周天业

(江苏省南通第一中学,江苏 南通 226001)

研究课例与课堂,不断改进并优化教学,是促进学生核心素养发展的关键途径。基于《普通高中物理课程标准(2017年版)》的人教版教材,在“光的折射”编排上与旧版教材有一些差别,例如强调通过实验测量多个入射角和折射角,再寻找这些数据之间的关系,将波长和温度条件增加在介质的折射率表格中。教材内容的这些变化对教学有着怎样的启示?笔者在理解教材编写意图的基础上,结合学生的实际状况构建“光的折射”学习经验,以促进学生核心素养的发展。

1 模型建构：科学思维的立足点

高中“光的折射”教学是在初中定性了解其特点的基础上开展的定量探究,对学生而言,折射定律的数学表达及应用并不难,难在如何确定光线及角度。因此,在教学过程中要引导学生建构光的折射模型。

活动1：利用水、激光笔、玻璃缸等器材做光的反射、折射演示实验。学生观察到光的传播现象,唤醒脑海中已有观念,认识实验中光的反射和折射现象。组织学生运用物理语言描述观察到的现象,从而激活入射光线、反射光线、折射光线、入射点、分界面、法线、入射角、反射角等概念。

设计意图：通过实验激活学生已有的物理观念,既能调动学生学习的积极性,又能有效唤醒与光的反射、折射现象相关的概念。

活动2：引导学生利用身边的实验器材做实验,记录实验现象。学生根据实验现象画出光路图,并标识出所激活的概念;初步建构光的折射模型,进一步理解相关概念。

设计意图：光的折射模型既不能凭空想象,也不能灌输给学生,应引导学生在实验观察的基础上通过记录所观察的现象建构而成。这样的教学既符合学生的认知逻辑,又契合物理学科逻辑,为后继的实验探究打下基础。

活动3：演示如图1所示的实验,描述该实验中的折射现象。分析折射现象中的法线和分界面,深刻理解相关概念。

图1

设计意图：由于学生在问题解决中遇到弯曲分界面的情况时,难以准确判断折射角,究其原因是学生未能深刻理解分界面的概念。上述活动旨在帮助学生更好地认识法线和分界面,对于分界面是曲面的情形,引导学生从法线的视角分析,认识到：过入射点垂直于法线的面是分界面。

2 初、高中学习衔接：学习经验的生长点

活动4：基于实验现象回顾光的反射定律与光的折射规律,对比光的反射和折射,寻找相同点与不同点,点明本节课的主要课题：探究折射角和入射角之间的定量关系。

设计意图：创设实验情境,让学生回顾初中已学内容,对比光的反射和折射,发现光的反射定律中反射角和入射角的关系是定量描述,而光的折射规律中折射角和入射角的关系是定性描述,追求严谨的量化表达是物理学的任务之一,从而点明本节课要解决的主要问题：在光的折射中,入射角和折射角有怎样的定量关系?在激活学生已有知识的基础上,通过对比分析,形成并表述问题,从而引发学生的学习,完成初、高中教学的有效衔接。

活动5：测量光在发生折射时的折射角、入射角。

设计意图：遵循物理学科的逻辑,要研究两角之间的定量关系,就必须先测得两角的具体数值,让学生测量角度,一方面培养学生数据收集的能力,另一方面为后续测量玻璃的折射率打下基础。

3 规律探究：物理观念的落脚点

在光的折射规律探究中,要让学生猜想出两角的正弦之比是定值是难以完成的任务,学生往往从角度本身出发,探索两角之间的关系,这与光的折射规律的发现历史具有内在相似性。在光的折射研究中,托勒密首先提出：入射角和折射角大致成正比。阿勒·哈增发现托勒密的结论与事实不符,开普勒指出：当θ<30°时,折射角正比于入射角,当θ>30°时,折射角的余割与入射角的余割成正比;斯涅尔发现：入射角的余割与折射角的余割之比为一常量,笛卡尔则给出了现在折射定律的形式,费马从经济原则出发推导出相关规律和公式。在光的折射定律的探究过程中,可采取历史重演方式,引导学生找寻规律。

活动6：根据学生的猜想,利用数据进行验证。对于成正比的猜想,先用Excel拟合角度较小的情况,发现入射角和折射角大小基本上成正比。再拟合所有数据,发现大角度时上述关系不再成立。

设计意图：学生的猜想要用实验来验证,通过数据分析,既能让学生体验到初步成功的快乐,也能让学生感知完整数据分析后的迷茫。

图2

设计意图：不愤不启,不悱不发,只有在学生苦思冥想还想不出两角之间关系时,教师借助于科学史,展示斯涅尔的观点,并让学生基于这一观点推理两角关系,培养学生的科学推理能力。

活动8：根据学生推导出的两角正弦之比是常数的结论,引导学生利用数据验证这一关系是否成立。

设计意图：学生根据斯涅尔的观点推出两角正弦之比是常数,这仅仅是一种猜想,是借助于科学史,经科学推理而形成的猜想,是否正确需要用实验来验证,以培养学生的科学论证能力。

在表述光的折射定律的基础上,提出问题：每个小组的比值相同吗?如果比值不相同,那是什么原因造成的?学生认为小组间比值的不同可能是因为实验误差引起的,但每小组内比值在小数点后第二位才有差异,而组间的比值差异出现在小数点后第一位,从而论证这不太可能是由于实验误差造成的。哪么会是什么原因呢?教师引导学生猜想,可能是各组所用玻璃砖对光的折射能力不同,由此引出折射率的概念。折射率是衡量材料光学性能的重要指标,可以用折射率来区分物质,进而展示课本上折射率表格,不同材料的折射率一般不同,同种材料的折射率也不一定相同。

活动9：各组实验测得玻璃砖折射率不同的原因是什么?折射率的大小与物质密度有关吗(开普勒认为折射力与介质的密度成正比)?课本上几种介质的折射率表格中为什么要设定波长和温度?

设计意图：培养学生阅读表格、提取信息、分析论证和迁移的能力。学生测出玻璃的折射率是1.5～1.8,说明各组玻璃砖的折射率不同;对比几种介质的折射率表格中的数据发现：酒精相对于水密度较小但折射率较大,氯化钠相对于水密度较大而折射率也较大,由此判断折射率的大小与密度无直接联系。设定波长,引导学生联想到初中所做的光的色散实验,通过三棱镜的太阳光之所以被分解成各种色光,是因为对于同种介质而言,不同色光的折射率不同,表明波长和介质的折射率有关,波长越长,折射率越小;温度也会影响介质的折射率,一般而言,折射率随温度升高而减小。

4 实验测量：科学探究的支撑点

对于学生而言,教材中所给出的原理与方法和他们的原认知有冲突,学生认为：测量玻璃砖的折射率时可用激光显示光路的方法确定光线,从而测量角度。针对学生的这些观点,在教学过程中要暴露学生观念的缺陷,让学生自主斟酌,确定实验原理、实验方法、实验步骤、数据处理方法等。

设计意图：改变“教师讲,学生做”的常见做法,让学生合作讨论,探讨实验方案的可行性,从而确定测量折射率的原理。在粗测过程中发现用激光显示光路存在较大误差,培养了学生的批判性思维。

活动12：引导学生阅读课本中实验内容,思考：如何确定入射光线、折射光线、分界面和法线?这样确定光线的原理是什么?学生自主确定实验步骤并交流。

设计意图：学生很难想到用插针法测量玻璃砖的折射率,因此让学生带着问题阅读课本,在问题解决的过程中掌握实验方法和技巧,自主确定实验步骤。这样的设计不仅可以培养学生的科学思维,还可以将实验步骤的确定权交给学生,促进学生实验探究能力的提升。

学生按照确定的实验步骤进行实验,收集并处理数据,计算玻璃砖的折射率,并对实验误差进行分析。

5 结语

为了促进学生核心素养的发展,应确立学生的学习主体地位,让学生在真实情境中自主发现问题、分析问题和解决问题。教师是学生学习经验的提供者,是学习情境的创设者,是学生深度学习的促进者。在教学设计过程中要从核心素养的视角全面整合学生的学习经验,尤其要充分考虑学生初中阶段的学习经验,提高学生的科学思维能力和科学探究能力,促进他们形成科学态度与责任。