光的偏振性教學設計

李小芳

(中北大學信息商務學院 山西 晉中 030600)

目前，大部分高校在《大學物理》課程的教學中仍采用傳統教學方式，而且由于學時的限制，教學中關于物理知識的實際應用涉及很少，導致大部分學生認為學習物理沒有用處，普遍缺乏學習興趣.針對上述現狀，本文以“光的偏振性”為例[1～4]，嘗試尋求一種更加有效的教學方法，從偏振現象的實際應用出發，將理論知識講授與實驗驗證相結合，利用各種信息資源和信息技術支持學習，以期達到良好的教學效果.教學中強調對學習過程的評價，將是否積極參與教學活動，是否能應用所學知識來解決實際問題作為考核標準，激發學生內在的學習動力.

1 教學背景分析

1.1 教學任務分析

參考教材:《物理學》(馬文蔚，高等教育出版社，第六版).

授課內容：第十一章第九節“光的偏振性 馬呂斯定律”.

授課對象：本科二年級第一學期非物理專業學生.

授課學時：45 min.

1.2 先修課程分析

學生在學習本教學內容之前，已經初步掌握了機械波，光的干涉及光的衍射的相關內容，且在初中的時候也已經接觸過偏振的基本概念，為本節課的學習奠定了基礎.

1.3 授課學生分析

獨立學院學生學習基礎參差不齊，有的學生物理基礎較好，而且接觸過偏振片等光學儀器，授課之前已經對課程有一些理解；有些學生高等數學基礎薄弱，對微積分不熟悉，將微積分知識應用到物理中后，學習起來感覺吃力；有些學生光學基礎薄弱，對光的理解不足；有些學生思維活躍，對實用性課程很感興趣，但是注意力依賴于教師的授課方式.

2 教學目標

2.1 知識目標

(1)理解光的偏振現象；

(2)掌握自然光、偏振光、部分偏振光的表示方法和區別；

(3)掌握馬呂斯定律以及利用偏振片辨別自然光、偏振光、部分偏振光的方法；

(4)理解相機濾光及3D電影的原理；了解沙蟻導航定位原理.

2.2 能力目標

(1)通過本課的學習培養學生科學的思維方法以及合作學習的能力；

(2)引導學生用已學的偏振原理來解釋一些實際問題的應用，提高學生靈活運用物理知識解決實際問題的能力.

2.3 素質目標

(1)通過學習，使學生具有一個合理的、開放的物理知識結構和背景，并能以此為基礎，去接受、理解當代科技的新概念、新技術；

(2)學生可以運用本節內容中學到的科學思維方法，來解決以后學習、工作和生活中遇到的相關問題.

2.4 教學重難點

(1)教學重點

掌握偏振光辨別方法以及馬呂斯定律；能夠利用所學偏振知識解釋相關的實際應用.

(2)教學難點

關于自然光分解為兩個相互垂直的光振動的理解；運用所學的偏振原理去正確地解釋大家所熟悉的生活現象.

3 教學資源設計

教學資源的媒體類型、簡介、來源以及使用方式如表1所示.

表1 教學資源

4 教學方式與方法

根據學生的學情特點和心理特點，對教學內容進行適當取舍和設計.從偏振的實際應用出發，引導學生積極主動地學習，激發學生學習興趣；利用多媒體、圖片、視頻、動畫、藍墨云班課App等信息資源和信息技術，使學生能夠生動具體地理解知識，從而突破教學重難點；將理論知識講授與實驗驗證相結合，創設實驗情境，增強學生的感性認識；最后引導學生用所學的偏振知識去解釋生活中的實際應用，既可以活躍課堂氣氛，又加深了學生對概念的理解，讓學生明白“生活處處有物理”.

5 教學過程設計

5.1 教學流程圖及時間安排

圖1所示為教學流程圖及時間安排.

圖1 教學流程圖及時間安排

5.2 教學環節設計

5.2.1 新課導入

播放科幻電影《蟻人2》中的片段：主人公找不到實驗樓，螞蟻軍團為其導航.進而向學生介紹：螞蟻有超強的定位導航功能，即使在沙漠這種既無參照物，又無氣味可循的環境中螞蟻也可以做到準確定位.介紹完畢后向學生提問：“螞蟻為什么能夠做到超強定位？生物的這種導航原理是否可以用在現代導航技術中？”從而引出新課.

設計意圖：播放視頻，提出問題，引起學生思考，且仿生的偏振導航是現代科學技術，實用性很強.將此作為導入能夠吸引學生的注意，起到良好的引入效果.

5.2.2新課教學

利用繩子產生的機械波和一條狹縫介紹偏振的定義，引導學生理解偏振是橫波固有的，光是橫波，因此光有偏振現象.

教師向學生提問：“太陽光、手機屏幕發出的光、鏡面反射的光有什么不同？”從而過渡到光具有不同偏振態，引出自然光、偏振光、部分偏振光的概念及表示方法.再使用圖示分解法讓學生明白自然光和部分偏振光的各個光矢量可以分解到兩個相互垂直的方向上，且自然光沒有優勢方向，而部分偏振光有優勢方向.

設計意圖：從生活中常見的光出發，給他們提供一個似乎跟自己認知相沖突的知識，吸引學生注意力，為后面的知識做鋪墊.

5.2.3 理論解析

(1)偏振片:起偏與檢偏

教師向學生提問：“如何利用自然光獲得線偏振光呢？獲得偏振光之后又如何檢測它呢？”引出起偏器和檢偏器.介紹偏振片，并將實驗器材偏振片發給學生進行傳閱.接下來教師進行提問:“偏振片的獲得方式？”，在回答該問題時，偏振片傳遞到哪位同學手里，哪位同學進行解答.通過讓學生觀察器材，引導其答出偏振片的獲得方式，并能夠指出偏振片上標記的偏振化方向.

了解偏振片后，分析自然光通過偏振片的透射光光強及偏振態，提出問題：“線偏振光通過偏振片后，透射光是什么偏振態，光強大小為多少？”從而引出馬呂斯定律.

設計意圖：傳閱提問可以提高學生的注意力，活躍課堂氣氛.在學生了解偏振片之后，循序漸進，引出馬呂斯定律，使課程每個知識點之間聯系更緊密.

(2)馬呂斯定律

設計意圖：使用信息化教學平臺藍墨云班課App來輔助教學，對搶答的學生都給予相應的經驗值獎勵，大大調動了學生的積極性.Flash動畫的播放加深了學生對馬呂斯定律的理解.

5.2.4 理論深化：偏振光的檢測

(1)播放視頻：臺燈發出的光經過偏振片，偏振片旋轉一周光強不變.

圖2為臺燈發出的光經過偏振片，偏振片旋轉一周的視頻截圖.

圖2 視頻截圖:自然光檢測

學生分組討論：產生這種現象的原因并得出結論.

得出結論：

1)由于自然光在各個方向上都有光振動，可以看成任意兩個相互垂直的光振動的合成，且無優勢方向，因此,旋轉偏振片時透射光光強不變.

2)若通過偏振片的透射光光強不變，則入射光為自然光.

(2)播放視頻：電腦屏幕發出的光經過偏振片，偏振片旋轉一周消光兩次.

圖3為電腦屏幕發出的光視頻截圖，圖4和圖5分別為電腦屏幕發出的光經過偏振片，偏振片旋轉一周得到的第一次消光與第二次消光視頻截圖.

圖3 視頻截圖:線偏振光檢測

圖4 視頻截圖:線偏振光檢測第一次消光

圖5 視頻截圖:線偏振光檢測第二次消光

學生分組討論：產生這種現象的原因并得出結論.

得出結論：根據馬呂斯定律，若通過偏振片的透射光強變化，且有兩次消光，則入射光為線偏振光.

(3)播放視頻：天空反射的日光經過偏振片后，偏振片旋轉一周，光強變化，無消光.圖6為天空反射的日光的視頻截圖.

圖6 視頻截圖:部分偏振光檢測

圖7為天空反射的日光經過偏振片后，偏振片旋轉一周，光強變化但無消光的視頻截圖.

圖7 視頻截圖:部分偏振光檢測光強變化，無消光

學生分組討論：產生這種現象的原因并得出結論.

得出結論：

1)由于部分偏振光在各個方向上都有光振動，可以看成任意兩個相互垂直的光振動的合成，但部分偏振光有優勢方向，因此,旋轉偏振片時透射光光強變化，但無消光.

2)若通過偏振片的透射光強變化，但無消光，則入射光為部分偏振光.

(4)播放視頻：電腦屏幕發出的光(線偏振光)經過兩個偏振片P1和P2，旋轉P2，觀察線偏振光通過P1后的出射光與線偏振光本身的不同.

圖8為電腦發出的光經過兩個偏振片的視頻截圖.

圖8 視頻截圖:線偏振光經過兩個偏振片

學生分組討論：產生這種現象的原因并得出結論.

得出結論：根據馬呂斯定律，線偏振光經過偏振片P1后出射光仍為線偏振光，但振動方向與偏振片的偏振化方向相同，與入射光不一定相同.

說明：學生在課前已經按ABBC(成績等級)的組合分好.課上教師提問時隨機挑選小組成員來回答問題，如果被挑選的成員回答不上來或者回答不充分，小組內其他成員可進行補充.該小組成員回答完畢后，其他小組成員可進行質疑.

最后教師總結：辨別生活中自然光、線偏振光和部分偏振光的方法.

圖9為教師總結的課件截圖.

圖9 課件截圖:偏振光的檢測方法

設計意圖：由于人眼無法區分偏振態，通過視頻可以讓學生深刻體會到光具有不同的偏振態，使知識生動具體，便于學生理解，從而提高學生的學習興趣；教學過程中，采用分組討論，“合作、質疑”的教學模式，不僅活躍課堂氣氛，而且培養學生的合作學習能力，深化和拓展學生的思維.回答問題時隨機挑選組員在一定程度上可以避免部分學生“搭便車”，增強學生的集體榮譽感.

5.2.5 學以致用

(1)照相機的濾光鏡和太陽鏡

圖10為照相機鏡頭前不加偏振片拍攝的有反射光干擾的櫥窗，圖11為相機鏡頭前加偏振片消除反射光干擾后拍攝的櫥窗，其中偏振片的作用是濾掉不必要的反射光.

圖10 有反射光干擾的櫥窗

圖11 相機鏡頭前加偏振片消除了反射光干擾

學生分組討論：利用偏振的知識分析相機濾光鏡的原理.

教師總結：玻璃櫥窗反射的光為部分偏振光，部分偏振光在各個方向上都有光振動，可以看成任意兩個相互垂直的光振動的合成，且有優勢方向.相機濾光鏡為偏振片，當濾光片的通光方向與部分偏振光的優勢方向垂直時，可以消除反射光的干擾.

(2) 3D電影原理

圖12為雙鏡頭攝像機.

圖12 雙鏡頭攝像機

講解前，讓學生做一個小游戲，伸出一個手指放于正前方，先只用右眼去觀測，再只用左眼去觀測，反復操作，這時學生會發現手指在左右跳動.學生對其感到好奇，從而引出人眼立體成像原理.

學生了解立體成像原理后，分析討論立體電影模仿人的視覺原理如何拍攝畫面，如何利用線偏振光放映，如何讓觀眾帶上偏振片眼鏡看到立體效果影像的原理.

圖13為3D電影放映與觀看方式示意圖.

圖13 3D電影放映及觀看方式

(3)沙蟻的導航原理及仿生偏振光導航

簡單講解沙蟻如何利用其復眼結構對天空偏振光進行感知，從而確定方向.并讓學生了解一下仿生偏振光導航技術.

設計意圖：教學過程中加入小游戲，可調動學生的學習積極性.“學以致用”環節，采用圖片、視頻等方式呈現，深入淺出地進行分析講解，使物理規律貼近生活，同時也使學生印象深刻，牢固掌握.相機濾光鏡原理的講解也可以為下一節“反射光和折射光的偏振”的內容做鋪墊，最后沙蟻的導航原理及仿生偏振光導航的介紹，不僅使得教學內容前后呼應，而且可以使學生了解相關的科學技術.

5.2.6 課堂小結

利用思維導圖總結本節課知識點，如圖14所示.

圖14 課堂小結

設計意圖：采用思維導圖總結知識點，可圖文并茂，不僅鞏固所學，且理清了知識點之間的內在聯系，構建了知識網絡.

5.2.7 作業布置

利用藍墨云班課App進行作業布置.

(1)知識應用：學生使用藍墨云班課App下載視頻“照妖鏡”，利用偏振和液晶的知識解釋其中蘊含的道理.

(2)在線測試題

設計意圖：通過知識應用和在線測試鞏固和檢驗所學知識.使用藍墨云班課App布置作業便于教師記錄及統計平時成績.

6 學習評價

采用能力與知識并重的多元化考核體系，加大了平時成績的比重，注重過程考核，激勵學生主動學習.本節課由3部分成績評價構成，分別為課堂表現(60%)、拓展應用(30%)及課后在線測試(10%)，課堂表現主要包括活躍課堂氣氛、回答問題、搶答、小組討論等.

以上3項成績都使用藍墨云班課App進行記錄，保證學生隨時了解自己平時成績的動態.

7 教學反思

(1)以學習者為中心 注重能力培養

課程引導學生積極主動地學習，加強了生活實踐和應用，盡力將物理與我們的生活實踐、科學技術的發展相聯系，激發學生學習興趣.

(2)充分利用各種信息資源和信息技術支持學習

信息化多媒體平臺的引入極大地豐富了課堂教學，提高了學生學習的參與度，激發學生內在學習動力，從而提高學習效率.

(3)強調對學習過程的評價

將學生在學習過程中是否積極參與教學活動，是否能應用所學知識來解決實際問題作為考核標準，激發學生的主觀能動性.