“全反射”教學設計的新探索

田望璇 邢紅軍

(首都師范大學教師教育學院,北京 100048)

1 現行教材編寫分析

教材首先介紹光密介質和光疏介質的定義及其相對性,然后通過半圓形玻璃磚的演示實驗,引出全反射的定義和臨界角的概念及計算,最后,以全反射棱鏡和光導纖維為例,介紹全反射現象的應用.

研究發現,基于三維課程目標的教材[1]編寫存在以下問題: (1) 雖然教材通過演示實驗展示了真實的全反射現象,但并未呈現直觀、動態的光路圖,這就在一定程度上影響了學生對于全反射現象的理解; (2) 教學邏輯主線不甚清晰,缺乏全反射現象、概念、公式間的系統連接; (3) 學生對知識形成過程的體驗不夠,忽視了過程展現對教學的重要作用.有鑒于此,本文針對以上問題,基于物理概念與規律教學的要求展開新的教學設計.

為了解決全反射教學中存在的問題,確定一條邏輯清晰的教學主線便成為本節教學設計的重中之重.筆者認為,本節課的教學應遵循物理概念與規律教學的要求.[2]具體而言,由生活中的全反射現象出發,創設情境激發學生的學習興趣;運用實驗歸納法,通過直觀、動態的光路圖講解全反射的產生過程和條件,建立全反射概念;進一步,詮釋全反射現象的本質,借助臨界法計算玻璃磚的臨界角,使全反射及臨界角的概念得以順利應用;最后,運用所學知識解釋生活中的光現象,達到學以致用的目的.顯然,依據物理概念與規律教學要求的教學設計,有助于學生體驗全反射學習的過程,從而更好地發展物理核心素養.

2 教學設計的新探索

2.1 創設全反射現象建立的情境

物理知識源于生活.因此,教學中應以全反射現象的形成過程為出發點,引導學生從生活中的物理現象出發,感受全反射產生的前提與動因,為抽象的物理概念注入鮮活生動的生活元素,將書本里的物理知識升華為學生對生活中的直觀感受,從而激發學習興趣,調動學習的主觀能動性和積極性.

在日常生活中,有許多全反射現象.例如,清晨鳶尾花葉片上的露珠在陽光的照耀下閃閃發光;喝水時發現水杯中的氣泡看上去特別明亮.教師可以向學生展示露珠和氣泡的圖片,引領他們從生活現象中提煉物理情境,提出可探究的物理問題.基于教師的引導,學生自然而然就可提出諸如為什么會發生這樣的現象?這個現象的原理是什么等問題.在此基礎上,教師可進行演示實驗,如向玻璃杯中加水,原本在杯底中的硬幣就“消失不見”了;激光在彎曲的有機玻璃棒中并不沿直線傳播.通過設置認知沖突,激發學生的好奇心和求知欲,讓學生透過實驗現象去發現蘊含在其中的全反射現象.

2.2 運用科學方法建立全反射概念

在創設物理情境之后,就需要沿尋物理概念與規律獲得的邏輯路徑,運用科學方法建立物理概念及規律.基于此,可以運用實驗歸納法進行研究.光從一種介質射入另一種介質時,會同時發生反射和折射.根據折射定律,光由光疏介質入射到光密介質(例如由空氣射入水)時,折射角小于入射角,如圖1所示.根據光路的可逆性,當光由光密介質入射到光疏介質(例如由水射入空氣)時,折射角大于入射角.當入射角增大到一定程度,但還沒有到達90°時,折射角就會先增大到90°,此時折射光完全消失,只剩下反射光,這種現象就叫做全反射,此時的入射角叫臨界角,用C表示.之后,教師通過學生分組實驗探究的方式,引導學生歸納出發生全反射的兩個條件:光從光密介質入射到光疏介質以及入射角等于或大于臨界角.

圖1 全反射的產生示意圖

借助圖1,可以幫助學生構建起光的反射、折射和全反射之間的邏輯關系,從而理解全反射的產生過程.由于全反射現象的發生具有動態化、抽象化的特點,學生理解往往會產生困難.因此,教學中就應向學生展示直觀、動態的光路圖,幫助他們理解全反射的產生過程及條件.

2.3 理解全反射現象的本質

物理教學的最終目的是以科學的方式講清楚物理知識最核心的本質,一切教學方法和教學活動都要圍繞物理本質展開.因此,教師在介紹全反射概念的基礎上,還應繼續帶領學生理解全反射現象的物理本質.

光是一種電磁波,因此,可以以電磁波為著力點,幫助學生理解全反射現象的本質及其微觀的物理圖景.事實上,在全反射現象發生時,入射波不是簡單地全部回到光密介質,在光疏介質中也存在透射波.入射波從光密介質入射到界面上,并不是從分界面上突然返回光密介質,而是繼續沿分界面傳播,在光疏介質內傳播一段距離z0,[3]這段距離約為波長數量級,然后,再從光疏介質返回光密介質.發生全反射時,能量隨著傳播深度指數衰減,但這種衰減并不是被損耗,而是被逐漸返回原介質而產生的,因此,兩介質間是完全沒有能量交換的.[4]顯然,只有厘清全反射現象的本質,才能算得上是真正理解了全反射現象.

2.4 借助科學方法應用全反射現象

研究表明,物理概念與規律唯有通過應用,才能使學生理解得更為深刻,掌握得更為牢固.由于物理概念與規律需要經由科學方法才能應用,所以,為了能夠順利應用全反射,就必須借助科學方法.

物體由一種物理過程(狀態)變為另一種物理過程(狀態)時,通常存在一個分界狀態或轉折點,這時物體所處狀態通常稱為臨界狀態,與之相關的物理條件則稱為臨界條件,研究臨界問題的方法稱為臨界法.當發生全反射現象時,是折射光剛好消失的臨界狀態,教師可由此引導學生應用全反射的概念和臨界角的定義尋找光從介質射入空氣時,發生全反射的臨界角C與介質的折射率n的關系,即

(1)

同時,學生也能發現介質的折射率越大,發生全反射的臨界角越小.比如,鉆石的折射率為2.41,臨界角為24.4°,水晶的折射率為1.52,臨界角為41.0°,由此,學生便知道鉆石比水晶看上去更加閃亮的原因.因為鉆石的臨界角小于水晶的臨界角,所以鉆石比水晶更容易發生全反射,這就是人們選擇鉆石作為戒指的原因.

2.5 運用物理概念與規律解釋全反射現象

“應用”是物理概念與規律教學的最后環節.需要明確的是,這一環節不能理解為解答物理習題.只有通過解決實際物理問題,學生才能真正理解物理概念與規律.由此,教師可帶領學生利用所學知識解釋虹和霓的形成原因及其區別.太陽光照射到雨滴后,會在雨滴中發生全反射,形成彩色的光帶.虹的光帶紅色在外,紫色在內,是太陽光在水滴中發生一次全反射形成的,紅光的出射光與入射光的夾角α=42°.霓的光帶紫色在外,紅色在內,是發生兩次全反射形成的,紅光的出射光與入射光的夾角α=50°,如圖2所示.至此,通過霓和虹的比較,學生可以對全反射現象有更為深入的認識.

圖2 霓和虹的形成示意圖

正如物理教育專家喬際平先生所說,“學習物理的首要目的不是獲得知識,而是解決生活實際中遭遇的物理問題,問題解決后自然習得相應的物理知識”.[5]問題是學生思維的起點,知識的獲得始于問題的提出,終于問題的解決.只有運用所需知識解決實際問題,才能使學生真正體會到物理學的魅力所在.

3 研究啟示

3.1 彰顯教學理論的價值

長期以來,我國物理概念與規律的教學始終未能突破經驗總結,原因在于教學一直缺乏深入的理論研究.而基于科學方法中心論的物理概念與規律教學要求,在抓住概念規律教學要素的同時,兼具科學、合理、流暢的教學邏輯,展現了物理概念與規律教學的應有之意,使物理概念與規律的教學得以超越經驗而上升到理論層面,從而有效解決了教學中長期滯留的問題,為物理教學提供了堅實的理論指引.

正是在物理概念與規律教學要求的指導下,全反射的教學設計才顯現出獨特的結構性與整體性.本節教學設計的核心是體現運用科學方法建立全反射概念,理解全反射現象的本質,借助科學方法應用全反射現象,運用物理概念與規律解釋全反射現象,它們相輔相成,共同構筑起了全反射教學的結構.這種觀點下的物理教學設計既相互關聯又相互依存,呈現出層層遞進、逐步升華的樣態.其脈絡淸晰、層次分明、目標明確的特點,很好的體現了循序漸進的教學原則.

3.2 體現物理哲學的思想

量變引起質變,是馬克思主義哲學原理的重要觀點,也是物理學中的重要思想.量變和質變是事物發展變化過程中兩種不同的狀態,一切事物的變化一般都是從量變開始,逐漸積累起來,當量變發展到一定程度時,就會發生跳躍式的改變而引起質變.[6]

全反射現象發生的過程不僅反映出量變到質變的哲學思想,也體現出量變與質變相互交錯滲透的內在聯系.在全反射現象演示實驗中,當入射角增大到一定程度時,折射光剛好消失,此時恰好發生全反射,處于臨界狀態.這時,教師可向學生強調臨界的觀點與方法,體會現象背后蘊含的臨界思想.教師應當告訴學生,臨界的觀點以及從量變到質變的哲學思想與辯證規律,是全反射概念與本質在學生頭腦中的升華,也是從物理學視角解釋自然現象和解決實際問題的基礎.因此,這樣的教學設計才有利于學生體會臨界的觀點,感悟物理學中量變引起質變的哲學思想.

3.3 超越傳統教材的局限

我國傳統物理備課的“教材分析”、“教案撰寫”強調經驗的繼承,強調對物理材料的感知和把握,但其固有的封閉性在相當程度上造成了“閉門造車”的傾向.[7]研究發現,很多中學物理教師在進行教學設計時,主要依據的是教材,教學設計往往就是教材的細化過程.[8]這樣的教學設計過分依賴教材,缺乏教師對于物理知識的思考與創造,不利于學生對知識的把握.

對于全反射一節,教材編寫雖然力求完備,但終究不能做到盡善盡美.傳統教材對于全反射現象、本質與應用等教學環節的銜接存在不足,沒有使學生達成對知識形成過程的體驗.若完全依據教材進行教學設計,就會使這些不足成為學生知識體系中的問題,阻礙學生對知識的理解與掌握.當然,這囿于我們的基礎教育水平,新版課程標準已在這一方面做出了很大改變.本節全反射教學設計超越傳統教材的局限,遵循物理概念和規律的教學要求,力圖帶領學生親歷全反射現象形成的始末.通過厘清現象,揭示本質,把握邏輯,展開應用,從而較好地體現了物理核心素養的要求.