從生活走向物理，從建模到科學探究

王金瑞 劉家盛

《光的折射規律》這節課是獲得全國第十二屆青年教師大獎賽一等獎的一節課，本節課設計是從關注生活、從生活走向物理、光的折射是以光的直線傳播和光的反射為基礎展開的，在研究方法上存在一定的相通性，本課通過欣賞圖片——倒影，讓學生從反射現象中發現新問題； 通過觀察實驗，發現光發生偏折并讓學生自主歸納出光的折射，提高學生的觀察、歸納能力；通過讓學生分工合作、自主探究光的折射，實驗完成后交流數據；然后學生發表觀點，形成相對完備的關于兩角、三線之間以及可逆等關系的結論，提高學生的科學探究能力；通過游戲鞏固規律，并發現新問題，通過建立模型方法找到解決三線是否共面的方法，在得到較為完整的折射規律的同時提高學生的建模思想；通過瞄準活動，了解折射規律在生活中的應用；最后了解自然界中豐富多彩的折射現象，領略自然的美妙。

教學片段一

（導入新課）

師：同學們，屏幕上有一正一倒放置的兩張照片，你能找出正放的那張嗎？有請！

生：第一張。

師：正確，你的依據是？

生：水面的倒影會暗一些。

師：完全正確，請坐！更暗，說明進入眼睛的光較弱，而倒影是光的反射形成的，莫非有一部分光沒有反射回來？我們用實驗來檢驗一下，如圖1所示，為了顯示光路，老師制作了一個煙霧噴射器，請仔細比較兩條光線的亮度。你觀察到較弱光線是？

生：（觀察后）反射光線。

師：這說明我們的推斷是正確的，還有一部分光到哪里去了呢？

生：進入了水中。

師：有道理。光從空氣進入水中，會沿著空氣中的方向繼續傳播嗎？仔細觀察（揭開擋板），你的觀察結果是？

生：不會。

（方向發生了改變。）。

師：光從空氣進入水中，傳播方向發生了改變，光進入其他介質時，傳播方向是否也會發生改變呢？物理學中，光從一種介質進入另一種介質時傳播方向發生改變的現象，叫做光的折射。

教學賞析：引入新課，從生活中的美圖開始。創設情境，從圖中找出本節課的關鍵詞。光的反射與折射，通過觀察水面，發現光線的強弱，從而提出光線在水中是如何傳播的，這樣做的目的是讓學生通過觀察自主發現新問題，激發學習興趣。

教學片段二：建立光路圖

師：類似光的反射，我們可以根據折射現象，畫出光路圖。（板書：畫圖）畫一條水平線代表介質分界面，上方是空氣，下方為水。空氣中射向水面的光線AO叫作？

生：入射光線。

師：過入射點作介質分界面的垂線NN′稱作？

生：法線。

師：進入水中的光線OC可以怎么稱呼呢？

生：折射光線。

師：顯然，折射光線發生了偏折，如果折射光線往法線方向偏折，叫做偏向法線；反之稱作偏離法線。另外，入射光線與法線的夾角叫做入射角α，折射光線與法線的夾角就稱作折射角γ。

教學賞析：運用教學遷移的方法，將探究光的反射方法遷移至探究光的折射規律，教學過程中采用了一個自制的實驗器材，如圖1所示。教學中，將紙板揭開演示光從空氣進入水中的傳播情況，可以觀察到光線射入水后方向發生了改變，通過分析投影中光從空氣斜射入水中的偏折現象到觀察普遍存在的偏折現象，建立起折射的概念。這一教學過程的實施滲透了嚴謹的科學探究思想。教學過程中介紹折射光線和折射角，為學生自主探究光的折射提供基礎。

教學片段三：制訂計劃

師：光折射時線與線之間，角與角之間究竟有怎樣的規律呢？這就需要我們通過實驗去探究！考慮到規律的普遍性，我們必須不斷改變實驗條件反復實驗，這需要很長的時間，如何在短時間獲得大量的實驗數據呢？

生：分工合作！

師：很好，今天我們就分工合作，一起探究光在空氣和玻璃間的折射規律。你認為影響折射角的主要因素是什么？

生：入射角。

師：入射角是入射光線與法線的夾角，如果繞入射光線入射點順時針旋轉，則入射角如何變化？

師：今天同學分為四組，分別去觀察對應區域內不同入射角下的折射現象并加以記錄，完成實驗后，組長匯報本組實驗數據，再一起分析數據得出實驗規律。實驗器材有實驗記錄單，玻璃磚，激光筆，帶底座的小圓筒，記號筆，以及刻度尺。為了更好地完成實驗，請同學們先觀看一段視頻。

生：觀看視頻。

教學賞析：通過觀看視頻，制定科學探究的方案，這是因為探究的根基在于制訂計劃，探究之前要求學生做到：

1.確定研究主題及任務分工。考慮到規律的普遍性需要大量實驗數據，從而提出大家分工合作，共同完成實驗，再共享數據，一起分析交流。

（1）確定研究對象：研究光在空氣和玻璃間的折射；（2）尋找實驗變量：影響光在空氣和玻璃間的折射的因素；（3）明確任務分工：四大組分別去觀察對應區域內，在不同入射角下的折射現象并加以記錄；（4）明確交流方案：完成實驗后，組長收集組內數據和大家分享，再綜合分析后總結出較為普遍的實驗規律。

2.介紹實驗器材及其使用

實驗器材：第一組：玻璃磚，激光筆1支，實驗表格1張，刻度尺1把，記號筆1支。

學生實驗，教師適當提供幫助，引導學生進行交流。

利用視頻介紹具體的操作方法。

3.學生實驗：指導學生實驗

在以上的鋪墊之后，加上學生已經經歷過探究光的反射定律及平面鏡成像的過程，對光的反射規律有較為全面的理解，從而遷移到探究光的折射規律上來，這樣做既可以提高學生的自主探究能力，也可以增強科學探究意識。

教學片斷四：分析論證

師：感謝大家的分享，各組觀察到的現象各不相同，接下來進入探究的關鍵環節：分析與論證。各組實驗條件各有兩個，面對多變量問題，我們采取什么方法進行研究？

生：控制變量。

師：得到的結論是？

生：折射光線的位置和入射光線的位置相反。

師：能否遷移光的反射定律中關于三線位置關系的描述呢？

生：折射光線和入射光線分居法線兩側。

師：第一條規律：折射光線和入射光線分居法線兩側。如果入射光線在法線上方，折射光線在哪里？

生：法線的下方。

師：繼續分析，可以發現折射光線的偏折情況及兩角的大小關系總是同步變化的，因而可以合并研究。分析你可以得出什么結論。

生：光從空氣進入玻璃時，折射光線偏向法線，折射角小于入射角。

生：光從玻璃進入空氣時，折射光線偏離法線，折射角大于入射角。

師：老師假設入射角減小到零度，即沿著法線垂直射向玻璃或者空氣，折射光線還會偏折嗎？

生：不發生偏折。

師：非常棒的推理，但是再完美的推理也必須經得起實驗的檢驗。現在請以最快的速度，用激光筆沿著法線入射，看是否觀察到一條直線。比比看哪組最快，開始實驗！

師：光垂直射入玻璃（或空氣）中傳播方向不變。這不就和第二條規律產生矛盾了嗎？你能對第二條規律加以修正嗎？

生：第二條不能包括垂直入射的情況，可以把進入改為斜射入。

師：非常好，這個經驗告訴我們，在科學探究時，對實驗過程及結論的評估是極為重要的。

師：在光的反射現象中我們也觀察到了這樣的現象，稱之為光路的可逆性。大量實驗表明，折射現象中，光路是可逆的。

教學賞析：分析數據，形成結論，這是每一個科學探究所要得到的結果。如何引導學生進行數據分析就很關鍵，本節課老師采取了以下手段：

1.小組發表意見，引導學生進行交流對比，找出產生不同意見的原因。

2.引導學生類比光的反射定律總結規律：（1）折射光線和入射光線分居法線兩側。（2）光從空氣進入玻璃時，折射光線偏向法線，折射角小于入射角。光從玻璃進入空氣時，折射光線偏離法線，折射角大于入射角。

3.繼續引導學生對組內的現象進行現象分析，發表觀點，得到：

（1）入射角增大，折射角也增大。（2）推理，得到結論并驗證：光從空氣垂直入射到玻璃中，傳播方向不變。

4.引導學生評估結論，對第二條規律進行了修改，由特殊現象猜想普遍現象：光路是可逆的。并告知其普遍性。

5.評估實驗方案中的不足之處，指出光從空氣進入水中及其他介質中也遵循相同的折射規律。如果同學們對其他情況感興趣，可以找到老師，課后繼續研究。

教學片斷五：三線共面

師：三線共面，我們剛才的實驗得到了這條規律嗎？

生：沒有。

師：也就是說，這是你的猜想對嗎？很好，科學需要大膽的猜想！謝謝你出色的表現，請先回座位。下面我們就來探究這個大膽的猜想。

師：為了便于理解，老師制作了一個折射模型。這是入射光線，這是折射光線，這是法線，上方為空氣，下方為水。按照同學們的猜想，先將它們放在同一平面內，取下上半部分法線，從法線的正上方看下去，可以發現：此時法線為一個點，折射光線與入射光線和該點連接成一條線，這條線有什么特點呢？

生：……

師：現在你認為判斷三線是否共面可以從哪個方向觀察？觀察什么？

生：從正上方觀察折射光線與入射光線是否連成一條直線。

師：很好，可是從正上方觀察并不方便，我們在水槽上方放置一個與水平面成45度角的平面鏡！根據光的反射定律，豎直向上的光就會沿水平方向射出。為了更好觀察，老師在正前方安裝一個攝像頭，你也可以通過屏幕觀察現象。

生：折射光線與入射光線、法線在同一平面內。

教學賞析：折射規律中的三線共面是一個難點，雖然課程標準中沒有詳細的要求，但教學實際中一定會遇到這類問題。老師通過游戲體驗，幫助學生建立模型，讓學生形成研究物理無問題時要首先建立物理模型，模型建立了，但三線共面的問題沒有解決，老師又通過實驗與光的反射進行對比實驗，尋找證明三線共面的辦法。這樣做可以寓教于樂，消除學習疲勞；通過建立模型，應用數學方法解決物理問題，感受學科交叉與滲透的意義。

教學環節與過程的設計，你是為教師，還是為學生，這是一個前提。教學過程的實施，是體現一個教師基本素養的過程，要根據學生的認知特點優化教學。優化教學的途徑有很多，如學習興趣、實踐意識、分析習慣、科學態度、方法能力，每節課要因地適宜的選取優化的途徑。

（作者單位：江西省教育廳教研室；江西省南昌市三中）

□責任編輯：程 璐

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