核心素养导向下的高中物理“光的折射”教学改进

2024-02-07柳佳

物理之友 2024年10期

摘" 要：传统的课堂教学偏重于逻辑推理和方法技巧的训练，很少考虑如何以学生为主体来培养其核心素养。如何有效突破这一教学困境，是所有教师要思考的一个问题。本文以高中物理“光的折射”一节的教学为例，以核心素养为导向，从物理规律出发，紧扣《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》，创设生活情境，巧妙设计、改进探究实验，并结合人类探究物理规律的历史进程，归纳总结折射定律和折射率的内涵本质。

关键词：光的折射；核心素养；教学改进

基金项目：

本文系“苏州市2022年度‘姑苏教育人才’资助项目——《与信息技术融合指向深度学习的物理教学研究与实践》”的研究成果（项目编号：RCZZ202253）、“江苏省陶行知研究会‘十四五’规划课题——《基于‘教学做合一’的物理课堂教学实践研究》”的研究成果（项目编号：JSTY14633）、苏州市教育科学十四五规划课题——“与信息技术融合指向深度学习的物理教学研究与实践”（课题编号：2022/LX/02/197/11）的研究成果之一。

物理教学不能仅局限于学科知识、技能的教育层面，更应该重视课程对学生核心素养的培养，有效落实教学在“物理观念”“科学思维”“科学探究”及“科学态度与责任”这四个维度上的要求。对于

人教版《普通高中教科书" 物理

选择性必修" 第一册》中“光的折射”这部分内容，由于学生在初中阶段学过的知识已经有所涉及，因此部分教师可能会在高中课堂教学中对此一带而过，直接给出折射定律的内容和折射率的概念，这种做法忽略了科学探究的实验过程，违背了核心素养的要求。本文以

人教版教材为基础，以物理学科核心素养为指导，设计了相关实验并对该部分教学内容进行了改进。

1" 核心素养导向下的物理教学目标

教学目标是实施教学环节的总纲领，指导着知识建构的整个过程，具有整理与提升、丰富与拓展的功能，使知识更具有结构性、层次性和稳定性。笔者从各个角度细化教学目标，尝试为教学实施指明方向。

第一，物理观念。引导学生认识光的折射现象，知道法线、入射角和折射角的含义，理解折射率的概念和光的折射定律，能够使用折射定律解释相关现象和计算有关问题。

第二，科学思维。协助学生通过对折射现象的观察，经分析和推导得出有关折射的定性结论，逐步培养学生的推理能力和科学思维模式。

第三，科学探究。培养学生用物理实验探究科学问题的方法，让学生养成细心严谨的科学态度和科学思维习惯，增强学生分析、论证、归纳总结的能力。

第四，科学态度与责任。通过使学生了解推导折射率的历史发展过程，让学生坚持实事求是的原则，保持严谨的科学态度，感受人类的探究精神和人文情怀，形成探索自然的内在动力，践行推动可持续发展的责任感。［1］

2" 核心素养导向下的物理教学实验展示与改进

2.1" 引入新课" 激发学习兴趣

在初中物理教学中，学生对于光的研究已经有所涉及，掌握光的反射定律，定性知道光的折射定律，并且了解透镜成像原理。那么教师在高中物理的教学中，该如何再次激发学生对于光的研究热情，并有效导入新课呢？

笔者利用身边的物品设计了“3D全息电影”的小实验。按如图1所示尺寸切割4块厚度为3mm的亚克力透明玻璃板，并粘贴成漏斗状（见图2），将其水平放置在平板电脑屏幕上方。当平板电脑屏幕上播放视频素材时，学生就可以透过亚克力玻璃板观看到神奇的3D立体电影。

该立体电影并非由光的干涉或衍射形成，而只是简单地由4片透明玻璃板结合平面镜成像技术获得。此实验的目的是激发学生对神秘而有趣的光现象的探究热情，为新课的引入进行铺垫。

2.2" 提出问题" 明确探究主题

笔者将传统的“箭叉鱼”实验（见图3）和光的折射演示仪（见图4）进行组合，将小鱼放置在半圆形演示水槽中，利用激光笔模拟小鱼的反射光线的传播路径（见图5）。通过这种方式，教师向学生解释“箭叉鱼”实验失败的原因，从而顺理成章地引入“光的折射”这一课堂主题。在实际教学中，教师可以“以资源为载体”“以思维为主线”“以行为为中心”，通过模拟光路实验，带领学生回顾初中物理中有关光的反射与折射的知识，使教学节奏紧凑、过渡自然，为后面的定量探究实验有效节约时间。

2.3" 开始实验" 定量探究关系

定量探究折射角与入射角之间的关系，得出折射定律和折射率的概念，是本节课的教学重点。在设计学生分组探究实验时，笔者采用了“光由空气射向玻璃介质”的模型（见图6），让学生测量不同的入射角和其对应的折射角大小。

为了获得稳定的线光源，得到较准确的实验现象和数据，笔者还对普通激光笔进行了改装，在激光笔前端加装了“线光源套筒”（见图7），将点光源改进为线光源。在实验时，学生只需将其水平放置在纸面上即可，操作简单方便。

实验操作结束后，教师如何根据学生的测量数据（见表1）引导学生探究折射角与入射角的定量关系是本节课的难点；如何有效突破该难点是本节课的教学关键。

2.3.1" 正比例关系的探究

分析学生的测量数据可以发现，随着入射角的增大，折射角也随之增大。教师引导学生从最简单的正比例关系进行探究，学生发现入射角始终小于折射角的2倍。至于二者究竟是否满足正比例关系，我们可以利用计算机软件进行验证。很多教师习惯用Excel进行数据拟合，而本文尝试使用GeoGebra软件进行数据处理。GeoGebra软件的优点体现在可以对后续学生提出的猜测进行快速验证。教师应引导学生尊重实验数据、坚持实事求是的态度。当入射角较小的时候，在误差允许的范围内，数据点很好地分布在正比例趋势线的两侧，唯独最后一个数据偏差比较大。笔者认为，此时教师不应急于否定“同比例增大”的结论。因为学生可能会心存疑惑，认为这一结论可能只是数据测量错误造成的。

学生容易发现在小角度时，θ1与θ2满足成正比的关系，但是大角度时数据偏离直线较远（见图8）。此时教师不应直接否定学生的猜想，而应通过对大角度的测量数据提出疑问，引导学生多测几组该区域附近的数值，培养学生细心严谨的科学态度。分别增加入射角为75°和85°时的折射角测量数据，通过GeoGebra分析后发现，数据点确实不满足正比例关系（见图9）。

2.3.2" 其他函数关系的探究

不少教师在否定入射角与折射角之间的正比例关系后，会直接提出θ1与θ2的平方甚至三次方成正比的猜测，继而再拟合、否定。然而，笔者认为这是不符合学生认知逻辑的。高二的学生，根据已掌握的数学知识，当观察到数据点的离散图像时，最容易由数据点离散图像联想到的应是指数小于1的幂函数，或者是平移后的对数函数。这种情况下，GeoGebra的优势就体现出来了。

笔者输入了两个最逼近的幂函数和对数型函数，通过对比实验数据点（见图10、图11），使学生的猜测得到验证。相较于常用的Excel软件，GeoGebra软件可以调用任意学生想到的函数关系进行比对，方便直观，让学生亲历探究的过程。学生也能从一次次探究失败中，体会科研工作的艰辛和不易，从而培养坚韧不拔的探究精神，这也契合了核心素养的要求。

2.4" 重现历史" 培养科学态度与责任

学生在课堂上通过短时间的数据分析，其实很难发现入射角和折射角之间的真正关系。此时，如果教师直接抛出二者正弦值成正比的结论，颇有照本宣科的

“味道”。笔者认为，不妨在课堂上重现折射规律的历史发展过程，让学生潜移默化地找到探索自然的内在动力，培养学生践行推动可持续发展的责任感。

从公元140年的托勒密，到1000年后的阿勒·哈增，到1611年的开普勒，再到1621年的斯涅耳，折射规律的探究漫长而曲折。笔者认为，教师可以重点介绍斯涅耳的探究思路，即把对角的研究转变为对边长的研究，培养学生的科学思维。

斯涅耳从实验现象着手，先在一个长方体的玻璃水槽里盛满清水，并让一束光线从空气射入水中。他沿着入射方向可以画出一条在水中的虚光线，这样他就可以忽略掉空气中的入射光线，只研究在水中的折射光线和虚光线的角度关系，从而使问题简化（见图12）。然后他找出折射光线和虚光线的长度关系，并将此关系转化为角度的关系，从而得出了

OAOA′＝sinβsinα＝常数。［2］笔者认为，通过重现历史的方式向学生展现出入射角和折射角之间的定量关系，既符合学生的认知规律，又能够真正地把科学知识和人文情怀相互融合，促进教学内容的多元化，同时也让学生的精神体验更加饱满。

2.5" 分析数据" 深化学习过程

在得出折射定律的实验结论后，笔者认为探究并没有就此结束。我们还可以通过对学生的实验数据进行深度分析，并且与空气射向水的实验数据进行比较（见图13），来进一步理解折射率概念的物理意义。一方面可以让学生验证斯涅耳结论的正确性，另一方面则通过图像引导学生思考斜率的物理意义。不同介质中，图像的斜率不同。当光由空气分别射向玻璃和水时，入射角θ1相同，图像的斜率越大，折射角θ2越小，折射光线越向法线靠拢，代表光线在介质中的偏折越大（见图14）。这样学生就能比较容易地理解折射率的含义。

2.6" 感受物理学之美

教师可以引导学生观察教材中的表格（见表2），强调这是在λ＝589.3nm（黄光）、t＝20℃时测量得到的。不同颜色的光在同种介质中折射率可能是不同的，即偏折能力不同，故而复色光经过三棱镜会发生色散现象（见图15）。学生通过观察还会发现，紫光的折射率大于红光。

笔者在这个环节自创小实验，用胶水将200片边长为3cm×3cm且厚度为3mm的亚克力玻璃片（见图16）互成角度地粘在白板上。当用强光照射时，200片

玻璃片的折射现象（见图17）足以给学生带来视觉上的震撼。这种通过折射带来的艺术之美，能唤起学生对科学美的向往与追求。

2.7" 学以致用" 解决问题

很多教师在学生得出折射定律以后，往往会给出相应的计算题让学生求解，用以检验课堂的学习成果。笔者则尝试再次通过实验，模拟“坐井观天”的情景，让学生从物理学角度解释“青蛙”视野受限的原因。

用杯壁缠绕了遮光带的烧杯模拟井，用手机摄像头模拟井底青蛙的眼睛，比较空烧杯和装满水的烧杯中“青蛙”的视角变化（见图18、图19）。学生可以通过观察烧杯上方的logo图像的变化，真实感受光的折射所带来的视野变化。

在此实验的认知基础上，笔者进而再设计问题（见图20），比较加入水前后青蛙能够观察到“井”外范围的大小，从而引导学生寻求解决方法，使计算变得更加具有趣味性。

3" 总结与反思

笔者以核心素养为导向，设计了“光的折射”课堂教学中的多个小实验。这些实验紧扣教学目标，并且对于折射角和入射角大小的定量探究进行改进，使之更符合学生的认知逻辑。具体教学设计流程总结如图21所示。

在实验教学中，教师要关注学生的生活经验和感受，遵循实验认知规律，使学生认识到，物理是人类认识自然的方式之一，是不断发展的，是具有相对性、普适性和局限性的。在实验活动的探究中，教师还要善于启发和鼓励学生，致力于培养其科学求真、勇于创新和敢于质疑的科学态度及批判精神，以促使学生学科核心素养的提升。

参考文献