基于問題探究的“光的偏振”教學設計*①

祁瑞娟　張軼炳　王芳芳　李 貝

(寧夏大學物理電氣信息學院　寧夏 銀川　750021)

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基于問題探究的“光的偏振”教學設計*①

祁瑞娟張軼炳王芳芳李 貝

(寧夏大學物理電氣信息學院寧夏 銀川750021)

以“光的偏振”一課為例，以問題為主線，啟發學生思考，引導學生探究.在教學環節中教師依據教學目標、教學內容合理地設計問題，以引導學生探究的科學性，調動學生課堂積極性的同時達到真正的探究目的.

問題探究光的偏振

1　設計理念

新課程標準提倡學生通過主動探究來獲取知識，使學生知識的獲取不再單純地依賴于教師的講授，因此以教師為主導、學生為主體的探究性教學越來越受到重視.基于問題的探究式教學是一種教與學相互統一的過程，注重情境創設與開發、問題的提煉、科學方法的指導，教學過程中以問題為主線，在教師創設的特定物理情境中設計問題串起整個課堂.其有效性表現為兩個方面，一是學生知識的自主建構，能夠促進有意義的接受學習；二是教學過程的生成性，促使學生學習的過程和結果融為一體，從而提高教學效益[1].探究式教學特別強調問題在學習活動中的重要性.教師是問題的發起者，學生是問題的思考者和探究者.教師依據教學目標，圍繞課堂主體，合理把握物理問題的深度、廣度，層層遞進、循循善誘，引領課堂.

本文以“光的偏振”一節課為例，針對每一個教學目標設置對應的問題，課堂教學中依附演示實驗和探究實驗，讓學生經歷知識獲取的過程，在過程中學會用科學的方法解決問題，以期更好地完成課堂教學目標.

2　教學目標

根據學生的實際狀況，在教學過程中以“知識與技能”為主線，體現“過程與方法”，滲透“情感態度與價值觀”，本節教學目標制定如表1.

表1　三維目標

上述每一維目標用一字母代替，每一維目標對應的項用變量i表示，即K(i)表示知識與技能維度，P(i)表示過程與方法維度，E(i)表示情感態度與價值觀目標維度，i取正整數1至9.

3　教學過程設計

3.1基于問題的目標實現流程圖

教學過程分以下5個環節(見圖1)，貫穿整個教學過程的問題用Qi表示.

圖1　基于問題的目標實現

3.2教學過程

3.2.1導入新課

學生回顧看過的3D電影《阿凡達》，教師提出問題，“摘掉眼鏡后為什么屏幕圖像出現重影？”

意圖：本環節利用情景興趣，激發學生探究問題的動機，導入新課，實驗目標項E(1).

3.2.2復習舊知

教師引導：振動是許多質點聯合起來表現出的周而復始的運動，振動在介質中的傳播即稱為波，分為橫波和縱波兩種.

Q1：橫波、縱波在傳播方向與振動方向的關系上有什么不同，并用圖示表示出來？

學生活動：學生說出橫波上各點的振動方向與波的傳播方向垂直，縱波上各點的振動方向與波的傳播方向平行，并畫出圖2,圖3，實現目標項K(1)、P(1).

圖2 橫波圖示 　　　　　　　　　 圖3縱波圖示

3.2.3演示實驗

教師活動：通過多媒體展示縱、橫波演示實驗(軟繩、彈簧、帶狹縫的木板)，圖4[2].

圖4　縱橫波通過帶有狹縫的木板的實驗圖

Q2：橫波、縱波的振動方向與狹縫放置方向存在怎樣的角度關系時，波能通過木板傳播到木板之后？

學生通過觀察狹縫的方向與縱、橫波振動方向，回答教師問題，不論狹縫怎樣放置，縱波都能通過.只有狹縫的方向與橫波振動方向相同的時候，橫波才能通過.

教師歸納:(1)像橫波這種振動方向對于傳播方向不對稱性的現象叫做偏振現象；(2)橫波具有偏振現象，而縱波沒有偏振特性.

意圖：偏振現象的內容比較抽象，由于學生前置知識的干擾，難以從舊知識中抽象出光的偏振概念，通過多媒體展示縱波和橫波通過狹縫的演示實驗，幫助學生理解偏振概念，實現目標項K(2)、K(3).

3.2.4探究實驗

(1)提出問題

教師引導：光也是一種波，它是橫波還是縱波呢？我們肉眼觀察不到光波的振動，無法根據橫波、縱波在傳播方向與振動方向的關系判斷出光波是橫波還是縱波，我們能否從橫波、縱波通過狹縫的實驗得到一些啟發，來探究光波到底是什么波？

(2)進行假設

Q3：根據縱、橫波的區別，假定光波是橫波會有怎樣的現象？

學生很容易想到，如果光波是橫波會產生偏振現象，若是縱波則不會，猜想可設計類似機械波中的偏振實驗來探究光波是橫波還是縱波.

(3)設計實驗

教師活動：取出偏振片給學生觀察，如圖5.

教師講解：偏振片是一種特殊的光學實驗器材，具有一個特定的方向，叫做透振方向，圖5中指針的指向即偏振片透振方向.偏振片鑲在中間開有圓孔的環形支架上，可繞其軸心轉動，支架上標有刻度，旋轉時方便讀出角度.只有振動方向與透振方向平行的光波才能通過偏振片，偏振片雖看不到狹縫，但它對光波的作用就相當于狹縫對于機械波的作用.

圖5　偏振片

學生在教師的引導下組裝實驗儀器，用一個偏振片進行實驗，如圖6.

圖6　一個偏振片實驗圖

Q4：不放偏振片和放置一個偏振片你觀察到光屏上的現象有什么變化？

學生依據觀察現象進行回答，放置偏振片后屏上光強變暗.

教師引出自然光：普通光源發出的光，包含著在垂直于傳播方向z的平面上一切方向振動的光，并且沿各個方向振動的光強度相同，這樣的光稱為自然光，見圖7(a).在垂直傳播方向的平面內，可將光投影到兩個互相垂直的方向上，用圖示表示如圖7(b)所示.

圖7　自然光及其圖示

Q5：入射光是自然光，根據偏振片的特性和圖7(b)請你推理，放置偏振片后透射光的強度與入射光的強度有什么關系？

學生分小組進行討論推理，因為自然光可以分為任意相互垂直的兩列光，通過偏振片后只有與偏振片透振方向平行的光通過，與透振方向垂直的光被吸收，因此透射光光強減半.

教師歸納：自然光經過偏振片后只剩下與偏振片透振方向平行的光，這種光具有偏振特性，稱為偏振光，如圖8所示.

Q6：根據圖7(b)和圖8可推斷光波是橫波時透射光強才會出現變弱的現象，怎樣進一步驗證透射光波就是橫波？

圖8　自然光通過一個偏振片的原理圖

學生根據教師的提問，小組進行討論，猜想再加一個偏振片，嘗試利用光的偏振實驗裝置自己動手操作，并記錄實驗現象.

Q7：如果光波是橫波，你能觀察到什么樣的現象？

學生回答：如果透過第一個偏振片P的光波是橫波，旋轉第二個偏振片Q，使兩偏振片的透振方向垂直，透過偏振片Q后的光強幾乎為零.

Q8：用兩個偏振片進行實驗時，兩偏振片的透振方向成什么角度時屏上的光強最亮，什么角度時光強最弱？

學生根據觀察到的現象進行回答，兩個偏振片透振方向平行時透射光最強，兩偏振片透振方向垂直時透射光最弱，幾乎為零，說明了光波就是橫波.

Q9：如果透過偏振片P的光波中含有縱波，再經過與其透振方向相垂直的偏振片Q，會出現光強為零的現象嗎？

學生回答：如果有縱波，不論偏振片透振方向怎樣放置，縱波都能透過，所以不可能含縱波[3].

(4)分析結果

教師總結：如圖9，自然光通過第一個偏振片P后，只有振動方向和P的透振方向平行的光波才能通過，偏振片P的作用就是由入射的自然光獲得偏振光，我們把它叫做起偏器；再通過第二片偏振片Q去觀察，只有兩個偏振片透振方向平行時，透射光最強，兩偏振片透振方向垂直時，透射光最弱，即出現消光的現象，偏振片Q可鑒別是否是偏振光，所以又叫檢偏器.

圖9　光的偏振原理圖

(5)得出結論

上述實驗表明，光波是一種橫波.

意圖：此環節是本節課的重點和難點，學生應用偏振片類比機械波中帶有狹縫的木板，親身經歷探究過程，體現學生的主體地位；自然光的知識較抽象，教師借助自然光的圖示，運用科學的物理語言進行講解，體現教師的導學作用.高中階段的學生對物理基本思想--類比思想和科學探究過程有一定的認識，學生具備了基本的觀察、分析、歸納能力，學生在保持原有好奇心的同時，個體思維更加抽象化，能根據假設和教師的引導進行各種邏輯推理，將自然光和偏振現象的知識進行遷移運用，促使其新知識網絡的建構，實現目標項K(4～7)、P(2～3).

3.2.5拓展應用

教師回顧課堂引入的問題，講解立體電影的原理，與學生一起探究下面3個問題.

Q10：為什么在攝像頭前加入偏振片拍出的照片會更加清晰？見圖10.

圖10　左圖不加偏振片，右圖加偏振片

Q11：鏡片是偏振片的太陽鏡和普通的有色玻璃片相比有什么優點？

Q12：為什么要在液晶顯示器上加入偏振片呢？

意圖：知識應用不是生硬的講解，通過和學生一起探討生活實例，寓教于樂.學生運用光的偏振的知識去解釋生活現象，達到了學以致用的目的，同時也體現了“從生活走向物理，從物理走向社會”的理念，實現目標項K(8)、E(2).

4　教學反思

本節課設計過程中教師以問題驅動學習，逐步引導，讓學生在其指引下主動解決問題、形成方案、自主探究.要使學生更好地達到在知識與技能、過程與方法、情感態度與價值觀三方面獲益的目標，促進學生主動構建知識體系，還要求教師具有豐富的專業技能知識和教育實踐知識，運用問題策略，將自己所講的知識與學生已有的知識建立聯系，創設物理情境，讓學生在觀察和體驗后有所發現，促進學生思維能力的培養.因此，在教學中教師還應注重教會學生知識遷移的方法，讓學生在積極探索的學習情境中學會對課堂上所得的知識進行融會貫通，達到良好的教學目標.

1王較過，何傳杰,等．探究式教學的有效性及其評價．教育理論與實踐，2010(3)：47～48

2人民教育出版社,課程教材研究所,物理課程教材研究中心.普通高中課程標準實驗教科書物理·選修3-4(第2版).北京：人民教育出版社，2010.63～66

3孟擁軍．新課程“光的偏振”問題探究式教學設計案例．物理通報，2008(1)：35～38

TheInstructionalDesignonPolarizationofLightBasedonExploringQuestions

QiRuijuanZhangYibingWangFangfangLiBei

(SchoolofPhysicsandElectricalInformation,NingxiaUniversity,Yinchuan,Ningxia750021)

Inthispaper,takethepolarizationoflightasanexample,issuesasthemainline,inspirestudentstothink,guidethemtoexplore.Inteachinglinks，teachersbasedonteachinggoal,contentofreasonabledesign,toguidethescientificityofstudentstoexplore,mobilizetheenthusiasmofthestudentsatthesametimeachievetrueinquirypurposes.

question;explore;thepolarizationoflight

祁瑞娟(1991-)，女，本科，在讀碩士研究生，主要研究方向為物理課程與教學論.指導教師：張軼炳(1965-)，女，碩士，教授，主要研究方向為物理教育.

2015-12-14)

① 寧夏自治區教育廳大學生創新項目，項目編號:20150196；寧夏大學研究生創新項目，項目編號：GIP2015005