從生活走向物理，從建模到科學(xué)探究

王金瑞 劉家盛

《光的折射規(guī)律》這節(jié)課是獲得全國第十二屆青年教師大獎賽一等獎的一節(jié)課，本節(jié)課設(shè)計是從關(guān)注生活、從生活走向物理、光的折射是以光的直線傳播和光的反射為基礎(chǔ)展開的，在研究方法上存在一定的相通性，本課通過欣賞圖片——倒影，讓學(xué)生從反射現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)新問題； 通過觀察實驗，發(fā)現(xiàn)光發(fā)生偏折并讓學(xué)生自主歸納出光的折射，提高學(xué)生的觀察、歸納能力；通過讓學(xué)生分工合作、自主探究光的折射，實驗完成后交流數(shù)據(jù)；然后學(xué)生發(fā)表觀點，形成相對完備的關(guān)于兩角、三線之間以及可逆等關(guān)系的結(jié)論，提高學(xué)生的科學(xué)探究能力；通過游戲鞏固規(guī)律，并發(fā)現(xiàn)新問題，通過建立模型方法找到解決三線是否共面的方法，在得到較為完整的折射規(guī)律的同時提高學(xué)生的建模思想；通過瞄準(zhǔn)活動，了解折射規(guī)律在生活中的應(yīng)用；最后了解自然界中豐富多彩的折射現(xiàn)象，領(lǐng)略自然的美妙。

教學(xué)片段一

（導(dǎo)入新課）

師：同學(xué)們，屏幕上有一正一倒放置的兩張照片，你能找出正放的那張嗎？有請！

生：第一張。

師：正確，你的依據(jù)是？

生：水面的倒影會暗一些。

師：完全正確，請坐！更暗，說明進(jìn)入眼睛的光較弱，而倒影是光的反射形成的，莫非有一部分光沒有反射回來？我們用實驗來檢驗一下，如圖1所示，為了顯示光路，老師制作了一個煙霧噴射器，請仔細(xì)比較兩條光線的亮度。你觀察到較弱光線是？

生：（觀察后）反射光線。

師：這說明我們的推斷是正確的，還有一部分光到哪里去了呢？

生：進(jìn)入了水中。

師：有道理。光從空氣進(jìn)入水中，會沿著空氣中的方向繼續(xù)傳播嗎？仔細(xì)觀察（揭開擋板），你的觀察結(jié)果是？

生：不會。

（方向發(fā)生了改變。）。

師：光從空氣進(jìn)入水中，傳播方向發(fā)生了改變，光進(jìn)入其他介質(zhì)時，傳播方向是否也會發(fā)生改變呢？物理學(xué)中，光從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時傳播方向發(fā)生改變的現(xiàn)象，叫做光的折射。

教學(xué)賞析：引入新課，從生活中的美圖開始。創(chuàng)設(shè)情境，從圖中找出本節(jié)課的關(guān)鍵詞。光的反射與折射，通過觀察水面，發(fā)現(xiàn)光線的強(qiáng)弱，從而提出光線在水中是如何傳播的，這樣做的目的是讓學(xué)生通過觀察自主發(fā)現(xiàn)新問題，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。

教學(xué)片段二：建立光路圖

師：類似光的反射，我們可以根據(jù)折射現(xiàn)象，畫出光路圖。（板書：畫圖）畫一條水平線代表介質(zhì)分界面，上方是空氣，下方為水?？諝庵猩湎蛩娴墓饩€AO叫作？

生：入射光線。

師：過入射點作介質(zhì)分界面的垂線NN′稱作？

生：法線。

師：進(jìn)入水中的光線OC可以怎么稱呼呢？

生：折射光線。

師：顯然，折射光線發(fā)生了偏折，如果折射光線往法線方向偏折，叫做偏向法線；反之稱作偏離法線。另外，入射光線與法線的夾角叫做入射角α，折射光線與法線的夾角就稱作折射角γ。

教學(xué)賞析：運(yùn)用教學(xué)遷移的方法，將探究光的反射方法遷移至探究光的折射規(guī)律，教學(xué)過程中采用了一個自制的實驗器材，如圖1所示。教學(xué)中，將紙板揭開演示光從空氣進(jìn)入水中的傳播情況，可以觀察到光線射入水后方向發(fā)生了改變，通過分析投影中光從空氣斜射入水中的偏折現(xiàn)象到觀察普遍存在的偏折現(xiàn)象，建立起折射的概念。這一教學(xué)過程的實施滲透了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)探究思想。教學(xué)過程中介紹折射光線和折射角，為學(xué)生自主探究光的折射提供基礎(chǔ)。

教學(xué)片段三：制訂計劃

師：光折射時線與線之間，角與角之間究竟有怎樣的規(guī)律呢？這就需要我們通過實驗去探究！考慮到規(guī)律的普遍性，我們必須不斷改變實驗條件反復(fù)實驗，這需要很長的時間，如何在短時間獲得大量的實驗數(shù)據(jù)呢？

生：分工合作！

師：很好，今天我們就分工合作，一起探究光在空氣和玻璃間的折射規(guī)律。你認(rèn)為影響折射角的主要因素是什么？

生：入射角。

師：入射角是入射光線與法線的夾角，如果繞入射光線入射點順時針旋轉(zhuǎn)，則入射角如何變化？

師：今天同學(xué)分為四組，分別去觀察對應(yīng)區(qū)域內(nèi)不同入射角下的折射現(xiàn)象并加以記錄，完成實驗后，組長匯報本組實驗數(shù)據(jù)，再一起分析數(shù)據(jù)得出實驗規(guī)律。實驗器材有實驗記錄單，玻璃磚，激光筆，帶底座的小圓筒，記號筆，以及刻度尺。為了更好地完成實驗，請同學(xué)們先觀看一段視頻。

生：觀看視頻。

教學(xué)賞析：通過觀看視頻，制定科學(xué)探究的方案，這是因為探究的根基在于制訂計劃，探究之前要求學(xué)生做到：

1.確定研究主題及任務(wù)分工。考慮到規(guī)律的普遍性需要大量實驗數(shù)據(jù)，從而提出大家分工合作，共同完成實驗，再共享數(shù)據(jù)，一起分析交流。

（1）確定研究對象：研究光在空氣和玻璃間的折射；（2）尋找實驗變量：影響光在空氣和玻璃間的折射的因素；（3）明確任務(wù)分工：四大組分別去觀察對應(yīng)區(qū)域內(nèi)，在不同入射角下的折射現(xiàn)象并加以記錄；（4）明確交流方案：完成實驗后，組長收集組內(nèi)數(shù)據(jù)和大家分享，再綜合分析后總結(jié)出較為普遍的實驗規(guī)律。

2.介紹實驗器材及其使用

實驗器材：第一組：玻璃磚，激光筆1支，實驗表格1張，刻度尺1把，記號筆1支。

學(xué)生實驗，教師適當(dāng)提供幫助，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行交流。

利用視頻介紹具體的操作方法。

3.學(xué)生實驗：指導(dǎo)學(xué)生實驗

在以上的鋪墊之后，加上學(xué)生已經(jīng)經(jīng)歷過探究光的反射定律及平面鏡成像的過程，對光的反射規(guī)律有較為全面的理解，從而遷移到探究光的折射規(guī)律上來，這樣做既可以提高學(xué)生的自主探究能力，也可以增強(qiáng)科學(xué)探究意識。

教學(xué)片斷四：分析論證

師：感謝大家的分享，各組觀察到的現(xiàn)象各不相同，接下來進(jìn)入探究的關(guān)鍵環(huán)節(jié)：分析與論證。各組實驗條件各有兩個，面對多變量問題，我們采取什么方法進(jìn)行研究？

生：控制變量。

師：得到的結(jié)論是？

生：折射光線的位置和入射光線的位置相反。

師：能否遷移光的反射定律中關(guān)于三線位置關(guān)系的描述呢？

生：折射光線和入射光線分居法線兩側(cè)。

師：第一條規(guī)律：折射光線和入射光線分居法線兩側(cè)。如果入射光線在法線上方，折射光線在哪里？

生：法線的下方。

師：繼續(xù)分析，可以發(fā)現(xiàn)折射光線的偏折情況及兩角的大小關(guān)系總是同步變化的，因而可以合并研究。分析你可以得出什么結(jié)論。

生：光從空氣進(jìn)入玻璃時，折射光線偏向法線，折射角小于入射角。

生：光從玻璃進(jìn)入空氣時，折射光線偏離法線，折射角大于入射角。

師：老師假設(shè)入射角減小到零度，即沿著法線垂直射向玻璃或者空氣，折射光線還會偏折嗎？

生：不發(fā)生偏折。

師：非常棒的推理，但是再完美的推理也必須經(jīng)得起實驗的檢驗?，F(xiàn)在請以最快的速度，用激光筆沿著法線入射，看是否觀察到一條直線。比比看哪組最快，開始實驗！

師：光垂直射入玻璃（或空氣）中傳播方向不變。這不就和第二條規(guī)律產(chǎn)生矛盾了嗎？你能對第二條規(guī)律加以修正嗎？

生：第二條不能包括垂直入射的情況，可以把進(jìn)入改為斜射入。

師：非常好，這個經(jīng)驗告訴我們，在科學(xué)探究時，對實驗過程及結(jié)論的評估是極為重要的。

師：在光的反射現(xiàn)象中我們也觀察到了這樣的現(xiàn)象，稱之為光路的可逆性。大量實驗表明，折射現(xiàn)象中，光路是可逆的。

教學(xué)賞析：分析數(shù)據(jù)，形成結(jié)論，這是每一個科學(xué)探究所要得到的結(jié)果。如何引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行數(shù)據(jù)分析就很關(guān)鍵，本節(jié)課老師采取了以下手段：

1.小組發(fā)表意見，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行交流對比，找出產(chǎn)生不同意見的原因。

2.引導(dǎo)學(xué)生類比光的反射定律總結(jié)規(guī)律：（1）折射光線和入射光線分居法線兩側(cè)。（2）光從空氣進(jìn)入玻璃時，折射光線偏向法線，折射角小于入射角。光從玻璃進(jìn)入空氣時，折射光線偏離法線，折射角大于入射角。

3.繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生對組內(nèi)的現(xiàn)象進(jìn)行現(xiàn)象分析，發(fā)表觀點，得到：

（1）入射角增大，折射角也增大。（2）推理，得到結(jié)論并驗證：光從空氣垂直入射到玻璃中，傳播方向不變。

4.引導(dǎo)學(xué)生評估結(jié)論，對第二條規(guī)律進(jìn)行了修改，由特殊現(xiàn)象猜想普遍現(xiàn)象：光路是可逆的。并告知其普遍性。

5.評估實驗方案中的不足之處，指出光從空氣進(jìn)入水中及其他介質(zhì)中也遵循相同的折射規(guī)律。如果同學(xué)們對其他情況感興趣，可以找到老師，課后繼續(xù)研究。

教學(xué)片斷五：三線共面

師：三線共面，我們剛才的實驗得到了這條規(guī)律嗎？

生：沒有。

師：也就是說，這是你的猜想對嗎？很好，科學(xué)需要大膽的猜想！謝謝你出色的表現(xiàn)，請先回座位。下面我們就來探究這個大膽的猜想。

師：為了便于理解，老師制作了一個折射模型。這是入射光線，這是折射光線，這是法線，上方為空氣，下方為水。按照同學(xué)們的猜想，先將它們放在同一平面內(nèi)，取下上半部分法線，從法線的正上方看下去，可以發(fā)現(xiàn)：此時法線為一個點，折射光線與入射光線和該點連接成一條線，這條線有什么特點呢？

生：……

師：現(xiàn)在你認(rèn)為判斷三線是否共面可以從哪個方向觀察？觀察什么？

生：從正上方觀察折射光線與入射光線是否連成一條直線。

師：很好，可是從正上方觀察并不方便，我們在水槽上方放置一個與水平面成45度角的平面鏡！根據(jù)光的反射定律，豎直向上的光就會沿水平方向射出。為了更好觀察，老師在正前方安裝一個攝像頭，你也可以通過屏幕觀察現(xiàn)象。

生：折射光線與入射光線、法線在同一平面內(nèi)。

教學(xué)賞析：折射規(guī)律中的三線共面是一個難點，雖然課程標(biāo)準(zhǔn)中沒有詳細(xì)的要求，但教學(xué)實際中一定會遇到這類問題。老師通過游戲體驗，幫助學(xué)生建立模型，讓學(xué)生形成研究物理無問題時要首先建立物理模型，模型建立了，但三線共面的問題沒有解決，老師又通過實驗與光的反射進(jìn)行對比實驗，尋找證明三線共面的辦法。這樣做可以寓教于樂，消除學(xué)習(xí)疲勞；通過建立模型，應(yīng)用數(shù)學(xué)方法解決物理問題，感受學(xué)科交叉與滲透的意義。

教學(xué)環(huán)節(jié)與過程的設(shè)計，你是為教師，還是為學(xué)生，這是一個前提。教學(xué)過程的實施，是體現(xiàn)一個教師基本素養(yǎng)的過程，要根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知特點優(yōu)化教學(xué)。優(yōu)化教學(xué)的途徑有很多，如學(xué)習(xí)興趣、實踐意識、分析習(xí)慣、科學(xué)態(tài)度、方法能力，每節(jié)課要因地適宜的選取優(yōu)化的途徑。

（作者單位：江西省教育廳教研室；江西省南昌市三中）

□責(zé)任編輯：程 璐

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