高中物理自制教具的“智造”
——以“全反射”課程中教具制作為例

張威明

(新昌中學,浙江 紹興 312500)

物理實驗是物理的靈魂,體現著物理科學的特點．在高中物理教學中,實驗更是起著培養學生物理學科素養的關鍵所在．開展與課程相適宜的實驗,不僅能提升學生的理解能力、推理能力、綜合分析能力和動手實驗能力等,更能培養學生的物理學習興趣和科學品質,使學生具備科學精神．實驗教具作為實驗的載體,有著不可或缺的地位,然而現實中物理實驗器材缺少、更新速度慢以及實驗器材與知識不相適應等因素,導致課堂實驗達不到預期效果．教師通過對所教知識特性的理解和對課堂的設想,自制實驗器材以達到預想效果,使實驗與課堂更相融合,對學生更具啟發性．同時,實物展臺、傳感器、無線同屏技術等現代多媒體技術的成熟為物理課堂實驗的可觀測性提供了技術支持．本文以“全反射”課程中教具制作為例,探索教具制作的過程，以此拋磚引玉,希望從具體案例的剖析中展現教具制作的范式,為一線物理教師提供思路和方法,使自制教具更好地為教學服務．

1 探索教具制作的過程

1.1 教材學情的鉆研與分析

教具的目的是服務于教學,因此需要對教材和學情進行深入了解,明確教具的使用目的和設計意圖．

“全反射”選自人教版高中物理選修3-4第13章“光”的第2節．全反射作為一種特殊的折射現象,安排在光的反射和折射之后,是反射和折射的交匯點．全反射現象的研究是對反射和折射知識的鞏固與深化．全反射現象與人們的日常生活以及現代科學技術的發展緊密相關,突出了物理學的技術應用的特色并強調了科學技術與生活的聯系．因此學習這部分知識有著重要的現實意義．而此時的高二學生在認知特點上表現為思維活躍、求知欲強,有較好的形象思維和逆向思維．在通過了光的反射和折射學習之后,他們對幾何光學的性質有一定的了解,同時也具備一定的計算能力．但是學生對于抽象的、理論定性的問題,尤其是枯燥的公式推導,不是很感興趣;而對于演示、影像、聲音、動畫等感性的事物更能提高注意力．因此,通過一個富有趣味的且與本課知識緊密相關的演示實驗便能最大程度地激起學生的求知欲,培養學生的物理學科素養,為下面課堂的教學做好鋪墊．

1.2 知識原理的剖析與運用

為了使演示實驗能夠緊密與本課知識相結合,應再次從課本出發,剖析理論原理．根據知識特性并查閱相關的資料,然后在生活中尋找靈感．

在設計全反射教具的過程中,筆者再次研讀知識點．日常生活中具有標志性的全反射現象就是“海市蜃樓”,但在課堂中展示較為困難,且不能讓學生直觀感受到全反射的原理,因此需要另尋出路．當光從光密介質射入光疏介質時,同時發生折射和反射．如果入射角逐漸增大,折射光離法線會越來越遠,而且越來越弱,反射光卻越來越強．當入射角增大到某一角度,使折射角達到90°時,折射光完全消失,只剩下反射光,這種現象叫做全反射(total reflection),這時的入射角叫做臨界角(critical angle)．當光從光密介質射入光疏介質時,如果入射角等于或大于臨界角,就會發生全反射現象．[1]如圖1所示．也就是說要想發生全反射現象,就必須滿足兩個條件:一是光必須從光密介質射入光疏介質,二是入射角必須大于或者等于臨界角．接下來便帶著這兩個條件在生活中尋找靈感,首先當光從水射向空氣時便滿足了第一個條件,調整入射光的角度便能滿足第二個條件．剩下的就是需要找到裝水的容器以及使演示實驗具有趣味性．容器采用玻璃比較恰當(透光率高,易于加工,成本低),但是如何讓演示實驗具有趣味性,筆者陷入了沉思．

圖1 觀察全反射現象

圖2 全反射演示儀

筆者通過中國知網、萬方、維普等數據庫查詢前人的經驗．查看多篇資料,如楊燕婷的《自制光的全反射演示儀》[2]、徐忠岳的《幾何光學實驗教學的創新設計》[3]、周亞洲的《全反射現象的演示》[4]等．在此過程中筆者了解到可以通過不同顏色的光線、圖片來使課堂的實驗更鮮明,更易于學生觀察,但同時由于全反射發生需要滿足角度的條件,所以有些教具要看見實驗現象是有一定的位置要求的,觀看的時候要注意找到適合的角度,但是在課堂上做演示實驗的時候有些學生就會觀察不到實驗現象．如楊燕婷的全反射演示儀只能在儀器上方進行觀察,并且因普通激光筆不能較好地達到實驗預期效果,需另購置兩只不同顏色的大功率激光手電,無論是課堂展示效果還是材料籌備都存在問題，其實驗裝置如圖2所示．

1.3 創新教具的設計與“智”作

在理清思路后,對實驗有了初步設想,此時應對實驗設計的原理進行反復考量,并通過圖紙初步構建實驗設計模型,反復修改,使模型的各個數據準確無誤,提高實驗精度．

在本案例中,筆者不斷探索,根據水的折射率為1.33,透明玻璃的折射率為1.5,空氣的折射率為1,為了讓光從光密介質射向光疏介質時,入射角能大于臨界角,因此在設想實驗的立方體水槽對角線上做一個斜槽,使其排空水時能形成空氣層．現假設在斜槽兩側以及斜槽本身加滿水,當光線從水中射向斜槽玻璃時,由于是光疏到光密,并不發生全反射，且玻璃較薄,光線只發生微小側移,可忽略不計．接著光線從斜槽玻璃射向斜槽中的水,雖然是光密到光疏,但臨界角C約為60.1°,而入射角為45°,未達到全反射條件,光線亦只發生微小側移．接下來的情況與之前的相似,所以光線幾乎沿直線傳播到觀察者的眼中,此時紅蘋果的像在圖紙附近,如圖3所示．接下來把斜槽中的水抽出,那么斜槽就變成了一個空氣層．當光線從水中射向斜槽玻璃時,情況與之前相同,光線只發生微小側移．接著光線從斜槽玻璃射向斜槽中的空氣層,臨界角C約為41.8°,而入射角為45°,發生全反射．光線便被反射到平面鏡,再經平面鏡反射到人的眼中,此時紅蘋果的像出現在平面鏡后面,至此便完成了傳送蘋果這個演示實驗,如圖4所示．

圖3 實驗原理示意圖A

在確定實驗設計之后,開始用maya繪制教具的三維設計圖,進一步確定教具制作的可行性以及所需玻璃的用量．設計圖紙如圖5所示．

圖5 三維設計圖

在此基礎上,筆者開始準備所需材料,本案例需要25 cm×30 cm×0.5 cm玻璃4塊、25.5 cm×25.5 cm×0.5 cm玻璃1塊、33 cm×30 cm玻璃2塊、玻璃膠1支、玻璃膠槍1支、平面鏡1塊以及1張印有彩色蘋果的圖紙．

由于自制教具的經費受限以及環保理念的影響,自制教具的材料可以通過撿、借、拆、買等方式獲?。谌粘Ｉ钪邪l現一些具有利用價值的遺棄物,如易拉罐、電器等,可以有計劃地收集,這需要教具制作者對材料有一定的敏感性;一些工具,如玻璃槍等不常備的工具,可以通過向校園后勤師傅借用;對一些已經用壞的儀器或日用品拆解后保留可能會用到的部分,如日光燈、變壓器等將其內部的線圈、電阻電容等零部件拆下來備用;當以上情況不能滿足教具制作時,我們也可以通過買的方式解決．

1.4 實驗教學的反思與改進

加滿水效果

在完成自制教具后,通過預實驗驗證設計原理的準確性，在預實驗中發現問題并解決問題．實驗過程中,先在立方體水槽中的相互獨立的三個區域內加滿水,此時會看到蘋果影像呈現在水槽上的畫面;接著把一根細管插到中間的斜槽中,利用虹吸原理,使中間斜槽的水位逐漸降低．隨著中間斜槽水位的降低,便能看到蘋果影像從水槽逐漸轉移至平面鏡的過程;當中間斜槽里的水被徹底抽干,此時紅蘋果的像全部呈現在平面鏡上,至此便完成了傳送蘋果這個演示實驗．實驗效果如圖6所示．

中間斜槽排水時效果

筆者通過預實驗成功驗證了實驗設計的合理性,達到了實驗的預期效果．但同時,筆者也發現,由于全反射發生需要滿足角度的條件,所以看見蘋果傳輸是有一定的位置要求的,觀看的時候要注意找到合適的角度．一旦找到合適的位置,便能達到不錯的演示效果．這就意味著上課時有部分學生無法觀察到這個神奇的實驗效果．為了解決這個問題,筆者應用現代多媒體技術中的無線同屏技術，投影大屏幕實時呈現演示實驗.這樣無論學生坐在哪里,都能通過大屏幕實時清晰地觀察整個演示實驗．現場教學效果如圖7所示．

圖7 課堂實驗效果圖

2 總結與建議

近年來,部分一線物理教師積極開發適合高中物理課堂的實驗與教具,為課堂教學水平的提升做出了巨大貢獻,但還存在致力于自制教具開發的教師人數較少、資源較分散以及經驗指導較缺乏等不足之處．

(1) 在設計自制教具時,教師應回歸理論,對知識進行深度剖析,明確實驗所需條件,從知識特性和所需條件入手,為實驗設計提供切入點．

(2) 教師應多關注生活．從生活中發現解決問題的途徑、可以利用的材料等,從生活中得到啟發．

(3) 教師充分利用計算機軟件的功能,幫助我們提高實驗精度或處理實驗數據．如可以用excel來簡易地處理數據,也可以用matlab高精度地擬合實驗數據,還可以借助maya、autocad等來設計教具的3D模型,使教具的加工精度得到提升．

(4) 在教具的展示過程中,教師可以多學習多媒體技術．根據不同的現實需求,利用如實物展臺、傳感器、無線同屏技術等現代信息技術．

(5) 教具制作可以充分發揮教研組、備課組的力量,努力形成物理自制教具教師的隊伍．當然,通過校本課程等途徑給學生發揮想象、動手制作平臺也是非常好的收獲教具資源的過程．隨著時間的積累,學校便能擁有豐富的教具資源．

1 張大昌. 人教版高中物理選修3-4[M]. 北京:人民教育出版社,2016： 48-53.

2 楊燕婷, 邵溫怡. 自制光的全反射演示儀[J]. 物理實驗, 2014(9):20-21.

3 徐忠岳, 曾裕, 蔣富華. 幾何光學實驗教學的創新設計[J]. 物理教師, 2014, 35(4):34-36.

4 趙麗, 周亞洲. 全反射現象的演示[J]. 物理通報, 2009(12):56-57.

5 陳穎,韓敘虹.運用無線同屏技術構建物理探究課堂[J].物理教師,2017(7):72-73.