淺談光學(xué)概念的教學(xué)

摘要：結(jié)合認(rèn)知結(jié)構(gòu)理論，本文討論了對(duì)基礎(chǔ)光學(xué)課程中光學(xué)概念教學(xué)的導(dǎo)入以及概念的鞏固方法，提出了光學(xué)概念教學(xué)方法的改革建議。

關(guān)鍵詞：光學(xué)概念；認(rèn)知結(jié)構(gòu)；光學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2013）04-0152-03

在基礎(chǔ)光學(xué)課程的教學(xué)中，光學(xué)概念是光學(xué)知識(shí)體系的基本要素之一，也是各章節(jié)知識(shí)結(jié)構(gòu)的基本骨架。基礎(chǔ)光學(xué)的基本內(nèi)容主要由概念、公式、定律以及原理組成，后三者就是反映有關(guān)光學(xué)概念與概念之間的相互聯(lián)系，有緊密的依存關(guān)系。正確構(gòu)建光學(xué)概念是光學(xué)教學(xué)的關(guān)鍵，會(huì)直接影響學(xué)生對(duì)光學(xué)基本理論的理解以及應(yīng)用，教師必須重視光學(xué)概念的教學(xué)。如果學(xué)生能抓住概念，一步一個(gè)腳印學(xué)下去，就有利于對(duì)公式、定律以及光學(xué)原理的理解，從而使所學(xué)的知識(shí)條理化、系統(tǒng)化。

一、導(dǎo)入光學(xué)概念，形成光學(xué)觀念

掌握正確的概念，可以幫助學(xué)生形成良好的光學(xué)觀念。1979年，李政道博士在北大講學(xué)時(shí)，強(qiáng)調(diào)：“最重要的東西往往是最簡(jiǎn)單的”，“學(xué)習(xí)中一定要把基本的概念搞清、記牢”[1]。在基礎(chǔ)光學(xué)課程的教學(xué)中，使學(xué)生深刻理解和準(zhǔn)確掌握基本概念，不僅是教好光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)的前提，也有利于提高學(xué)生對(duì)光學(xué)理論的理解，并進(jìn)一步提高學(xué)生的思維能力和學(xué)習(xí)興趣。由于概念是知識(shí)的基本組成單位，學(xué)生在學(xué)習(xí)科學(xué)概念時(shí)往往會(huì)受到已存在的科學(xué)前概念的影響。因此在光學(xué)知識(shí)體系的構(gòu)鍵過(guò)程中，光學(xué)概念的導(dǎo)入是其重要環(huán)節(jié)。教師要注意將對(duì)于光學(xué)概念的教學(xué)目的轉(zhuǎn)化為學(xué)生的學(xué)習(xí)目的，從而使學(xué)生明確學(xué)習(xí)該概念的目的，促使學(xué)生主動(dòng)參與到教學(xué)活動(dòng)中。

1.借助生活現(xiàn)象導(dǎo)入。光是一種重要的自然現(xiàn)象，與人類的社會(huì)生活密切聯(lián)系，所以通常學(xué)生具有一定觀察光學(xué)現(xiàn)象的生活經(jīng)驗(yàn)，因而教師可在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步創(chuàng)設(shè)相關(guān)的教學(xué)環(huán)境來(lái)導(dǎo)入新的光學(xué)概念。例如，在幾何光學(xué)部分導(dǎo)入光源的概念時(shí)，教師可通過(guò)展示學(xué)生生活中常見(jiàn)的點(diǎn)燃的蠟燭、發(fā)著光的霓虹燈等圖片，分析其共同特性，從而引出發(fā)光物體即為光源的概念。同樣，在討論物質(zhì)的折射率與光的頻率相關(guān)的特點(diǎn)時(shí)，憑借學(xué)生熟知的雨后彩虹這一生活現(xiàn)象，就很容易導(dǎo)入光的色散這一概念。經(jīng)由生活經(jīng)驗(yàn)導(dǎo)入光學(xué)概念時(shí)，源于生活、學(xué)生熟知且有趣的圖片、影像資料等都是很好的教學(xué)素材。

2.借助實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象導(dǎo)入。在光學(xué)教學(xué)中，某些概念所涉及到的光現(xiàn)象是在生活中不容易觀察到的，此時(shí)就需要借助實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象來(lái)幫助學(xué)生理解這些概念。例如，構(gòu)建干涉、衍射的概念時(shí)，可以利用視頻教學(xué)向同學(xué)們演示干涉、衍射的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，或者也可以運(yùn)用演示教具來(lái)模擬演示光的干涉、衍射圖樣。通過(guò)分析圖樣特征，使得學(xué)生在光學(xué)現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)觀察中獲得直接的感性認(rèn)識(shí)，從而產(chǎn)生學(xué)習(xí)興趣，主動(dòng)思考。由實(shí)驗(yàn)展示的光學(xué)現(xiàn)象直觀而且生動(dòng)，可使學(xué)生產(chǎn)生要求解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的探索需求，此時(shí)教師通過(guò)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象對(duì)相關(guān)概念逐步導(dǎo)入，使得學(xué)生的疑問(wèn)迎刃而解，自然會(huì)提高教學(xué)效果，而且學(xué)生也容易記牢所學(xué)的光學(xué)概念。值得注意的是：憑借光學(xué)實(shí)驗(yàn)來(lái)導(dǎo)入新的光學(xué)概念時(shí)，要突出相關(guān)概念的特點(diǎn)，即要引導(dǎo)學(xué)生把注意力集中到被研究的對(duì)象上，注意觀察其變化特點(diǎn)，從而有利于相關(guān)概念的引入。

3.借助概念的內(nèi)在聯(lián)系導(dǎo)入。有的光學(xué)概念并不是孤立的，且與學(xué)生已學(xué)過(guò)的某些理論知識(shí)有關(guān)。在這種情況下，教師適宜以新舊概念之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)為突破，從學(xué)生已有的知識(shí)基礎(chǔ)著手，自然地導(dǎo)入新的光學(xué)概念，這樣不僅可以復(fù)習(xí)舊知識(shí)，也有助于學(xué)生深入理解新舊概念之間的聯(lián)系。例如，在構(gòu)建共軸球面系統(tǒng)的概念時(shí)，教師可以引導(dǎo)學(xué)生回憶中學(xué)學(xué)過(guò)的薄透鏡知識(shí)；在建立光的偏振性的概念時(shí)，則可以由討論振動(dòng)的傳播引入橫波傳播的“不對(duì)稱性”，從而導(dǎo)入“偏振”的概念；在導(dǎo)入“光程”的概念時(shí)，可借用機(jī)械波傳播時(shí)對(duì)于相位差的討論公式[2]。結(jié)合學(xué)生已有的知識(shí)理論來(lái)導(dǎo)入光學(xué)概念，不僅可以使學(xué)生加深對(duì)新構(gòu)建的光學(xué)概念的理解，而且有利于提高學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的整體把握能力，還可進(jìn)一步對(duì)新概念不斷深化。除了以上方法外，導(dǎo)入新的光學(xué)概念的方法還有很多，諸如利用對(duì)比法、等效法或通過(guò)光學(xué)問(wèn)題等導(dǎo)入新的光學(xué)概念。總之，在導(dǎo)人新的光學(xué)概念時(shí)，教師要根據(jù)所講解概念的具體情況，恰到好處地利用合適的方法導(dǎo)入，這樣就能借此形成良好的光學(xué)觀念，產(chǎn)生理想的教學(xué)效果。

二、鞏固光學(xué)概念，構(gòu)建知識(shí)結(jié)構(gòu)

認(rèn)知結(jié)構(gòu)是一種主觀的、帶有能動(dòng)性的、具有開(kāi)放性的、立體的多層次的網(wǎng)狀知識(shí)結(jié)構(gòu)。在這種網(wǎng)狀知識(shí)結(jié)構(gòu)中，既有處于低層次的，如概念、定理、定律等一般知識(shí)，又有處于高層次的，如解題方法等方面的知識(shí)，還有處于更高層次的，如方法論的知識(shí)[3]。在教學(xué)中通過(guò)內(nèi)化在學(xué)習(xí)者頭腦中形成概念和知識(shí)觀念，即可形成學(xué)習(xí)者頭腦中的光學(xué)認(rèn)知結(jié)構(gòu)。因此，要成功完成光學(xué)概念的教學(xué)，就需要在光學(xué)知識(shí)體系中形成一個(gè)個(gè)穩(wěn)定而清晰的固定點(diǎn)，從而構(gòu)建扎實(shí)的光學(xué)知識(shí)結(jié)構(gòu)。在基礎(chǔ)光學(xué)的教學(xué)中，為進(jìn)一步鞏固光學(xué)概念，通常可以采取以下方法。

1.明確新概念與學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)中原有概念的內(nèi)在聯(lián)系，分析其異同。例如，在建立光的干涉的概念時(shí)，首先應(yīng)使學(xué)生明確認(rèn)識(shí)到光的波動(dòng)性質(zhì)，理解機(jī)械波與電磁波傳播時(shí)的相似關(guān)系，從而明確波的相干疊加的概念，即什么是相干波源、相干條件、相干疊加的現(xiàn)象等。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)進(jìn)一步比較水波的干涉現(xiàn)象與楊氏雙縫干涉現(xiàn)象的視頻演示實(shí)驗(yàn)，分析其區(qū)別與聯(lián)系，即可比較直觀地建立起光的干涉這一概念。

2.在運(yùn)用中鞏固概念。例如，學(xué)習(xí)了光的偏振性這一概念后，可以通過(guò)實(shí)際運(yùn)用，促使學(xué)生加深對(duì)“偏振”這一概念的理解。其一，取用偏光眼鏡，讓學(xué)生通過(guò)鏡片觀察手機(jī)的液晶屏，可以觀察到光強(qiáng)變化的現(xiàn)象，并且根據(jù)光強(qiáng)變化的對(duì)比度可以初步判斷眼鏡的偏光效果；其二，通過(guò)展示在攝影鏡頭前加上偏振鏡片時(shí)拍攝的天空或水面的圖片與未加偏振片時(shí)拍攝的圖片相對(duì)比，不僅可以使學(xué)生明確反射光的偏振性，而且還可以了解如何利用光的偏振特性；其三，介紹光的偏振性在立體電影的拍攝與觀看中的應(yīng)用，等等。需要注意的是，在結(jié)合實(shí)際應(yīng)用強(qiáng)化光學(xué)概念時(shí)，要及時(shí)糾正概念形成過(guò)程中由于個(gè)體理解差異而產(chǎn)生的認(rèn)識(shí)偏差。

3.定期進(jìn)行關(guān)于光學(xué)概念的診斷性測(cè)驗(yàn)，并以此為依據(jù)針對(duì)性地復(fù)習(xí)和強(qiáng)化，可避免學(xué)生在學(xué)習(xí)中遺忘。通過(guò)測(cè)驗(yàn)的手段在學(xué)生原有的光學(xué)認(rèn)識(shí)結(jié)構(gòu)的概念系統(tǒng)中鞏固新學(xué)習(xí)的概念，則有利于建立起某一光學(xué)知識(shí)領(lǐng)域中所有概念的立體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而促使學(xué)生將新學(xué)的光學(xué)概念進(jìn)一步與其所處的知識(shí)結(jié)構(gòu)中的其他概念聯(lián)系起來(lái)。一旦形成這種具有穩(wěn)定關(guān)聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，學(xué)生就不容易遺忘所學(xué)習(xí)的光學(xué)概念了。所以，為形成穩(wěn)定的光學(xué)知識(shí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，也可通過(guò)測(cè)驗(yàn)的方式用聯(lián)系功能強(qiáng)的光學(xué)概念來(lái)形成知識(shí)體系。

三、光學(xué)概念教學(xué)中應(yīng)該注意的幾點(diǎn)

光學(xué)教學(xué)的重要任務(wù)之一是幫助學(xué)生建立準(zhǔn)確而清晰的光學(xué)概念，然而如果概念不準(zhǔn)確，學(xué)生在進(jìn)一步的學(xué)習(xí)則不容易理解特定的語(yǔ)言所代表的光學(xué)概念的含義，也就失去了進(jìn)一步學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，因此，在光學(xué)概念教學(xué)中應(yīng)該注意以下幾方面。

1.揭示概念的本質(zhì)的教學(xué)語(yǔ)言要準(zhǔn)確，講解光學(xué)概念的內(nèi)涵和外延，突出其物理意義。如這一公式就把光波波長(zhǎng)這一波動(dòng)性質(zhì)與粒子動(dòng)量這一粒子性質(zhì)聯(lián)系起來(lái)了。若知光子的波長(zhǎng)，可以求出它的動(dòng)量，反之亦然。波動(dòng)和微粒，這兩個(gè)對(duì)立的事物在這里統(tǒng)一了，由此學(xué)生就很容易理解光的波粒二相性。

2.講清光學(xué)概念建立的來(lái)龍去脈，建立概念提出前的感知環(huán)節(jié)。例如，在討論光的量子性這一概念時(shí)，首先，使學(xué)生了解在人們探求光的本性歷史上所經(jīng)歷的實(shí)驗(yàn)事實(shí)，為學(xué)習(xí)新概念尋找一個(gè)個(gè)起固定作用的固定點(diǎn)；其次，通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)事實(shí)使學(xué)生了解建立“光的量子性”概念所經(jīng)歷的抽象思維過(guò)程；第三，充分利用多媒體教學(xué)手段，通過(guò)視頻、圖片、動(dòng)畫演示等鞏固學(xué)生頭腦中逐漸清晰的新概念。

3.在教學(xué)中不僅需要列舉正例，還需反例來(lái)強(qiáng)化學(xué)生對(duì)概念的理解。以例說(shuō)理是在教學(xué)時(shí)必不可少的一項(xiàng)教學(xué)手段，尤其在教授那些對(duì)學(xué)生而言比較抽象的概念時(shí)，需要運(yùn)用較多的事實(shí)例子。例如，討論光的相速度和群速度的概念時(shí)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)事實(shí)的正例概括出相速度和群速度的概念，接下來(lái)又可以通過(guò)被媒體誤報(bào)道的“超光速實(shí)驗(yàn)”這一反例來(lái)辨別相速度和群速度的區(qū)別，從而有助于加深學(xué)生對(duì)光速本質(zhì)的認(rèn)識(shí)。

4.在教學(xué)中及時(shí)注意調(diào)整對(duì)于學(xué)生掌握光學(xué)概念時(shí)不同階段的教學(xué)要求。一般說(shuō)來(lái)，對(duì)于新概念的學(xué)習(xí)可分為領(lǐng)會(huì)、運(yùn)用、完善、擴(kuò)展四個(gè)階段，而每一階段的教學(xué)目標(biāo)是有所區(qū)別的。在領(lǐng)會(huì)階段，學(xué)生需要初步掌握新學(xué)光學(xué)概念的定義或者是和該概念相關(guān)的解析表達(dá)式，在此基礎(chǔ)上才能對(duì)其物理意義有所理解；接下來(lái)，在運(yùn)用階段則是要求學(xué)生能夠直接應(yīng)用所學(xué)概念分析和解決簡(jiǎn)單的光學(xué)問(wèn)題，促進(jìn)對(duì)其內(nèi)涵的理解；在完善階段，為鞏固所學(xué)的新概念，則要求學(xué)生在掌握光學(xué)概念外延的基礎(chǔ)上，還要進(jìn)一步明確該概念與其他相關(guān)光學(xué)概念的區(qū)別和聯(lián)系；最后，在擴(kuò)展階段則需要突出學(xué)生對(duì)于光學(xué)概念的靈活、熟練運(yùn)用，這也是學(xué)生將光學(xué)概念的深化和活化的階段。

通過(guò)以上的教學(xué)探索和實(shí)踐，幫助學(xué)生形成了準(zhǔn)確的光學(xué)概念，在基礎(chǔ)光學(xué)的教學(xué)中取得了良好的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

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基金項(xiàng)目：石河子大學(xué)教育教學(xué)改革項(xiàng)目（JG-2010-007）資助的課題

作者簡(jiǎn)介：王銳（1981-），女，漢族，碩士，講師，主要研究方向?yàn)樯锕庾訉W(xué)。