《光的折射定律》教學(xué)設(shè)計(jì)與創(chuàng)新研究

張巖

一、主要教學(xué)設(shè)計(jì)

1.設(shè)計(jì)思想：（1）通過(guò)空氣與水界面的折射實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生觀察能力，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出問(wèn)題的能力。（2）通過(guò)對(duì)光線、角度的研究，培養(yǎng)學(xué)生分析解決問(wèn)題的能力，創(chuàng)新方法的能力。

2、教學(xué)流程：“叉魚”實(shí)驗(yàn)——觀察光路——分析角度——?jiǎng)?chuàng)新方法——反思“叉魚”

3.教學(xué)重點(diǎn)：（1）知識(shí)與技能：折射定律；應(yīng)用折射定律解釋生活現(xiàn)象。（2）過(guò)程與方法：數(shù)據(jù)采集、處理、分析的過(guò)程；創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方法的能力。（3）情感、態(tài)度與價(jià)值觀：面對(duì)科學(xué)研究的踏實(shí)、穩(wěn)重、細(xì)致、求實(shí)、創(chuàng)新的態(tài)度。

二、特色教學(xué)過(guò)程

1.“叉魚”實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)儀器：燒杯（帶刻度、盛水）、橡皮泥、塑料管、油筆芯。在燒杯中盛適量的清水，用橡皮泥搓成個(gè)小球（作為“魚”），放在杯底邊緣；把塑料管斜靠在燒杯的邊緣，并置于橡皮泥的正對(duì)面，塑料管下端不要插入水中；通過(guò)塑料管上端尋找橡皮泥，能看到橡皮泥時(shí)，說(shuō)明橡皮泥的虛像在塑料管的軸線上；拿穩(wěn)塑料管，把油筆芯從塑料管上端放下去，觀察油筆芯尖插入水中后落在燒杯對(duì)面內(nèi)壁上的位置。

該實(shí)驗(yàn)方法的優(yōu)點(diǎn)：（1）可操作性強(qiáng)。（2）可觀察性強(qiáng)。（3）引導(dǎo)性強(qiáng)。通過(guò)該實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前的預(yù)想和實(shí)驗(yàn)后的結(jié)果會(huì)造成思想反差，思想反差是最能引起學(xué)習(xí)興趣的動(dòng)力，促使學(xué)生產(chǎn)生繼續(xù)學(xué)習(xí)的欲望。

2.觀察光路

實(shí)驗(yàn)儀器：坐標(biāo)紙、半圓形玻璃磚、激光筆（兩只）、鉛筆、刻度尺。把半圓形玻璃磚放在坐標(biāo)紙上，平直界面壓著坐標(biāo)紙的一條粗坐標(biāo)線，作為界面。在平直界面中央垂直于界面做一垂線（法線）。用激光筆發(fā)出的紅色光線，在空氣和玻璃的平直界面上進(jìn)行折射實(shí)驗(yàn)。引導(dǎo)學(xué)生觀察以下五點(diǎn)：（1）入射光線垂直界面入射，光路不偏折。（2）入射光線傾斜入射，激光筆向紙外離開紙面，觀察光線。（3）入射光線傾斜入射，光路偏折。（4）轉(zhuǎn)動(dòng)入射光線，折射光線隨之轉(zhuǎn)動(dòng)。（5）用兩個(gè)激光筆從平直界面和圓弧界面同時(shí)發(fā)射入射光線，交替開關(guān)電源。

該實(shí)驗(yàn)方法的優(yōu)點(diǎn)：（1）這些操作可以增強(qiáng)學(xué)生的直觀感性認(rèn)識(shí)，必定直觀感性認(rèn)識(shí)是理性理解的基礎(chǔ)。（2）這些過(guò)程可以在初、高中知識(shí)銜接上，有助于學(xué)生對(duì)新知識(shí)的學(xué)習(xí)和理解。（3）培養(yǎng)學(xué)生踏實(shí)、穩(wěn)重、細(xì)致、求實(shí)的科學(xué)作風(fēng)和科學(xué)素養(yǎng)。

3.分析角度

實(shí)驗(yàn)儀器：鉛筆、刻度尺、量角器、Office Excel軟件。指導(dǎo)學(xué)生采集數(shù)據(jù)，應(yīng)用Office Excel軟件的圖表功能，對(duì)折射角、入射角的關(guān)系進(jìn)行探究。

該過(guò)程的作用：從一面上說(shuō)，相當(dāng)一部分高中學(xué)生的數(shù)學(xué)思維能力是有限的，從采集的兩組入射角、折射角的角度數(shù)據(jù)，直接去猜想兩角的關(guān)系（包括兩角的三角函數(shù)關(guān)系），是有盲目性的。從另一面上說(shuō)，我們要培養(yǎng)的是有創(chuàng)新能力的學(xué)生，他們的眼睛應(yīng)該是往前看的。筆者對(duì)“分析角度”這個(gè)過(guò)程，采取了圈定范圍的猜想。給學(xué)生圈定了角度關(guān)系、正弦關(guān)系、余弦關(guān)系、正切關(guān)系，指導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用Office Excel軟件的圖表功能，通過(guò)觀察圖線形狀猜想兩角關(guān)系。并給學(xué)生講科學(xué)家的猜想，對(duì)于這個(gè)環(huán)節(jié)，筆者的主要設(shè)計(jì)目的是為后面創(chuàng)新方法環(huán)節(jié)做個(gè)鋪墊。

4.創(chuàng)新方法

實(shí)驗(yàn)儀器：保留光線的坐標(biāo)紙、圓規(guī)。啟發(fā)學(xué)生，用留在坐標(biāo)紙上的兩組入射、折射光線，通過(guò)一個(gè)圓規(guī)，探究折射定律。用圓規(guī)以入射點(diǎn)為圓心，畫一個(gè)半徑適中的圓，兩組光線與圓的交點(diǎn)到法線的距離，構(gòu)成兩組長(zhǎng)度數(shù)據(jù)，通過(guò)坐標(biāo)紙的刻度，即可讀出這兩組長(zhǎng)度數(shù)據(jù)。對(duì)這兩組長(zhǎng)度數(shù)據(jù)的意義和關(guān)系進(jìn)行分析。

該過(guò)程的優(yōu)點(diǎn)：（1）思維的出發(fā)點(diǎn)是規(guī)律的本質(zhì)。讓學(xué)生直接觀察兩組光線的空間規(guī)律，有助于培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、應(yīng)用數(shù)學(xué)知識(shí)解決物理問(wèn)題的能力和對(duì)規(guī)律本質(zhì)的理解。（2）方法簡(jiǎn)潔，直觀，體現(xiàn)數(shù)學(xué)應(yīng)用能力。（3）得到兩組長(zhǎng)度數(shù)據(jù)的正比關(guān)系，在學(xué)生心理上，比兩組角度正弦數(shù)據(jù)的正比關(guān)系可信度更高。

5.反思“叉魚”

實(shí)驗(yàn)儀器：燒杯（帶刻度、盛水）、橡皮泥、激光筆。提出問(wèn)題：如果用激光當(dāng)做魚叉去叉魚，應(yīng)該如何瞄準(zhǔn)？學(xué)生討論，試驗(yàn)操作。

該環(huán)節(jié)的作用：（1）教學(xué)過(guò)程的落腳點(diǎn)回到開始的出發(fā)點(diǎn)。讓學(xué)生對(duì)生活現(xiàn)象中反映的物理規(guī)律更深入的理解。（2）培養(yǎng)學(xué)生靈活應(yīng)用本節(jié)課所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。（3）緩解課堂疲勞。

三、教學(xué)效果與反思

1.成功：（1）“叉魚”實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的效果很好，與預(yù)想一致，學(xué)生興趣濃厚，很快產(chǎn)生學(xué)習(xí)欲望。（2）觀察光路環(huán)節(jié)的作用顯著，學(xué)生對(duì)折射現(xiàn)象的感性認(rèn)識(shí)堅(jiān)實(shí)，有助于后續(xù)理論學(xué)習(xí)。（3）創(chuàng)新方法環(huán)節(jié)的啟發(fā)性顯著，學(xué)生得到長(zhǎng)度正比關(guān)系后很喜悅，部分學(xué)生有豁然開朗的感覺(jué)。（4）反思“叉魚”環(huán)節(jié)具有檢測(cè)性，有助于檢測(cè)學(xué)生是否真正理解折射定律，教師及時(shí)發(fā)現(xiàn)反饋。

2.缺點(diǎn)與問(wèn)題：（1）分析角度環(huán)節(jié)，測(cè)量角度、輸入數(shù)據(jù)、擬合圖線的過(guò)程較為繁瑣、耗時(shí)，筆者仍在考慮這個(gè)環(huán)節(jié)如何既能體現(xiàn)猜想的過(guò)程，又能精簡(jiǎn)。（2）創(chuàng)新方法環(huán)節(jié)，由于用兩組“長(zhǎng)度”數(shù)據(jù)代替了兩組“角度正弦”數(shù)據(jù)，以及學(xué)生畫圓的不準(zhǔn)確性，造成擬合后的圖線斜率、截距的誤差變大。