《光的全反射》探究式教學設計

王漫　代偉　杜倩　蔣金華

【摘要】光的全反射是幾何光學的重點和難點，生活中的許多光學現象都與光的全反射緊密相關.通過教學過程的再現，以解決問題為核心、以實驗探究為主線、以啟發思考為原則、以師生互動為紐帶，在教學中充分體現“從生活走向物理，從物理回歸社會”的教育理念，強調物理與生活的有機交融.

【關鍵詞】光的全反射 實驗探究 教學設計

一、教材分析

（一）教材內容的地位和作用

《光的全反射》是教育科學出版社高中物理選修3～4第四章第3節的內容.

從內容上來看，本節內容是學生在學習光的反射與折射后又一種新的光學現象，本節內容主要研究的是光的全反射現象、全反射產生的條件、臨界角以及全反射的應用.

從教材編寫的角度來說，教材先介紹光疏、光密介質，再根據觀察思考的實驗得出全反射的現象以及全反射產生的條件，運用折射定律推導臨界角與折射率的關系，最后簡單介紹光纖原理.

從情感上來說，本節內容理論與實驗聯系十分緊密，充分體現了科學探究的課程理念.

（二）教學目標

根據新課程標準，確定如下三維目標：

1.知識與技能目標

（1）認識光的全反射現象并理解光的全反射條件；

（2）理解臨界角的概念并能計算臨界角；

（3）了解光導纖維的工作原理和光纖在生活中的應用.

2.過程與方法目標

（1）通過參與科學探究活動，觀察光的全反射現象，得到光的全反射條件，從而培養學生的觀察能力、歸納概括能力；

（2）通過學生分組實驗，培養學生團隊合作、交流討論的能力.

3.情感態度與價值觀目標

引導學生加深臨界現象中量變引起質變的認知，從中領略物理之美，樹立物理知識在實際生活中的蘊涵理念.

二、學情分析

（一）知識層面

通過之前的學習，學生已經掌握了光的反射定律和折射定律以及基本平面幾何知識.

（二）能力層面

經過之前的學習，具有一定的抽象思維和分析概括能力，能基本實現由現象到規律的歸納總結，但是部分學生的抽象思維和空間想象能力還比較低，對臨界的概念還比較模糊.

（三）心理層面

1.重點難點

確定依據：全反射現象在生活中十分廣泛，但學生卻不易察覺，因此，認識光的全反射現象以及全反射產生的條件是本節課的教學重點，而臨界角的理解以及解釋生活中的全反射現象是本節課的教學難點.

教學重點：通過對實驗的觀察認識全反射現象以及探究全反射產生的條件.

教學難點：臨界角的理解以及解釋生活中的全反射現象.

2.教法學法

教法：以演示實驗為主，觀察法為輔，結合講授法.

學法：探究學習、合作學習.

3.教學資源

自制光控音響、光導纖維、自制全反射水槽、激光筆、自制光的全反射演示儀、多媒體.

4.教學過程

（1）創設情境，引入新課。教師活動，演示光控音響，如圖1。簡單介紹光控音響的原理，將透明塑料管子一端連接光控開關，另一端連接激光筆，打開激光筆，音響發聲，引導學生思考為何管子可以導光？演示激光舞動，如圖2：激光筆垂直水槽入射，水槽中的光線呈直線，逐漸傾斜激光筆，水槽中的光線變為美麗的折線，引導學生觀察并思考為何水槽中的光線可以變為美麗的折線？

學生活動：觀察演示實驗現象，思考教師所提問題.

設計意圖：通過演示實驗引起學生的注意，激發學生的好奇心、求知欲以及學習熱情，活躍課堂氣氛與學生思維，激發學生對所學內容的興趣.

（2）復習舊知，建構新知

光密介質與光疏介質.教師活動：引導學生回顧光的折射定律，從折射率的角度建立“光密介質”與“光疏介質”的概念.給出幾種介質的折射率，如圖3.提問學生水是光密介質還是光疏介質？引導學生思考，水相對空氣是光密介質，相對于金剛石屬于光疏介質，以此說明光密介質與光疏介質是相對的.

實驗探究活動一：探究光的全反射現象.

教師活動：簡單介紹自制教具——光的全反射演示儀，如圖4：運用演示儀演示將光從光密介質（水）射入到光疏介質（空氣），逐漸增大入射角，引導學生觀察在此過程中折射角如何變化、反射光線以及折射光線的強度又會如何變化？

學生活動：仔細觀察實驗現象并認真思考老師提出的問題.

教師活動：引導學生認真分析實驗現象，如圖5：總結歸納，得出實驗結論.

設計意圖：通過觀察并分析實驗現象，培養學生觀察分析、總結歸納的能力.

（3）理論探究：探究全發射的條件

教師活動：提問如果光從光疏介質射入光密介質，是否也能發生全反射現象呢？引導學生進行理論分析.

學生活動：理論分析并進行分組討論.

教師活動：歸納得出，由于光從光疏介質到光密介質時，入射角是大于折射角，所以入射角會先達到90°，在入射角從0°到90°的過程中，折射光線不消失.

設計意圖：通過理論探究，培養學生理論分析能力，通過小組討論，培養學生溝通交流的能力.

（4）學生分組實驗：探究全發射產生的第一個條件

教師活動：引導學生設計驗證實驗，讓學生根據實驗設計，各小組分工合作進行實驗操作，小組成員共同觀察實驗現象，討論并得出實驗結論.實驗過程中針對各小組出現的問題進行指導.

學生活動：小組分工合作，完成驗證實驗，將光從光疏介質（空氣）射入光密介質（水），逐漸增大入射角，觀察折射角和折射光線的變化，自己動手進行實驗操作，得到發生全反射現象的第一個條件：光必須從光密介質射入光疏介質.

設計意圖：學生分組實驗，培養學生團隊協作、共享資源、觀察總結的科學素質.

實驗探究二：探究全反射產生的第二個條件

教師活動：教師提問光從光密介質射入光疏介質一定能發生全反射嗎？演示光由水射入空氣，發現并沒有發生全反射，逐漸增大入射角，增大到某一角度，折射光線消失，發生了全反射，從而得出發生全反射的第二個條件.

學生活動：認真思考教師所提問題，仔細觀察實驗現象，在老師引導下總結得出全反射產生的條件之二：入射角必須等于或大于某一角度.

設計意圖：通過演示實驗，培養學生觀察、分析的能力.

5.歸納總結

教師活動：根據之前的演示實驗與分組實驗，引導學生一起總結產生全反射的條件，得出臨界角的概念，引導學生運用光的折射定律理論推導出臨界角的計算公式.

學生活動：結合光的折射定律尋找臨界角與折射率的關系，根據已學知識進行公式推導.

設計意圖：通過公式推導過程，培養學生邏輯推理能力，加深學生對臨界角以及臨界角計算公式的理解.培養學生運用所學知識解決問題的能力.

（三）學以致用，鞏固新知

1.揭秘激光舞動

教師活動：簡單介紹全反射水槽制作原理，引導學生思考激光筆垂直于水槽入射時以及激光筆逐漸傾斜時入射角的變化，運用多媒體展示水槽中的光路圖，如圖5：從而揭示極光舞動的奧妙.

設計意圖：解釋課前極光舞動的原理，體現課堂完整性.

2.介紹光導纖維

教師活動：以多媒體課件展示光纖以及光纖的結構，如圖6：運用所學的知識解釋光纖的原理，加強學生對全反射知識的應用.

學生活動：觀察課件展示的圖片，了解、認識光纖的結構以及光纖在現實生活中的主要應用，理解光導纖維的原理.

設計意圖：讓學生了解光的全反射在生活中的應用，感受物理的實用性，提高學生對物理的興趣.

三、設計反思

本節課通過自制水槽、光控音響的演示實驗引入新課，使學生獲得更多的感性認識，激發學生好奇心與學習熱情.為了使學生能夠容易理解并掌握全反射以及全反射條件，本著“學生為主”的思想，借助自制教具通過探究實驗以及學生分組實驗，引導學生以探索者、研究者的身份投入學習中，讓學生主動參與教學全過程，極大地激發并提高了學生的學習興趣.學生通過自主探究、合作學習，體驗物理規律的認知過程，在獲取知識的同時，也培養了學生團隊協作、理論推導、分析問題、解決問題以及科學探究的能力.

本節課的設計注重提供學生獲取知識的方法，突出新知識的形成過程，讓學生在掌握知識的同時通過實驗探究弄懂知識的來龍去脈，把握科學知識的內在聯系，有效地提高學習效率.

參考文獻：

[1]徐慧.以問激疑，由疑啟思[J].物理教學，2017，（2）：18.

[2]催學文.“光的全反射”教學設計[J].中學物理教學參考，2016，（4）.

[3]陸俊杰.“全反射”教學設計與教案[J].物理教師，2001，（11）：11.

基金項目：西華師范大學英才基金項目，項目編號：17YC502。