马文婧 郑宇晴 张轶炳

摘 要：采用探究实验指导书进行实验探究的形式对《光的偏振》一节进行教学，探究指导书的方法继承了高中物理课程标准的思想，旨在培养学生的自学能力、动手能力和创新能力。探究指导书由实验准备、储备知识、探究过程、工作单（问题卡片）几部分组成，整个探究过程教师基本不再给予指导，全程由学生自己根据探究指导书完成探究实验，教师根据课堂观察和工作单分析学生的探究情况。

关键词：探究指导书；偏振；横波；纵波

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2018）11-0028-6

培养学生自主学习的习惯，发展学生探究的能力既是高中物理课程标准的要求，也是培养创造性人才的必要条件。为培养学生的科学探究素养，现提倡采用探究教学的模式，国外有“学习环”模式、“5E”模式、预测机制学习环模式、四阶段学习环模式、元认知学习环模式等多种探究式教学模式。国内有以学生思维探究为主的探究式教学模式和以学生实验探究为主的探究式教学模式[1]，“一制二式”的教学模式[2]，“自主学习”课堂教学模式[3]等多种以探究式学习为主的教学模式。但这些教学模式多是在课堂中调整某几个教学环节，使整节课中具有一部分自主探究的内容。而探究指导书式的教学模式，是学生使用教师提前准备好的探究实验指导书，独立进行探究实验，根据指导书的引导，将自己已知的知识与新知识建立联系，将新知识整合、内化到头脑中。整个探究过程结束后，教师根据学生完成的工作单情况来判定学生的学习情况。这样的探究方式不仅可以培养学生的探究性学习能力，还可以在期末评价中加上过程评价，不以期末考试成绩作为判定成绩的唯一标准，激励学生认真完成每一次探究学习，从而达到培养探究能力和自主学习能力的目的。

1 探究指导书的设计

1.1 指导书的设计理念

基于探究指导书式的实验探究就是教师事先编写探究实验指导书，学生根据探究指导书上步骤的引导，自己完成整个探究过程。探究过程中教师不会主动给予学生指导，全部的教学活动以学生为主体。这样的教学模式，就需要教师编写一份适合学生使用的探究实验指导书。在制定探究实验指导书时，要注意探究指导书应该照顾到各个知识和技能层面的学生，储备知识是为了方便查阅已经学过的且与实验相关的知识，阅读部分是为了让学生进一步理解与本实验相关的概念或者现象。既然老师不能给予口头指导，那么需要引导的内容就得写在探究指导书里。一些阅读资料放在探究指导书里也可以培养学生阅读物理资料的能力，这种方式可以让学生体验科学家做探究的过程，增强学生学习的兴趣，增加学习的主动性。

物理是一门以实验为基础的科学，实验在物理教学中有至高无上的地位，运用探究实验进行教学，不但可以深化对物理概念的理解，更可以增强学生的动手能力和創新能力。科学探究是新课程规定的学习目标，也是新课程极力倡导的一种有助于培养学生问题意识和创新能力的学习方法[4] 。在物理教学中采用科学探究的方式可以更好地培养学生的科学素养。美国《国家科学教育标准》将科学探究界定为：科学家们用以研究自然界并基于此种研究获得的证据提出种种解释的多种不同途径，也指学生们用以获得知识、领悟科学的思想观念、领悟科学家们研究自然界所用的方法而进行的各种活动[5]。在美国教材中，其中很多内容都不是教师直接给学生讲知识，而是采用这种探究指导书的形式进行教学。大量研究表明，探究教学在学生的词汇知识、概念理解、批判性思维、探究能力和对科学的认识以及对科学的态度方面有积极的效果[6]。

探究指导书的教学方式是遵循布鲁纳的发现学习观，布鲁纳认为学习的目的不在于掌握琐碎的知识，而是在获取、追求知识的过程中学会怎样学习。这样，当学生在正规学校教育结束之后，将会独立地向前迈进[7]。使用探究指导书的教学方式对学生的评价分为两个方面，一是探究指导书中设计一些环节：“与你的老师讨论你的问题”，这时学生可以举手示意老师过来，跟老师谈他们的想法或答案，老师根据他们谈话的内容给予现场打分。二是工作单评价，每个学生都有一个记录卡片，上面有已经设计好的一些问题，要求学生边实验边回答，下课就交。这两种方式结合也能减轻教师的评价负担，所以探究指导书中的问题设计是非常关键的。科学设计的问题是可以评价学生完成探究后的学习目标达成程度的。问题设计包括了对知识目标、方法目标及技能目标的完成，问题设计应与探究过程相适应。所以在设计探究指导书时，设计者必须清晰地知道这节课需要学生达成的总目标和阶段目标。

本文以高中人教版物理教材中《光的偏振》一节为例，使用探究指导书进行教学。

1.2 探究指导书设计流程

探究指导书设计流程如图1所示，确定探究目标和准备实验仪器为课前教师准备环节，教学过程的主要部分是学生自主探究过程，这一过程分为多个步骤，针对每一环节，有相对应的问题，使学生以指导书为引导，将思绪理清，逐步进行思考、实验，回答问题，最后达到学会新知识的目的。拓展实验内容是对本节课的知识更进一步理解。考虑到学生会出现回答问题的疲劳感，工作单的问题设计不宜太多，一般不超过10个。

2 探究实验过程

图2是基于核心素养的思想确定的探究目标，物理核心素养主要由“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”四个方面的要素构成。物理核心素养对三维目标的发展主要体现在知识目标、方法目标和技能目标，每一个教学目标都有相应的探究过程，相应的过程有相对应的问题，问题与目标相对应。图2为目标、过程、问题的对应图，也是整个探究实验过程的汇总。

2.1 探究目标

①认识纵波、横波，会用图示法表示纵波、横波；

②能用弹簧通过狭缝总结出偏振的概念；

③通过网络资料查询，了解偏振片的构造特征；

④观察自然光通过一个偏振片，并结合偏振片的构造特征，说出为什么自然光通过一个偏振片以后，观察到光线变暗了；

⑤能通过两个偏振片的实验，推理出光波是一种横波；

⑥查阅资料，了解什么是双眼视觉；

⑦用偏振原理解释立体电影的原理。

2.2 学生自主探究过程

实验仪器的准备：教师为学生准备有一定重量的绳子，几个长条纸盒，波动弹簧若干，纵波、横波演示仪，偏振片组。准备记录卡片，将需要回答的答案写在记录卡片上。

过程1：学生需要有一定的储备知识，要知道横波和纵波的定义、图示及特性，小组成员查阅学过的内容，复习机械波中横波和纵波的定义，说一说什么是波的传播方向，什么是质点的振动方向，并用图示法表示出来。

问题1：纵波、横波的定义（定义中请使用术语，如传播方向、振动方向）。

过程2：看一下这个图形（纵波、横波示意图，如图3所示），你认为哪个代表传播方向，哪个代表振动方向，横波的传播方向和振动方向之间有什么关系，纵波的传播方向与振动方向成什么关系。

过程3：横波及纵波的图示。

物理学中常用图示模型直观地表示某些物理性质。我们可以用图示法表示横波和纵波，平行于表面的振动可用上下箭头或左右箭头表示，垂直于表面的振动可用黑点表示，其疏密程度也反映振动的强弱（如图4所示）。

问题2：回答图4（a）（b）（c）三个图中哪个是横波，哪个是纵波。

过程4：探究横波的偏振特性。

教师提供实验器材：一根粗的绳子或者塑料管，一根弹性较好的金属波动弹簧，一块开长方形孔的硬纸板，孔的短边与波动弹簧直径近似，长边大约为波动弹簧直径的两倍（如图5所示）。

①想办法用绳子制造出横波来，观察绳子产生波的传播方向和振动方向。可以考虑把绳子的一端固定，用手均匀地上下甩动，随着甩动，波就传播出去了。注意：为什么要均匀甩动，想想甩动的快慢与周期、频率的关系，甩动幅度与振幅的关系。（老师可以现场提问）

②将波动弹簧放在桌面上，双手拉开弹簧一段距离，用手固定弹簧的一端，另一只手沿与弹簧伸长方向垂直的方向均匀、往复、持续地抖动弹簧，让弹簧产生横波波形，注意抖动幅度不要超过纸板缝的二分之一长度。

③让弹簧波通过图中纸板的缝，调整纸板的方向，你会发现当缝长边与振动方向平行时，波形完全可以通过；当缝短边与振动方向平行时，波被阻隔。注意：如果弹簧现象不明显，可以用绳子产生横波，用弹簧是为了和下面的纵波作比较。

④用波动弹簧产生一个纵波，与产生横波不同的是，我们用手沿弹簧的中轴线方向不停地推拉弹簧，弹簧沿轴向会有疏密变化，推拉方向就是波的振动方向，轴向是传播方向，波的振动方向与传播方向相同，形成纵波。让弹簧通过纸板，调整纸板的方向，你会发现弹簧产生的纵波波形能全部通过狭缝，不受缝宽度的影响。

比較横波和纵波，若从对称性的角度来说，哪种波相对传播方向是对称的。

物理学上说，偏振是横波所具有的特性，“偏”包含着怎样的含义，你能给偏振下个定义吗？

问题3：给偏振下个定义，并用振动示意图来说明横波具有偏振性，纵波具有对称性。与老师讨论你的定义。

过程5：上面的研究发现，只有横波才具有偏振特性。那么，光波是什么波呢？请提出你的假设，并用实验验证你的假设。

①阅读材料——太阳光图示

太阳光和生活中用的光都认为是自然光源，自然光源的特性是由光源的发光机制决定的，光源发光时一秒钟会发出109个光子，每个光子发出一列波，每一列波都有一个振动方向，从统计平均的角度来看，光源发出的光在各个方向都有振动，这就是自然光。自然光的平面图如图6所示，图中传播方向垂直纸面，振动方向相对传播方向对称。

若将自然光中所有的振动投影在两个相互垂直的方向，并旋转90°，此时传播方向沿z轴。振动方向的两个投影，一个是平行于纸面的方向，用“？圮”表示；一个是垂直于纸面的方向，用“.”表示。“？圮”和“.”的疏密及数量表示光的强弱，疏密及数量相同说明两个方向的光强相等，说明振动相对于传播方向是对称的，如图7所示，这就是自然光的光学图示表示法。也可以看出是由“？圮”方向和“.”方向两个振动的合成。

问题4：观察图7，投影在两个相互垂直方向上的光，每个方向所占光的强度是整个自然光强度的几分之几？

②阅读资料——偏振片的功能

可以使自然光变成偏振光的光学元件叫偏振片（Polarizer）。人造偏振片有多种，其中一种制定方法是将具有网状结构的聚乙烯醇高分子化合物薄膜作为片基，把它浸入碘液中，经过硼酸水溶液还原稳定后，再把它定向拉伸 4～5 倍，使大分子定向排列。这种偏振片称为 H-- 偏振片。其偏振高，可达 99.5%，适用于整个可见光范围，应用范围也广；缺点是强度差，不能受潮，易退偏振等。光通过偏振片后只让与拉伸方向平行的光通过，这个方向就是偏振片的透振方向。

问题5：写出偏振片的构造特征，什么是偏振片的透振方向。

过程6：实验验证光波是横波。

实验仪器：一个光源（灯泡）、两个偏振片、一个光具座。

①先让光源通过一个偏振片，通过观察发现，光源产生的自然光通过一个偏振片以后，观察到光线变暗了。结合偏振片的构造特征及自然光的描述，猜想理想情况（偏振片没有吸收）下，自然光通过一个偏振片以后，只让一个方向的光通过。

问题6：自然光通过一个偏振片以后，发生了什么变化，透过光的光强是入射光光强的几分之几？仿照图7画出透过偏振片以后的振动图形。

（与老师讨论你的答案。）

②我们可以从图7看到自然光沿着传播方向的振动是对称的，而通过一个偏振片以后还对称吗？如何检验？

③将第一个偏振片固定，旋转第二个偏振片，反复操作，是否会观察到第二个偏振片转到一个特殊位置时几乎不透光，根据偏振片的特性，你怎么解释这个现象。你认为横波和纵波哪种波才会发生这种现象？

问题7：用光的振动图示法推论实验中为什么会出现消光现象，并由此说明光波是什么波。

（与老师讨论你的结论。）

过程7：偏振的应用。

①查阅资料——双眼视觉

双眼视觉（binocular vision）是指双眼协调、准确、均衡地同时工作，使某一物体反射的光线成像在视网膜，形成两个有轻微差异的物象，通过视觉通路传送至大脑，在皮质高级中枢进行分析、整合、加工，形成一个有三维空间深度感完整印象的过程。这也是立体视觉（stereopsis 也称空间视觉、深度觉）形成的过程，有的学者将立体视觉独立描述，这里则将其涵盖在双眼视觉形成的不同阶段内。

试着闭上一只眼，去触摸放在前面的笔尖，双眼睁开再去接触笔尖，你会发现只有双眼睁开才能准确碰到笔尖。这就是双眼立体视觉。

②立体电影的原理

回忆一下你曾经看过的立体电影，是不是需要一副特殊的眼镜，这个眼镜事实上就是两个透振方向相互垂直的偏振片，看电影时拿下眼镜看一下放映屏幕，会有两幅重叠的画面，结合双眼视觉的原理，你是否知道，这两幅重叠的影像是怎么拍出来的？

问题8：结合前面学的原理设想一下立体电影影像的拍摄与一般电影拍摄的区别。

当然，现在的立体眼镜和立体电影已经进展了很多，立体电视也已经出来。但不管怎么发展，都是利用了人的双眼视觉，两个眼睛视网膜接收来自不同方向的两幅影像，由脑神经合成为立体图像。

从上面的实验，你是不是能得出光波的一种特性，就是这种波动性，才使得光能够发生干涉、衍射。以后在学习量子力学时还会揭示光的另一个特性：光的粒子性。

【拓展】 传感器实验

刚刚我们在过程5中探究光波是横波时，旋转第二个偏振片并透过第二个偏振片观察物体，我们发现物体由出现到消失再到出现，那就说明自然光通过第一个偏振片后成为光强只有自然光强度一半的线偏振光，线偏振光再通过旋转的第二个偏振片后光强度有强弱变化，那么变化的规律是什么呢？

实验设备：激光光源，可以旋转的偏振片，光传感器，电脑（如图8所示）。

实验过程：（1）保持光源、两个偏振片、传感器共轴；（2）调节两个偏振片透振方向夹角为0°；（3）保持一个偏振片不动，另一个由0°—90°—180°—270°—360°匀速转动，观察实验结果并绘制波形图（如图9所示）。

问题9：设由第一个偏振片出来的光的光强是I1，由第二个偏振片投射出来的光的光强为I2，两个偏振片之间的夹角为α，观察图中实验记录的波形图，你试着写一下光通过第二个偏振片后光强I2的变化规律。

2.3 工作单问题对应知识学习情况

学生在完成探究实验后，将工作单提交，教师可根据工作单的完成情况来判断学生对知识的掌握情况，并完成对本节课的评价。每一个问题都有对应的知识点，问题完成较好，说明对该知识点学习较透彻；完成较差，说明对该知识点还有欠缺。对于学生普遍掌握较差的部分应进行重点讲解，以下是每个问题所对应的知识点。

问题1：巩固横波、纵波的知识，能完成该题说明学生知道横波、纵波的概念。

问题2：能完成该题说明学生已经认识横波、纵波的图示，能用图示法表示横波、纵波。

问题3：能完成该题说明学生能完成实验并总结出实验规律，理解偏振这一概念。

问题4：能完成该题说明学生学会了看自然光的图示。

问题5：能完成该题说明学生能通过自己阅读知道偏振片的构造及透振方向。

问题6：能完成该题说明学生能用图示法画出光的振动方向。

问题7：能完成该题说明学生能通过推理，得出光波是横波这一概念。

问题8：能完成該题说明学生有推理、总结能力，会应用前面所学习的内容。

问题9：该题属于拓展实验，能完成该题说明学生对于本部分知识学习较好，能根据图像推理出光强变化规律。

3 结 语

基于探究实验进行教学，使学生增加了对物理的学习兴趣，增强了动手能力，有助于培养推理和整合能力。得出结论后的成就感也会使学生更有自信。学生自己经历科学家的探究历程，不但是对新知识的一个深刻的理解，也是对旧知识一个良好的复习。本节课的探究实验，是一个完全不需要教师说话的课程，学生只需自己根据探究指导书，就可以完成对《光的偏振》一节的学习，充分发挥了学生学习的主观能动性，培养了良好的自学能力。但是，这种教学方式也存在一定弊端，这样的探究式课堂，要比讲授式课堂所需的时间更多。所以为了权衡时间问题，在教学过程中，可以采用讲授式教学和探究式教学相穿插，二者相辅相成。

参考文献：

[1]陶丽娟.高中物理探究式教学设计的研究[D].西安：陕西师范大学硕士学位论文，2010：19-56.

[2]李朝荣，李华，陈强，等.“一制二式”物理实验教学模式的探索与实践[J].实验室研究与探索，2013，32（5）：173-175.

[3]陈建华.物理课堂“自主学习”教学模式探究[J].上海教育科研，2008（5）：93-94.

[4]王慧君.科学探究教学设计：依据、实施与评价[J].中国电化教育，2013（9）：102-106，126.

[5]美国国家研究理事会.国家科学教育标准[M].北京：科学技术出版社， 1999.

[6]郝淑颖，王晶莹.论美国基于标准的物理探究教学评价[J].中学物理，2011，29（13）：3-4.

[7]李晓东，赵群.教育心理学[M].北京：北京大学出版社，2008.

[8]人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研究中心.普通高中课程标准实验教科书物理·选修3-4（第3版）[M].北京：人民教育出版社，2010：63-66.

（栏目编辑 邓 磊）