“全反射”中折射出“3D物理教學”

李松

【摘要】 “發(fā)現(xiàn)（discover）、領(lǐng)悟（digest）、發(fā)展（develop）”3D教學模式首次由常州市北郊高級中學提出，并逐步建立出理論基礎(chǔ)、實施原則、實施辦法。本文將在“全反射”這樣的課例中進行詳細的闡述。

【關(guān)鍵詞】 3D物理教學 全反射

【中圖分類號】 G633.7 【文獻標識碼】 A 【文章編號】 1992-7711（2014）11-001-01

一、“3D物理教學”的理論基礎(chǔ)

3D物理教學源于20世紀60年代初期一些教育家提出的具有改革性的理論，例如美國心理學家布魯納提出的“發(fā)現(xiàn)教學”、美國心理學家苛勒的“領(lǐng)悟說”和前蘇聯(lián)教育學家贊科夫的“發(fā)展性教學理論”，其結(jié)構(gòu)可以視學生和教學內(nèi)容而靈活處理，如發(fā)現(xiàn)問題可以在先，領(lǐng)悟規(guī)律在后；技能發(fā)展先行，歸納思維發(fā)展隨后。學生各個方面能力的提高一般是按照發(fā)現(xiàn)、領(lǐng)悟、發(fā)展這樣的順序進行的。學生先要在教學活動中發(fā)現(xiàn)問題，并且每位學生發(fā)現(xiàn)的并不一定是同一個問題；其次，學生在發(fā)現(xiàn)問題后嘗試解決問題，這使得學生從中領(lǐng)悟了一些原理，最后，這樣的過程實現(xiàn)了學生某個方面的能力發(fā)展的結(jié)果。

二、“3D物理教學”案例——全反射

為了更好的闡述如何在課堂實施過程中實現(xiàn)可視化，現(xiàn)舉例一節(jié)公開課。教學對象為常州市北郊高級中學高二（6）班，人數(shù)51人。

1. 教材分析

“全反射”是人教版高中物理選修3-4第13章第2節(jié)內(nèi)容，是幾何光學在高中物理的重要知識點。本節(jié)內(nèi)容建立在反射和折射兩種簡單的幾何光學現(xiàn)象的學習基礎(chǔ)之上，讓學生親身體驗科學家如何發(fā)現(xiàn)問題、設(shè)計實驗、探究科學真理的科學方法和過程。本節(jié)課更適合應用3D教學模式進行設(shè)計。

2. 教學過程

（1）發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象——魔術(shù)：“消失”的硬幣。杯底置一枚硬幣，在燒杯側(cè)面觀察杯底，將燒杯內(nèi)部注水，觀察實驗現(xiàn)象。問題：思考空燒杯時能看到硬幣說明有什么光線從杯壁射出后入射到人眼？學生：入射到人眼的是從燒杯壁射出的折射光線。所以折射光線的有無是能否看到硬幣的關(guān)鍵。要想解釋上面的實驗現(xiàn)象就需要學習新的知識，很自然的引入新課的學習。

（2）領(lǐng)悟新知識——基本概念和規(guī)律的學習。對于全反射現(xiàn)象中的一些基本概念，采用自主閱讀和實驗探究相結(jié)合的方式使學生對光疏介質(zhì)和光密介質(zhì)，全反射現(xiàn)象以及臨界角的概念有深入的領(lǐng)悟。①光疏介質(zhì)和光密介質(zhì)的定義。學生閱讀教材，得到光疏介質(zhì)和光密介質(zhì)的定義。②實驗探究：當光由光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)時，會有什么不同的現(xiàn)象呢？

請觀察實驗現(xiàn)象完成下面的空格。

光線數(shù)目變化：光線從水入射到空氣中，隨著入射角逐漸變大，折射角也變大，當折射角增大到 90° 時， 折射光線 突然消失，只剩下 反射光線 。

③全反射的定義和臨界角問題：試用折射定律推導臨界角的大小。（學生自主推導，教師總結(jié)）④ 發(fā)生全反射的條件光從光密介質(zhì)進入光疏介質(zhì)并且入射角等于或大于臨界角。

（3）發(fā)展新能力——魔術(shù)揭秘、自然現(xiàn)象解釋以及全反射現(xiàn)象的應用。課堂教學的根本目的是使學生獲得知識、技能和思維能力等各個維度的發(fā)展。有鑒于此，教師在課堂上設(shè)計了魔術(shù)解密、自然現(xiàn)象的解釋以及全反射棱鏡和光導纖維的應用等幾個教學環(huán)節(jié)。①魔術(shù)解密——“消失”的硬幣。問題1：嘗試解釋燒杯中倒入水后硬幣“消失”的原因；學生思考回答：光線從燒杯側(cè)壁入射空氣時發(fā)生全反射，導致沒有折射光線出射。問題2：全反射發(fā)生在燒杯內(nèi)壁還是外壁 ？學生思考回答：因為水和玻璃折射率接近，所以內(nèi)壁不會發(fā)生全反射，故應該是從玻璃外壁入射空氣時發(fā)生全反射。②海市蜃樓的成因。視頻演示：海市蜃樓新聞。請同學們結(jié)合本節(jié)課所學解釋海市蜃樓的成因（提示：海面附近下層空氣溫度低，密度大，折射率大；上層空氣溫度高，密度小，折射率?。?。③全反射的應用：全反射棱鏡。問題：給出折射率為1.5等腰直角三角形棱鏡，完成光路圖，講解全反射棱鏡?；顒樱河萌瓷淅忡R設(shè)計一個潛望鏡。④全反射的應用：光導纖維。問題：解釋實驗現(xiàn)象——彎曲的玻璃棒導光?；顒樱洪喿x教材，歸納光纖通信的優(yōu)點。

（4）靈魂的激蕩——情感、態(tài)度與價值觀教育。光纖通信是信息社會重要的通信手段，因發(fā)明光纖通訊技術(shù)，華人物理學家高錕于2009獲得了諾貝爾物理學獎。他的獲獎演說中有一句話：“目前，沒有其它物質(zhì)可以代替光纖。我認為，如果有，起碼要一千年以后。但是，請不要相信我的話，因為我自己就從來都不相信什么專家的話?！痹谡n堂結(jié)尾引用這句警言，希望學生能在發(fā)現(xiàn)新問題、領(lǐng)悟新知識、發(fā)展新能力之外，能夠體會到科學家這種“大膽質(zhì)疑、小心求證”的科學精神的震撼，以期能讓學生在情感、態(tài)度、價值觀方面也獲得一定的發(fā)展。

3. 教學反思

本節(jié)課的教學設(shè)計體現(xiàn)了3D課堂的完整課型。課堂引入采用的一個光學魔術(shù)，讓學生發(fā)現(xiàn)一個之前沒有見過的現(xiàn)象，極大引起了學生興趣。對知識領(lǐng)悟過程和能力發(fā)展過程，做了一個有機整合。主線是全反射魔術(shù)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象--全反射知識領(lǐng)悟--魔術(shù)解密和全反射應用能力發(fā)展。

但是發(fā)現(xiàn)、領(lǐng)悟和發(fā)展并不是割裂的，學生的學習活動中，領(lǐng)悟中伴隨著發(fā)展，發(fā)展中又有新的發(fā)現(xiàn)，比如將課本的演示探究實驗改成了學生自主探究實驗，在學生協(xié)作能力、實驗操作能力、觀察能力發(fā)展的同時，領(lǐng)悟了一個新的光學知識。再比如全反射應用當中的全反射棱鏡，不是直接告知學生，而是讓學生完成一個光路圖，通過光路分析看出全反射棱鏡的功能和優(yōu)點甚至使用方法都得以體現(xiàn)，使得這個知識的領(lǐng)悟和發(fā)展結(jié)合在一起，更加深入地體現(xiàn)了3D教學的內(nèi)涵。