透視“光的干涉”本質一節新授課

姚芳 王姍姍 張婷玉

隨著物理微觀尺度的發展，經典物理已經不能滿足當代物理技術的發展，微觀物理成為近代物理發展的主力軍.光的干涉是波動力學的重要組成部分，是“光的本性”一章的重點、難點，更是學生第一次正式建立微觀的物理體系的開端，在高中整個物理教學中具有舉足輕重的作用.由于光的波動性的極度抽象特征，僅通過生硬的實驗觀察、數學推理大多學生很難理解光的干涉的知識內涵.有鑒于此，生態化的視角提出了透視實驗本質的教學設計，以期對“光的干涉”實驗教學的改進有所裨益.

1 問題的提出

人教版教材“光的干涉”實驗安排在明暗條紋分布規律之后，實驗之前學生已學習了光程差、相干波等基本概念.傳統光的干涉實驗教學中教師慣于借助數學方式推導，得出干涉實驗測波長公式，最后通過實驗的具體操作訓練學生動手操作能力，加深物理規律的理解.然而真正的教學實施中并未產生預期的效果，一方面雙縫干涉測波長的實驗原理推導中，以習題的形式向學生展示，禁錮了學生的思維，未經歷整個探究過程學生很難體會到數據處理時的雙重近似，不注重光的干涉實驗教學的生態化，導致教學外部效度不高等缺陷.另一方面，波長測量公式講解后，教材試圖僅通過選用實驗觀察的方式加深學生對光的干涉測波長的認識，并未指出“干涉”實驗的本質，學生在做題過程中僅靠機械式記憶來解決問題，往往缺乏對問題的實質性的理解.沒有相關的物理意義做支撐，公式蒼白缺乏厚重感，學生只能憑借機械式記憶，解題過程中干涉公式用錯不在少數.

2 溯本求源透視實驗本質

無論是部分教師還是學生，之所以對波長求解的定量推導的雙重近似產生疑問，關鍵原因在于未曾深入分析認知干涉原理.針對以上教學中出現的問題，我們以原始物理問題為問題的起始點，希冀憑借原始物理問題，透視光的干涉實驗本質.

2.1 原始物理問題理論推導

學生通過上節課的學習，定性掌握了干涉規律即：兩縫發出的波到屏的路程差是半波長偶數倍時，屏上出現疊加加強區，光能量較強，屏幕出現亮條紋.此時教師應向學生提出這樣的問題：如何利用光的雙縫干涉，測量單色光的波長？定量推出一個表達式 .光的干涉規律的探究激發了學生求知的欲望，原始物理問題的提出促進學生意義學習的進一步升華.這是一道典型的原始物理問題，由于沒有提供任何數據，學生要想解決此原始物理問題，需要在理解物理本質基礎上，在自主建立恰當的模型，設置數據給予解答，具有很強的生態性.

光波不同于機械波，光的波動性很難直接用眼睛觀察到，學生前概念中并不認同光是一種波，而雙縫干涉實驗恰恰改變了這一弊端.波長是一個微小量，直接用現有的實驗儀器很難測量出其長度值，通過光的干涉實驗不僅展示其波動性，更將光波波長這一微小量放大，我們達到測量光的波長的目的.

3 教學啟示

通過以上兩個過程，將生態化的光的干涉情景全面地呈現給學生，繼而，提出凸顯物理知識結構，彰顯光的干涉的物理學本質，適合學生認知發展水平的教學設計，歸結上述教學設計，我們總結以下兩點啟示.

3.1 完美詮釋光的干涉教學的生態化

物理教學中強調在真實、自然的情境中研究物理規律，這種真實情景既不局限于嚴密的數學推演也不局限于習題集，而是將原滋原味的物理情景展現給學生.傳統教師進行光的干涉物理知識的建立時，未能充分捕捉學生學習的難點，面對龐雜的物理系統，學生很難將光的干涉知識內化.我們知道，波長是一個微小量，光的干涉的過程是微觀機制的變化過程，學生很難對抽象干涉有感性的認識，干涉現象中，通過引入光的干涉測波長的原始物理問題提出，給學生創造了一個真實鮮活的物理情景，學生相互討論，進行求解，在此過程中經歷物理問題的抽象、賦值、將整個數學過程進行抽象近似，充分調動了學生的積極性，完美詮釋了物理教學的生態化，保證物理教學較高的外在效度及較高的應用價值.

3.2 深刻把握光的干涉實驗的本質

我們知道，人們對物理問題的認識總是在觀察、實驗的基礎上，再經過一系列的科學抽象，從現象深入到本質，從感性上升到理性，最后形成物理理論.很多光的干涉的實驗僅停留在演示實驗階段，只起到了直觀教學的作用.然而真實的實驗教學中不僅應該向學生講清楚整個實驗的原理，更應該向學生講清楚為什么要做這個實驗，以及這樣的實驗設計有什么樣的好處.光的干涉實驗不僅要從視覺現象上給學生以直觀的感受，還要對實驗結果給與解釋，通過明暗相間條紋的實驗觀察，干涉條紋形成的微觀機制被著意放大，降低了學生空間思維的難度，培養了學生的空間想象能力，使光的干涉機制與干涉條紋規律得以恰到好處地鏈接，達到微觀機制到宏觀實驗現象的完美過渡，精致關照了學生思維內化的過程.學生通過把握物理內涵，繼而深刻理解光的干涉實驗的本質.