有關光的STEM活動案例——照亮世界的光

單元內容概要

在這個對光進行探究的單元中，學生學習描述光與物體相互作用的5個詞匯：透明、半透明、不透明、反射和折射。在動手活動中，學生探索各種材料，研究它們是如何與光相互作用的，并學習使用半透明、透明、不透明、反射和折射等5項特征，來描述光與物體的相互作用。

與工程學的聯系

我們每天能夠看到很多東西是至關重要的。工程師和科學家們已經發明了很多照明設備以幫助我們在黑暗中看到物體。燈光工程師設計用于我們居住和工作地方用的照明系統。如果沒有他們的專業知識，由于惡劣的照明條件和人的視覺疲勞，我們每天看到的景象將會變差。對于光的原理的理解，使工程師們創造新型的照明設備，設計更節能和更符合人體視覺要求的燈泡和裝置。而為了設計照明系統和新的設備，工程師必須理解光的性質，以及光是如何與不同材料相互作用的。

第1部分了解有關光的知識

學習目標

這部分內容結束后，學生們應該能夠：

·解釋光的發射和折射。

·舉出能夠反射和折射光的物體的例子。

·能夠對以下詞匯進行基本的解釋：透明、半透明、不透明。

詞匯和定義

透明：讓絕大部分光通過，形象得以保留。

半透明：讓部分光通過，散發出一種彌漫輝光（形象不像通過透明玻璃那樣清晰）。

不透明：沒有光通過，可能被反射或吸收。

反射：光的方向發生改變，就像從表面反彈回去一樣。

折射：當光從一種透明介質傳輸到另一種介質時發生的光波彎曲的傾向。

課程引入

教師提出問題：在漆黑的環境下，例如海底，沒有光，又如何能在水下看到物體呢？

教師進行演示：對學生什么也不說，關閉教室上方的燈，并在學生面前打開一個小燈。用手電筒照在黑暗的墻上、鏡子上和鋁箔上。將1支鉛筆放在1杯水中，并用光照射（會看到在水和空氣的界面處，鉛筆發生了彎曲）。問學生他們認為這節課的內容將是什么。

要在漆黑的環境下用眼睛看到海底世界，就必須要有光。而光，即使是一直在我們身邊，也很難去理解。今天我們要重點學習科學家和工程師們用來解釋光與不同類型的物體或材料相互作用的5個詞匯。我們將要談論的這5個詞匯是：透明、半透明、不透明、反射和折射。現在，我要你們全都認真觀察我演示給你們的光傳播的例子。

教師演示

·用手電筒照射1塊干凈的玻璃，問學生玻璃是否能夠傳導光（讓光通過）。（學生回答：是的）告訴他們玻璃對光是透明的。

·接下來，用手電筒照射1張蠟紙。再次問學生蠟紙是否能夠傳導光。（學生回答：有一些光能夠通過，但有一些沒有）進行解釋：一些光能夠透過紙，有一些則被吸收了，還有一些被反射回去了（反彈）。蠟紙對光是半透明的。問學生：你們還能想到什么東西是半透明的？（可能的答案：有些浴室的窗戶、云、某些類型的玻璃器皿、薄的面料和窗簾，可能還有樹葉）

·現在用手電筒照射1本書。問：書能夠傳導光嗎？（學生回答：不能）問：發生了什么？（回答：光被吸收了，還有一些被反射了）書對光來說是不透明的。問學生他們能夠想到的不透明物體的例子。（可能的答案：墻、樹、我們的身體、家具）

·然后用手電筒照射鏡子，保持鍍銀的那面朝向你，而不是學生。問學生鏡子是否是不透明物體。（學生回答：是的，沒有光能夠穿透鏡子鍍銀的那面）問：光是否是都被吸收了？（答：不是）向他們展示光通過鏡面反射到地上、墻上的現象。鏡子和其他表面反射光。

·最后，舉起一個棱鏡或者放大鏡、1瓶水，放1個物體在它后面，問：物體看上去和原來一樣嗎？（答：不一樣）為什么看上去會不同呢？（答：光在通過透明物體時會彎曲，改變了物體的形狀）當光從一個透明介質通過到達另一個介質時，光波有彎曲的趨勢，這叫做折射。

反射和折射在改變光的傳播方向方面是一樣的，區別在于光是否穿過材料。當光被反射時，它彎曲離開表面而不通過材料。折射發生在光穿過物體時的2個透明介質之間的邊界處。光線彎曲，就像反射，只是它彎曲進入物體，而不是離開它。

（教師還可以事先準備一些生活中有關光的5種特征的幻燈片與全班分享。在后面的“動手做”環節中，教師將與全班一起討論以上5個詞匯的定義）

評測

使用1個KWL表（知道Know/想知道Want to Know/學習Learn）

前測：要求學生在KWL表（1張白紙或者小組記錄板）的左上角標題處寫下：K（知道），以及所有他們已經知道的光的內容。讓學生在課堂上分享他們的答案。

課程中的評測：要求學生在KWL表右上方標題處寫下：W（想知道），要求學生寫下任何他們想知道的光的內容。花幾分鐘時間四處看看學生寫的內容。邀請學生在班上分享他們的答案。

第1部分的總結性評測：要求學生在KWL表的下半部分寫下：L（學習），記錄下他們在這一部分所學到的內容。要求學生分享他們所學到的內容，在黑板上記下他們的回應并討論。

擴展活動

與學生們討論一些照明設備和燈泡為什么比其他的設備節能。要求學生們研究白熾燈和熒光燈的不同，并在全班報告。邀請一位燈光工程師向全班同學介紹他們的設計項目。

現在讓我們想想我們的2個勇敢的冒險者吧！為了看到沉船，Angie和Harmon將不得不找到辦法把光打到海底。有人有好辦法幫他們做到這一點嗎？讓我們一起來吧！

第2部分“動手做”活動——當光遇到物體

學習目標

經過活動，學生應能：

·研究光是如何與1個物體相互作用的。

·描述1個給定的物體是透明、半透明還是不透明。

·判斷光在遇到1個物體時是否反射、折射或直接通過。

材料（全班分為2組）

每個小組需要

·記錄單

·筆

全班需要

·幾本書

·至少l～2面小鏡子

·至少1—2枚放大鏡

·至少1～2個放有鉛筆和清水的玻璃杯

·3～4個空玻璃杯

·幾張蠟紙

引入/激發興趣

既然我們已經談論了關于光的5個重要詞匯，現在是你們一起研究幾個物體，來看看他們是怎樣與光相互作用的時候了！首先，我們需要想出一種簡單的方法，來記住我們的新詞匯的意義。讓我們把這些詞寫在白板上，看看我們能不能清楚地說出它們的意思（將下面的詞寫在白板/黑板上：透明、半透、不透明、反射、折射）。

你能簡短地說出每個詞的意思嗎？（讓學生舉手回答。如果學生感到困難，和他們一起想出這些詞的簡單定義，并將它們寫在各個詞的后面。提醒學生，如果他們在活動時不確定這些定義，就回頭看白板/黑板。下面是一些例子：“透明”表示干凈清楚；“半透明”表示要看過去有點難；“不透明”表示你完全看不過去；“反射”表示光又返回到我這兒了；“折射”表示光打了個彎進入了物體。）

每個人都做得很好！既然我們都理解了我們的新詞匯，現在我要將全班兩兩分組，請你們來研究10種不同的物體。它們中的8種列在你們的記錄單上，還有2種大家可以任選。

好了，我們馬上就可以開始了，不過我還有個問題要問你們：光與工程有什么關系？（答案見“活動前測”）讓我們想一想，看看會有什么答案。誰想要分享他的答案？太棒了！你是正確的——照明工程師為從小房間到大音樂廳的各種空間設計照明。還有工程師設計新型燈具，包括更節能的，也就是說消耗更少能源的。既然你們對工程了解得那么多，就讓我們開始研究吧！

活動步驟

背景：這個活動的目標是讓學生研究不同材料，看看它們是半透明、透明還是不透明，以及它們是否反射光、折射光或讓光通過。記錄單中的“我的備注”是讓學生寫下他們關于各個物體的任何額外發現或問題。

活動前：收集材料；復印記錄單，每組1張。

活動中

·全班一起提出這5個新詞（透明、半透明、不透明、反射、折射）的容易記住的定義。（見“引入/激發興趣”部分）

·將全班學生兩兩分組。

·分發記錄單。如有需要，在學生研究記錄單上的物品時鼓勵和幫助他們。

·協助學生再選擇2個物體進行研究。

·一旦學生完成了記錄單，將全班再次召集到一起。將透明、半透明和不透明的物體歸到一起，請學生幫助你將它們按從透明到不透明的順序排成一列，依據是透過它們看清物體的程度。討論各個物體的透明度的差別。

·給學生時間去分享他們通過這個活動有什么發現，以及他們選擇了哪2種物體來研究。

·回顧5個生詞，以及為什么工程師對光感興趣。（答案：光幫助我們看東西，工程師設計和制造新的照明設備，為公共和私人空間設計照明系統）

評測

活動前測（問問為什么）：詢問學生“光與工程有什么關系”。確保在進行交流前給學生一些時間思考。討論在工程中使用光的各種方法，包括制作滿足各種目的的新燈具和燈泡、設計更節能的燈、為公共或私人場所設計照明方案。讓學生知道做這些事情的工程師被稱作照明工程師。

活動過程中的評測（觀察和互動）：通過觀察學生的探究過程評測學生的理解情況，在適當的時候給予幫助。學生在區分反射和折射時通常需要幫助，因為這2個詞聽上去意思有些相像。

活動后測（單詞回顧）：從白板上擦除詞匯的定義，給學生時間思考它們的定義。邀請學生分享他們的想法，并寫在白板上。

擴展活動

進一步探索光和影，讓學生使用手、物體及幕布后的光源做“皮影戲”。

將各種顏色的物體放置在陽光充足的窗戶前，讓學生比較它們的升溫。詢問學生為什么他們認為暗色的物體感覺更暖和。討論是因為黑色的物體吸收更多的光能，所以才會更暖和。

使用鏡子開展反射實驗。讓2個學生站在與鏡面成相同角度的地方，觀察能從鏡子中看到對方的現象，盡管他們沒有一個人是直接站在鏡子前的。

和學生討論在粗糙的白紙（使光發生散射）上用黑色墨水（使光看不見）寫的字更適宜閱讀的原因。