核心素養(yǎng)導向下的高中物理“光的折射”教學改進

摘" 要：傳統(tǒng)的課堂教學偏重于邏輯推理和方法技巧的訓練，很少考慮如何以學生為主體來培養(yǎng)其核心素養(yǎng)。如何有效突破這一教學困境，是所有教師要思考的一個問題。本文以高中物理“光的折射”一節(jié)的教學為例，以核心素養(yǎng)為導向，從物理規(guī)律出發(fā)，緊扣《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》，創(chuàng)設生活情境，巧妙設計、改進探究實驗，并結合人類探究物理規(guī)律的歷史進程，歸納總結折射定律和折射率的內(nèi)涵本質(zhì)。

關鍵詞：光的折射；核心素養(yǎng)；教學改進

基金項目：

本文系“蘇州市2022年度‘姑蘇教育人才’資助項目——《與信息技術融合指向深度學習的物理教學研究與實踐》”的研究成果（項目編號：RCZZ202253）、“江蘇省陶行知研究會‘十四五’規(guī)劃課題——《基于‘教學做合一’的物理課堂教學實踐研究》”的研究成果（項目編號：JSTY14633）、蘇州市教育科學十四五規(guī)劃課題——“與信息技術融合指向深度學習的物理教學研究與實踐”（課題編號：2022/LX/02/197/11）的研究成果之一。

物理教學不能僅局限于學科知識、技能的教育層面，更應該重視課程對學生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，有效落實教學在“物理觀念”“科學思維”“科學探究”及“科學態(tài)度與責任”這四個維度上的要求。對于

人教版《普通高中教科書" 物理

選擇性必修" 第一冊》中“光的折射”這部分內(nèi)容，由于學生在初中階段學過的知識已經(jīng)有所涉及，因此部分教師可能會在高中課堂教學中對此一帶而過，直接給出折射定律的內(nèi)容和折射率的概念，這種做法忽略了科學探究的實驗過程，違背了核心素養(yǎng)的要求。本文以

人教版教材為基礎，以物理學科核心素養(yǎng)為指導，設計了相關實驗并對該部分教學內(nèi)容進行了改進。

1" 核心素養(yǎng)導向下的物理教學目標

教學目標是實施教學環(huán)節(jié)的總綱領，指導著知識建構的整個過程，具有整理與提升、豐富與拓展的功能，使知識更具有結構性、層次性和穩(wěn)定性。筆者從各個角度細化教學目標，嘗試為教學實施指明方向。

第一，物理觀念。引導學生認識光的折射現(xiàn)象，知道法線、入射角和折射角的含義，理解折射率的概念和光的折射定律，能夠使用折射定律解釋相關現(xiàn)象和計算有關問題。

第二，科學思維。協(xié)助學生通過對折射現(xiàn)象的觀察，經(jīng)分析和推導得出有關折射的定性結論，逐步培養(yǎng)學生的推理能力和科學思維模式。

第三，科學探究。培養(yǎng)學生用物理實驗探究科學問題的方法，讓學生養(yǎng)成細心嚴謹?shù)目茖W態(tài)度和科學思維習慣，增強學生分析、論證、歸納總結的能力。

第四，科學態(tài)度與責任。通過使學生了解推導折射率的歷史發(fā)展過程，讓學生堅持實事求是的原則，保持嚴謹?shù)目茖W態(tài)度，感受人類的探究精神和人文情懷，形成探索自然的內(nèi)在動力，踐行推動可持續(xù)發(fā)展的責任感。［1］

2" 核心素養(yǎng)導向下的物理教學實驗展示與改進

2.1" 引入新課" 激發(fā)學習興趣

在初中物理教學中，學生對于光的研究已經(jīng)有所涉及，掌握光的反射定律，定性知道光的折射定律，并且了解透鏡成像原理。那么教師在高中物理的教學中，該如何再次激發(fā)學生對于光的研究熱情，并有效導入新課呢？

筆者利用身邊的物品設計了“3D全息電影”的小實驗。按如圖1所示尺寸切割4塊厚度為3mm的亞克力透明玻璃板，并粘貼成漏斗狀（見圖2），將其水平放置在平板電腦屏幕上方。當平板電腦屏幕上播放視頻素材時，學生就可以透過亞克力玻璃板觀看到神奇的3D立體電影。

該立體電影并非由光的干涉或衍射形成，而只是簡單地由4片透明玻璃板結合平面鏡成像技術獲得。此實驗的目的是激發(fā)學生對神秘而有趣的光現(xiàn)象的探究熱情，為新課的引入進行鋪墊。

2.2" 提出問題" 明確探究主題

筆者將傳統(tǒng)的“箭叉魚”實驗（見圖3）和光的折射演示儀（見圖4）進行組合，將小魚放置在半圓形演示水槽中，利用激光筆模擬小魚的反射光線的傳播路徑（見圖5）。通過這種方式，教師向?qū)W生解釋“箭叉魚”實驗失敗的原因，從而順理成章地引入“光的折射”這一課堂主題。在實際教學中，教師可以“以資源為載體”“以思維為主線”“以行為為中心”，通過模擬光路實驗，帶領學生回顧初中物理中有關光的反射與折射的知識，使教學節(jié)奏緊湊、過渡自然，為后面的定量探究實驗有效節(jié)約時間。

2.3" 開始實驗" 定量探究關系

定量探究折射角與入射角之間的關系，得出折射定律和折射率的概念，是本節(jié)課的教學重點。在設計學生分組探究實驗時，筆者采用了“光由空氣射向玻璃介質(zhì)”的模型（見圖6），讓學生測量不同的入射角和其對應的折射角大小。

為了獲得穩(wěn)定的線光源，得到較準確的實驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，筆者還對普通激光筆進行了改裝，在激光筆前端加裝了“線光源套筒”（見圖7），將點光源改進為線光源。在實驗時，學生只需將其水平放置在紙面上即可，操作簡單方便。

實驗操作結束后，教師如何根據(jù)學生的測量數(shù)據(jù)（見表1）引導學生探究折射角與入射角的定量關系是本節(jié)課的難點；如何有效突破該難點是本節(jié)課的教學關鍵。

2.3.1" 正比例關系的探究

分析學生的測量數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，隨著入射角的增大，折射角也隨之增大。教師引導學生從最簡單的正比例關系進行探究，學生發(fā)現(xiàn)入射角始終小于折射角的2倍。至于二者究竟是否滿足正比例關系，我們可以利用計算機軟件進行驗證。很多教師習慣用Excel進行數(shù)據(jù)擬合，而本文嘗試使用GeoGebra軟件進行數(shù)據(jù)處理。GeoGebra軟件的優(yōu)點體現(xiàn)在可以對后續(xù)學生提出的猜測進行快速驗證。教師應引導學生尊重實驗數(shù)據(jù)、堅持實事求是的態(tài)度。當入射角較小的時候，在誤差允許的范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)點很好地分布在正比例趨勢線的兩側，唯獨最后一個數(shù)據(jù)偏差比較大。筆者認為，此時教師不應急于否定“同比例增大”的結論。因為學生可能會心存疑惑，認為這一結論可能只是數(shù)據(jù)測量錯誤造成的。

學生容易發(fā)現(xiàn)在小角度時，θ1與θ2滿足成正比的關系，但是大角度時數(shù)據(jù)偏離直線較遠（見圖8）。此時教師不應直接否定學生的猜想，而應通過對大角度的測量數(shù)據(jù)提出疑問，引導學生多測幾組該區(qū)域附近的數(shù)值，培養(yǎng)學生細心嚴謹?shù)目茖W態(tài)度。分別增加入射角為75°和85°時的折射角測量數(shù)據(jù)，通過GeoGebra分析后發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)點確實不滿足正比例關系（見圖9）。

2.3.2" 其他函數(shù)關系的探究

不少教師在否定入射角與折射角之間的正比例關系后，會直接提出θ1與θ2的平方甚至三次方成正比的猜測，繼而再擬合、否定。然而，筆者認為這是不符合學生認知邏輯的。高二的學生，根據(jù)已掌握的數(shù)學知識，當觀察到數(shù)據(jù)點的離散圖像時，最容易由數(shù)據(jù)點離散圖像聯(lián)想到的應是指數(shù)小于1的冪函數(shù)，或者是平移后的對數(shù)函數(shù)。這種情況下，GeoGebra的優(yōu)勢就體現(xiàn)出來了。

筆者輸入了兩個最逼近的冪函數(shù)和對數(shù)型函數(shù)，通過對比實驗數(shù)據(jù)點（見圖10、圖11），使學生的猜測得到驗證。相較于常用的Excel軟件，GeoGebra軟件可以調(diào)用任意學生想到的函數(shù)關系進行比對，方便直觀，讓學生親歷探究的過程。學生也能從一次次探究失敗中，體會科研工作的艱辛和不易，從而培養(yǎng)堅韌不拔的探究精神，這也契合了核心素養(yǎng)的要求。

2.4" 重現(xiàn)歷史" 培養(yǎng)科學態(tài)度與責任

學生在課堂上通過短時間的數(shù)據(jù)分析，其實很難發(fā)現(xiàn)入射角和折射角之間的真正關系。此時，如果教師直接拋出二者正弦值成正比的結論，頗有照本宣科的

“味道”。筆者認為，不妨在課堂上重現(xiàn)折射規(guī)律的歷史發(fā)展過程，讓學生潛移默化地找到探索自然的內(nèi)在動力，培養(yǎng)學生踐行推動可持續(xù)發(fā)展的責任感。

從公元140年的托勒密，到1000年后的阿勒·哈增，到1611年的開普勒，再到1621年的斯涅耳，折射規(guī)律的探究漫長而曲折。筆者認為，教師可以重點介紹斯涅耳的探究思路，即把對角的研究轉變?yōu)閷呴L的研究，培養(yǎng)學生的科學思維。

斯涅耳從實驗現(xiàn)象著手，先在一個長方體的玻璃水槽里盛滿清水，并讓一束光線從空氣射入水中。他沿著入射方向可以畫出一條在水中的虛光線，這樣他就可以忽略掉空氣中的入射光線，只研究在水中的折射光線和虛光線的角度關系，從而使問題簡化（見圖12）。然后他找出折射光線和虛光線的長度關系，并將此關系轉化為角度的關系，從而得出了

OAOA′＝sinβsinα＝常數(shù)。［2］筆者認為，通過重現(xiàn)歷史的方式向?qū)W生展現(xiàn)出入射角和折射角之間的定量關系，既符合學生的認知規(guī)律，又能夠真正地把科學知識和人文情懷相互融合，促進教學內(nèi)容的多元化，同時也讓學生的精神體驗更加飽滿。

2.5" 分析數(shù)據(jù)" 深化學習過程

在得出折射定律的實驗結論后，筆者認為探究并沒有就此結束。我們還可以通過對學生的實驗數(shù)據(jù)進行深度分析，并且與空氣射向水的實驗數(shù)據(jù)進行比較（見圖13），來進一步理解折射率概念的物理意義。一方面可以讓學生驗證斯涅耳結論的正確性，另一方面則通過圖像引導學生思考斜率的物理意義。不同介質(zhì)中，圖像的斜率不同。當光由空氣分別射向玻璃和水時，入射角θ1相同，圖像的斜率越大，折射角θ2越小，折射光線越向法線靠攏，代表光線在介質(zhì)中的偏折越大（見圖14）。這樣學生就能比較容易地理解折射率的含義。

2.6" 感受物理學之美

教師可以引導學生觀察教材中的表格（見表2），強調(diào)這是在λ＝589.3nm（黃光）、t＝20℃時測量得到的。不同顏色的光在同種介質(zhì)中折射率可能是不同的，即偏折能力不同，故而復色光經(jīng)過三棱鏡會發(fā)生色散現(xiàn)象（見圖15）。學生通過觀察還會發(fā)現(xiàn)，紫光的折射率大于紅光。

筆者在這個環(huán)節(jié)自創(chuàng)小實驗，用膠水將200片邊長為3cm×3cm且厚度為3mm的亞克力玻璃片（見圖16）互成角度地粘在白板上。當用強光照射時，200片

玻璃片的折射現(xiàn)象（見圖17）足以給學生帶來視覺上的震撼。這種通過折射帶來的藝術之美，能喚起學生對科學美的向往與追求。

2.7" 學以致用" 解決問題

很多教師在學生得出折射定律以后，往往會給出相應的計算題讓學生求解，用以檢驗課堂的學習成果。筆者則嘗試再次通過實驗，模擬“坐井觀天”的情景，讓學生從物理學角度解釋“青蛙”視野受限的原因。

用杯壁纏繞了遮光帶的燒杯模擬井，用手機攝像頭模擬井底青蛙的眼睛，比較空燒杯和裝滿水的燒杯中“青蛙”的視角變化（見圖18、圖19）。學生可以通過觀察燒杯上方的logo圖像的變化，真實感受光的折射所帶來的視野變化。

在此實驗的認知基礎上，筆者進而再設計問題（見圖20），比較加入水前后青蛙能夠觀察到“井”外范圍的大小，從而引導學生尋求解決方法，使計算變得更加具有趣味性。

3" 總結與反思

筆者以核心素養(yǎng)為導向，設計了“光的折射”課堂教學中的多個小實驗。這些實驗緊扣教學目標，并且對于折射角和入射角大小的定量探究進行改進，使之更符合學生的認知邏輯。具體教學設計流程總結如圖21所示。

在實驗教學中，教師要關注學生的生活經(jīng)驗和感受，遵循實驗認知規(guī)律，使學生認識到，物理是人類認識自然的方式之一，是不斷發(fā)展的，是具有相對性、普適性和局限性的。在實驗活動的探究中，教師還要善于啟發(fā)和鼓勵學生，致力于培養(yǎng)其科學求真、勇于創(chuàng)新和敢于質(zhì)疑的科學態(tài)度及批判精神，以促使學生學科核心素養(yǎng)的提升。

參考文獻

［1］韋夢益.指向核心素養(yǎng)目標的高中物理“宇宙航行”教學改進［J］.物理教師，2023，44（8）：18-21.

［2］徐月明.從“光的折射定律”探討研究性教學設計的有關問題［J］.物理教師（高中版），2002（5）：12-14.