的色散实验

暗箱中射出一束光，在光屏上出现一个透亮的白色光斑。在光路中加入三棱镜，光屏上出现了红、绿、蓝三色光斑。通过观察此现象，学生知道原来白光不是单色光，它是由单色光组成的，可以分解。

（二）滤光实验

在白光光路中放入一片红色滤光片，光屏1上会出现红色光斑，这是怎么回事呢？移走光屏1，让光线透过三棱镜，在光屏2上只出现了红色光斑，原有的绿色和蓝色光斑被过滤掉了。通过观察此现象，引导学生思考，原来光可以被过滤，而且用这种方式可以获取某种单色光。

（三）光的混合实验

白光是哪里来的呢？打开暗箱，原来白光是由红、绿、蓝三束激光透过三棱镜后合成的。通过观察此现象，学生知道原来白光不但可以分解，而且可以由几种不同颜色的光合成。教师向学生渗透光的三原色概念，让学生知道等比例的红、绿、蓝色光混合，可以合成白光。在实验中，遮挡其中任意一种色光，能够观察到不同色光的合成颜色是不同的。比如，遮挡住蓝色光，红色光和绿色光会合成黄色光。调节三色激光的亮度，还能够合成任意颜色的光。比如，通过调节光的亮度，还能够合成粉色、橙色等颜色的光。62A54B3B-1A37-4B1E-8B77-8E17A9659B00

四、教学过程

使用本教具的教学可以作为《七色光》的第二课时。在第一课时中，学生对教材中光的色散与光的合成实验进行了学习，学生认识到白光成分复杂，而色彩鲜艳的光是简单的。在这样的认知背景之下，带领学生利用创新的教具还原牛顿实验，验证科学家的发现。

（一）故事導入，聚焦问题

最先发现白光秘密的人是牛顿，他的实验是怎么做的呢？引导学生明确牛顿实验需要在带小孔的暗室中开展，教室中无法满足。此时，教师取出带小孔的暗箱，即“光的色散与光的混合”实验演示装置，并且从暗箱内射出一束白光，提问：它可以分解吗？聚焦今天所要验证的问题，开始还原实验。

（二）借助教具，开展探究

光的色散实验。学生知道白光能分解，撤掉光屏1，看到光屏2上红、绿、蓝三个光斑后，自然想到白光通过三棱镜后发散出了红、绿、蓝三色光，教师利用干冰来帮学生看清光路效果，学生在惊奇中感受到了光的分解。

滤光实验。用红色滤光片挡在白光光路中，在光屏1上只有红色的光斑，让学生猜测原因。学生猜测后，通过光的分解实验进行验证——借助三棱镜，在光屏2上只有清晰的红色光斑，让学生进一步解释原因。再用绿色滤光片重复上述过程，再次验证，得出结论——单色滤光片只能让同种颜色的光透过，其他色光都会被过滤掉。

光的混合实验。回到暗箱中发出的这束白光，为什么只分解到了三种色光呢？原来这束白光和牛顿使用的太阳光不太一样，这是教师特制的白光。让学生猜想，这束白光是怎么制作出来的，并且打开暗箱进行验证。这个实验现象证明，红、绿、蓝三种色光混合后可以合成白光。不同的色光混合后，呈现的颜色不同，通过挡住任意一种色光，其余两束光合成的颜色都不同。同样证明，光是可以合成的。不过，为什么红、绿、蓝三色光能合成白光呢？教师揭秘——红、绿、蓝是光的三原色，它们按照一定的比例混合，可以呈现所有颜色。生活中的投影仪、电视机等显示器都是利用光的三原色来呈现颜色的。教师可以向学生展示，通过调节三色激光的亮度，能够合成任意颜色的光。

五、反思与评价

（一）创新教具“三合一”，整合设计思路明确

光的色散实验、滤光实验与光的混合实验都可以在本教具中实现，在同一套设备中同时完成色散与混合这两个互逆的过程，高效地实现本节课的实验目标。同时，有层次的逻辑设计使得学生在教师的引导下，逐步发现光的奥秘，加深了对牛顿实验的理解，提升了思维能力。

（二）光源独特，无须暗室环境，摆脱天气影响

利用具备方向性好、亮度高特性的激光进行光的色散与混合，同样可以获得像牛顿实验那般的直观效果，在小学课堂中的呈现不会受制于环境和天气，让本课中的理论与实验进行了有效关联。

（三）突出三原色概念，补充七色光的教学

本课利用红、绿、蓝三色光完成光的色散与混合实验，作为第二课时，它与教材中的三原色概念形成呼应，有效地补充了《七色光》的教学。同时，让学生开始关注，生活中的显示器，如投影仪等，也是利用了光的三原色。

（四）低功率激光出光方向固定，教学过程安全

教具中选用的激光二极管只有一毫瓦，比课堂上常用的激光笔功率更低，而且，它们的出光方向是固定的，激光沿着固定的方向行进，不会直射人眼，保证了教学过程的安全性。62A54B3B-1A37-4B1E-8B77-8E17A9659B00