促進(jìn)學(xué)生理解的“測定玻璃折射率”教學(xué)

劉紫微 魏舜芷 陳 剛

(華東師范大學(xué)教師教育學(xué)院,上海 200062)

1 問題的提出

“測定玻璃的折射率”是人教版高中物理選修3-4中第13章第1節(jié)的內(nèi)容,也是高考考綱中規(guī)定考查的唯一的幾何光學(xué)實(shí)驗(yàn).[1]教材中對于該實(shí)驗(yàn)的儀器和操作步驟已給出清晰的說明(如圖1),[2]結(jié)合教材和教師的引導(dǎo),學(xué)生基本能習(xí)得運(yùn)用插針法測定玻璃折射率的方法.但當(dāng)問及“為何要使大頭針B把A擋住”“為何4個大頭針相互遮擋就能確定相互對應(yīng)的入射光線和折射光線”時,大多數(shù)學(xué)生無法作出清晰、有依據(jù)的解答.

圖1 測定玻璃的折射率(人教版高中物理教材)

根據(jù)布魯姆教育目標(biāo)分類學(xué),當(dāng)學(xué)生表現(xiàn)出“解釋、舉例、推論、分類、概要、說明、比較”的外顯行為時,表明學(xué)生已達(dá)到“理解”層次;當(dāng)學(xué)生表現(xiàn)出“遇到某一熟悉任務(wù)(即練習(xí))時,他會習(xí)慣性地執(zhí)行一套程序”的外顯行為時,表明學(xué)生已達(dá)到“運(yùn)用”層次.[3]上述學(xué)生“能執(zhí)行插針法但不能解釋實(shí)驗(yàn)步驟”的外顯行為表明,大多數(shù)學(xué)生在學(xué)完這部分內(nèi)容后,能“運(yùn)用”規(guī)則,但不能“理解”規(guī)則背后的物理概念和規(guī)律.

為使學(xué)生真正理解插針法,達(dá)到“知其然且知其所以然”,本文試以教學(xué)任務(wù)分析為依據(jù),提出促進(jìn)學(xué)生理解的“測定玻璃折射率”教學(xué)方案.

2 教學(xué)任務(wù)分析

任務(wù)分析,亦可稱為教學(xué)任務(wù)分析,是指在學(xué)校教育環(huán)境下教師對幫助學(xué)生習(xí)得特定學(xué)習(xí)結(jié)果的教學(xué)任務(wù)的建構(gòu),是教師確定教學(xué)目標(biāo)后,揭示學(xué)習(xí)者達(dá)到教學(xué)目標(biāo)所需要掌握的知識、技能及相互間序列關(guān)系的認(rèn)知活動.任務(wù)分析是教學(xué)設(shè)計(jì)的核心成分,選擇教學(xué)方法、規(guī)劃教學(xué)事件均以任務(wù)分析的結(jié)果為依據(jù).[4]

物理概念和規(guī)律的學(xué)習(xí)一般有理論分析和實(shí)驗(yàn)歸納兩種途徑.“測定玻璃折射率”是測量物理量類的一個實(shí)驗(yàn),故教學(xué)時應(yīng)遵循實(shí)驗(yàn)歸納途徑,即經(jīng)歷提出問題、猜想與假設(shè)、規(guī)劃方案、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)收集數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)獲得結(jié)論環(huán)節(jié).[5]由于是測量類的實(shí)驗(yàn),問題已經(jīng)明確,且無需進(jìn)行猜想,故本節(jié)課主要涉及規(guī)劃方案等后面4個環(huán)節(jié).

規(guī)劃方案：

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)：

由于在課堂教學(xué)中提供了基本的實(shí)驗(yàn)裝置,如:白紙、圖釘、大頭針、直尺、鉛筆、量角器、平木板、長方形玻璃磚等,也就是測量的技能都是確定的,在此基礎(chǔ)上可遵循設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)通用策略來設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)(表1).

表1 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)通用策略的運(yùn)用

在上述步驟(4)中,學(xué)生會遇到子問題1:如何在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件下,測量入射角和折射角?

該子問題的解決主要遵循理論分析途徑,即經(jīng)歷確定待研究的對象、確定待解決的問題、確定論證方式、確定解決問題策略(以選擇出解決問題的必要技能)、執(zhí)行必要技能解決問題、驗(yàn)證環(huán)節(jié).[6]由于對象和問題已經(jīng)明確,且不是論證性的問題,故只需確定策略并解決問題即可.

對于子問題1,教師可引導(dǎo)學(xué)生遵循逆推法解決,如下:

師:如果要測定玻璃磚的折射率,比較直接的做法是什么?

生:可以將玻璃磚壓在白紙上,用激光筆發(fā)射一束光,使其以一定的角度入射到玻璃磚內(nèi),用筆在白紙上標(biāo)記入射光線和入射點(diǎn).觀察并標(biāo)記光在玻璃磚下表面的出射點(diǎn),連接入射點(diǎn)和出射點(diǎn)確定折射光線.測出入射角和折射角,計(jì)算得到折射率.

師:也就是說一束入射光線(如圖2中的光線①)從空氣射到玻璃磚的上表面會發(fā)生折射,玻璃磚內(nèi)有對應(yīng)的一束折射光線(如圖2中的光線②),并在玻璃磚下表面射出.那這一束折射光線射到玻璃磚的下表面會怎樣?

生:也會發(fā)生折射再出射到空氣中(如圖2中的光線③).

圖2 光經(jīng)玻璃磚兩次折射的光路圖

師:請同學(xué)們畫出大致的光路圖.

學(xué)生已知光從空氣入射到玻璃中滿足折射角小于入射角,從玻璃入射到空氣中滿足折射角大于入射角,能夠畫出兩次折射的大致光路圖,如圖2所示.

師:我們已經(jīng)知道了光在玻璃磚中折射的大致光路,還知道了測量入射角和折射角的關(guān)鍵是確定一條入射光線和一條對應(yīng)的折射光線.

此時學(xué)生相當(dāng)于將子問題1拆分成了兩個新的子問題.

子問題2:如何在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件下,確定一條入射光線?

該問題也可遵循逆推法解決,如下:

師:本實(shí)驗(yàn)并未提供激光筆等光源,如何從無數(shù)條射向玻璃磚上表面的光線中確定一條入射光線來研究呢?

生:對于不能自行發(fā)光的物體,我們能看見它是因?yàn)樗瓷涞墓膺M(jìn)入了我們的眼睛,所以我們可以將物體反射出的光線作為研究中的入射光線.

師:根據(jù)提供的器材,可以選哪個物體?如何做?

生:大頭針可以,把它插在所選光線的路徑上.

教師完成該操作,讓學(xué)生觀察.

師:透過玻璃磚從另一面觀察大頭針A,我們能觀察到什么?

生:大頭針A的像.

師:這個像是如何被觀察到的?

生:大頭針A反射的光線經(jīng)玻璃磚兩次折射進(jìn)入我們的眼睛,就觀察到了像.

師:我們初中時就學(xué)過,折射成像是虛像,人眼觀察到的虛像位置在何處?

生:最后出射光線進(jìn)入人眼,由于人眼總感覺光沿直線傳播,所以人眼會感覺虛像在進(jìn)入人眼的光線(即此時的出射光線)的反向延長線上.

師:很好!現(xiàn)在我們知道了折射所成虛像在進(jìn)入人眼的光線(即此時的出射光線)的反向延長線上.

師:那僅用一個大頭針的像,能否確定所選的入射光線?

生:不可以.

師:確定一條入射光線至少要幾個點(diǎn)?

生:兩個.

師:那不妨在入射光線的路徑上再插一個大頭針B.這時透過玻璃磚能觀察到什么?

教師完成該操作,讓學(xué)生觀察.

生:兩個大頭針的像.

師:此時能觀察到兩個像(如圖3中的A′和B′),說明有兩條出射光線進(jìn)入人眼,也就是大頭針A和B各對應(yīng)了一條入射光線(如圖3中的光線①和②).那當(dāng)兩個大頭針的像滿足什么關(guān)系時,才能確定一條入射光線呢?

圖3 人眼觀察到兩個像

生1:一條確定的入射光線只會對應(yīng)一條出射光線進(jìn)入人眼,此時A和B成的像應(yīng)該都在這條出射光線的反向延長線上.(如圖4)

圖4 人眼只觀察到一個像

生2:那B′會遮擋A′,此時人眼只能觀察到一個像.

生3:也就是說,當(dāng)我們調(diào)整視線方向,直到大頭針B的像剛好把A的像擋住時,我們就確定了一條入射光線,即為大頭針A、B的連線.

子問題3:如何在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件下,確定一條與入射光線對應(yīng)的折射光線?

該問題也可遵循逆推法解決,如下:

師:前面分析了入射光線的確定,那么折射光線如何確定呢?

生:如果能確定折射光線上的兩點(diǎn),就能確定折射光線了.

師:可以確定哪兩個點(diǎn)?

生:一個是入射點(diǎn),還可以確定在玻璃磚下表面的出射點(diǎn).

師:入射點(diǎn)如何確定?

生:A、B的連線是入射光線,延長到與玻璃磚上表面相交的點(diǎn)即為入射點(diǎn).

師:在下表面的出射點(diǎn)如何確定?

生:和入射點(diǎn)一樣,只要確定了出射光線,延長到與玻璃磚下表面相交的點(diǎn)即為出射點(diǎn).

師:如何確定出射光線?由前面的圖(圖4)可以看出什么規(guī)律?

生:出射光線與大頭針A、B的像在同一直線上.

師:在同一直線上的物體會有何現(xiàn)象?

生:互相遮擋.

師:那你們想到如何確定出射光線了嗎?

生1:可以在視線前方再插一個大頭針C,如果C剛好能擋住像B′和A′,那么大頭針C也在這條出射光線上.

生2:由于至少要兩個點(diǎn)才能確定一條光線,所以還要在視線前方再插一個大頭針D,如果D剛好能擋住C、像B′和A′,那么大頭針D也在這條出射光線上.

生3:那C、D的連線就是出射光線,延長到與玻璃磚下表面相交的點(diǎn)即為出射點(diǎn).再將入射點(diǎn)與出射點(diǎn)相連就得到了折射光線.

師:現(xiàn)在入射光線和折射光線都確定了,測量入射角和折射角也就不成問題了!

解決了子問題2和3,子問題1便也迎刃而解.隨后教師繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生遵循設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)通用策略完成實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì),此時,在步驟(6)“確定每次實(shí)驗(yàn)中的條件(如物理量的變化方式)”時,學(xué)生就能想到通過改變大頭針A、B的位置來改變?nèi)肷浣堑拇笮?

進(jìn)行實(shí)驗(yàn)收集數(shù)據(jù)：

設(shè)計(jì)完實(shí)驗(yàn)后,教師應(yīng)帶領(lǐng)學(xué)生梳理完整的實(shí)驗(yàn)步驟(如圖1),隨后學(xué)生進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)并記錄數(shù)據(jù).

處理數(shù)據(jù)獲得結(jié)論：

將數(shù)據(jù)代入公式計(jì)算玻璃的折射率,并通過多次實(shí)驗(yàn)取平均值來減小誤差,得出最終結(jié)果.

3 促進(jìn)學(xué)生理解的教學(xué)方案

通過上述教學(xué)任務(wù)分析,教師已經(jīng)可以明確學(xué)生的學(xué)習(xí)過程,并分析出學(xué)生可能遇到的難點(diǎn):

(1) 光在玻璃磚中折射的大致光路如何;

(2) 如何在沒有激光光源的實(shí)驗(yàn)條件下,確定一條用于研究的入射光線;

(3) 如何在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件下,確定一條與入射光線對應(yīng)的折射光線.

只有突破了上述難點(diǎn),學(xué)生才能真正理解插針法.而要突破上述難點(diǎn),需要學(xué)生對初中所學(xué)知識進(jìn)行遷移,掌握以下知識:

(1) 光在光疏、光密介質(zhì)間傳播時滿足的折射規(guī)律;

(2) 人眼看見不發(fā)光物體的原理;

(3) 人眼觀察到折射所成虛像在進(jìn)入人眼的光線的反向延長線上;(核心)

(4) 光在同種均勻介質(zhì)中沿直線傳播,同一直線上物體相互遮擋.

故而教師可在課前或相應(yīng)的教學(xué)過程中帶領(lǐng)學(xué)生復(fù)習(xí)相關(guān)知識,遵循任務(wù)分析得出的學(xué)習(xí)過程來規(guī)劃教學(xué)過程,在學(xué)生遇到困難時引導(dǎo)學(xué)生突破難點(diǎn).這樣以教學(xué)任務(wù)分析為依據(jù)進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì),能使教學(xué)有據(jù)可依,實(shí)現(xiàn)事半功倍的高效課堂.

對于教學(xué)方法的選擇,通常有傳授式、啟發(fā)式和探究式,為了使學(xué)生達(dá)到“理解”層次,建議采用啟發(fā)式或探究式教學(xué)法.如果選用啟發(fā)式,教師可依據(jù)任務(wù)分析中的問題串,逐步引導(dǎo)學(xué)生選擇知識、運(yùn)用策略、解決問題.對于基礎(chǔ)扎實(shí)、能力較強(qiáng)的學(xué)生,也可采用探究式教學(xué)法,教師針對學(xué)生可能存在困難的各節(jié)點(diǎn)事先準(zhǔn)備好相應(yīng)的工作單:當(dāng)學(xué)生因未提取出解決問題必要技能而遇到障礙時,教師可提供相應(yīng)的技能單,引導(dǎo)學(xué)生回憶以往學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn);當(dāng)學(xué)生因沒有思路而遇到障礙時,教師可提供相應(yīng)的策略單,通過提示解決此問題所需的策略來引導(dǎo)學(xué)生解決.

與常規(guī)教學(xué)方案從實(shí)驗(yàn)步驟出發(fā)不同的是,上述教學(xué)方案從實(shí)驗(yàn)原理出發(fā),強(qiáng)調(diào)讓學(xué)生通過自己的思維活動自主建構(gòu)出測定玻璃折射率的實(shí)驗(yàn)方案,再梳理、總結(jié)出實(shí)驗(yàn)步驟.如此,學(xué)生不僅掌握了測定玻璃折射率的實(shí)驗(yàn)操作,更重要的是能夠解釋每一實(shí)驗(yàn)步驟背后的物理原理,真正達(dá)到“知其然且知其所以然”的“理解+運(yùn)用”層次.

4 對插針法學(xué)習(xí)必要性的思考

教學(xué)應(yīng)以學(xué)生的理解為目的.本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)是給定一塊玻璃,能夠測量出它的折射率,學(xué)生能想到的最直接的、最能理解的方法是使用激光筆.如果采用插針法,按照只關(guān)注實(shí)驗(yàn)步驟的常規(guī)方案進(jìn)行教學(xué),學(xué)生將只能“運(yùn)用”規(guī)則,而不能“理解”規(guī)則背后的物理概念和規(guī)律,這將使教學(xué)失去意義.然而,為使學(xué)生達(dá)到“理解”層次,由前文分析可知,學(xué)生需要掌握的前提知識很多,這又會導(dǎo)致教學(xué)過程相對繁雜,且有些知識,如“人眼觀察到的虛像位置”并非本節(jié)課的重點(diǎn),難免有些“喧賓奪主”.此外,現(xiàn)有文獻(xiàn)中有很多涉及對插針法的誤差分析和改進(jìn),這也表明插針法并非高中階段測定玻璃折射率的最佳方案.插針法到底有何優(yōu)勢?插針法在高中階段是否有學(xué)習(xí)的必要性?這些問題有待進(jìn)一步研究討論.