促進學生理解的“測定玻璃折射率”教學

劉紫微 魏舜芷 陳 剛

(華東師范大學教師教育學院,上海 200062)

1 問題的提出

“測定玻璃的折射率”是人教版高中物理選修3-4中第13章第1節的內容,也是高考考綱中規定考查的唯一的幾何光學實驗.[1]教材中對于該實驗的儀器和操作步驟已給出清晰的說明(如圖1),[2]結合教材和教師的引導,學生基本能習得運用插針法測定玻璃折射率的方法.但當問及“為何要使大頭針B把A擋住”“為何4個大頭針相互遮擋就能確定相互對應的入射光線和折射光線”時,大多數學生無法作出清晰、有依據的解答.

圖1 測定玻璃的折射率(人教版高中物理教材)

根據布魯姆教育目標分類學,當學生表現出“解釋、舉例、推論、分類、概要、說明、比較”的外顯行為時,表明學生已達到“理解”層次;當學生表現出“遇到某一熟悉任務(即練習)時,他會習慣性地執行一套程序”的外顯行為時,表明學生已達到“運用”層次.[3]上述學生“能執行插針法但不能解釋實驗步驟”的外顯行為表明,大多數學生在學完這部分內容后,能“運用”規則,但不能“理解”規則背后的物理概念和規律.

為使學生真正理解插針法,達到“知其然且知其所以然”,本文試以教學任務分析為依據,提出促進學生理解的“測定玻璃折射率”教學方案.

2 教學任務分析

任務分析,亦可稱為教學任務分析,是指在學校教育環境下教師對幫助學生習得特定學習結果的教學任務的建構,是教師確定教學目標后,揭示學習者達到教學目標所需要掌握的知識、技能及相互間序列關系的認知活動.任務分析是教學設計的核心成分,選擇教學方法、規劃教學事件均以任務分析的結果為依據.[4]

物理概念和規律的學習一般有理論分析和實驗歸納兩種途徑.“測定玻璃折射率”是測量物理量類的一個實驗,故教學時應遵循實驗歸納途徑,即經歷提出問題、猜想與假設、規劃方案、設計實驗、進行實驗收集數據和處理數據獲得結論環節.[5]由于是測量類的實驗,問題已經明確,且無需進行猜想,故本節課主要涉及規劃方案等后面4個環節.

規劃方案：

設計實驗：

由于在課堂教學中提供了基本的實驗裝置,如:白紙、圖釘、大頭針、直尺、鉛筆、量角器、平木板、長方形玻璃磚等,也就是測量的技能都是確定的,在此基礎上可遵循設計實驗通用策略來設計實驗(表1).

表1 設計實驗通用策略的運用

在上述步驟(4)中,學生會遇到子問題1:如何在現有實驗條件下,測量入射角和折射角?

該子問題的解決主要遵循理論分析途徑,即經歷確定待研究的對象、確定待解決的問題、確定論證方式、確定解決問題策略(以選擇出解決問題的必要技能)、執行必要技能解決問題、驗證環節.[6]由于對象和問題已經明確,且不是論證性的問題,故只需確定策略并解決問題即可.

對于子問題1,教師可引導學生遵循逆推法解決,如下:

師:如果要測定玻璃磚的折射率,比較直接的做法是什么?

生:可以將玻璃磚壓在白紙上,用激光筆發射一束光,使其以一定的角度入射到玻璃磚內,用筆在白紙上標記入射光線和入射點.觀察并標記光在玻璃磚下表面的出射點,連接入射點和出射點確定折射光線.測出入射角和折射角,計算得到折射率.

師:也就是說一束入射光線(如圖2中的光線①)從空氣射到玻璃磚的上表面會發生折射,玻璃磚內有對應的一束折射光線(如圖2中的光線②),并在玻璃磚下表面射出.那這一束折射光線射到玻璃磚的下表面會怎樣?

生:也會發生折射再出射到空氣中(如圖2中的光線③).

圖2 光經玻璃磚兩次折射的光路圖

師:請同學們畫出大致的光路圖.

學生已知光從空氣入射到玻璃中滿足折射角小于入射角,從玻璃入射到空氣中滿足折射角大于入射角,能夠畫出兩次折射的大致光路圖,如圖2所示.

師:我們已經知道了光在玻璃磚中折射的大致光路,還知道了測量入射角和折射角的關鍵是確定一條入射光線和一條對應的折射光線.

此時學生相當于將子問題1拆分成了兩個新的子問題.

子問題2:如何在現有實驗條件下,確定一條入射光線?

該問題也可遵循逆推法解決,如下:

師:本實驗并未提供激光筆等光源,如何從無數條射向玻璃磚上表面的光線中確定一條入射光線來研究呢?

生:對于不能自行發光的物體,我們能看見它是因為它反射的光進入了我們的眼睛,所以我們可以將物體反射出的光線作為研究中的入射光線.

師:根據提供的器材,可以選哪個物體?如何做?

生:大頭針可以,把它插在所選光線的路徑上.

教師完成該操作,讓學生觀察.

師:透過玻璃磚從另一面觀察大頭針A,我們能觀察到什么?

生:大頭針A的像.

師:這個像是如何被觀察到的?

生:大頭針A反射的光線經玻璃磚兩次折射進入我們的眼睛,就觀察到了像.

師:我們初中時就學過,折射成像是虛像,人眼觀察到的虛像位置在何處?

生:最后出射光線進入人眼,由于人眼總感覺光沿直線傳播,所以人眼會感覺虛像在進入人眼的光線(即此時的出射光線)的反向延長線上.

師:很好!現在我們知道了折射所成虛像在進入人眼的光線(即此時的出射光線)的反向延長線上.

師:那僅用一個大頭針的像,能否確定所選的入射光線?

生:不可以.

師:確定一條入射光線至少要幾個點?

生:兩個.

師:那不妨在入射光線的路徑上再插一個大頭針B.這時透過玻璃磚能觀察到什么?

教師完成該操作,讓學生觀察.

生:兩個大頭針的像.

師:此時能觀察到兩個像(如圖3中的A′和B′),說明有兩條出射光線進入人眼,也就是大頭針A和B各對應了一條入射光線(如圖3中的光線①和②).那當兩個大頭針的像滿足什么關系時,才能確定一條入射光線呢?

圖3 人眼觀察到兩個像

生1:一條確定的入射光線只會對應一條出射光線進入人眼,此時A和B成的像應該都在這條出射光線的反向延長線上.(如圖4)

圖4 人眼只觀察到一個像

生2:那B′會遮擋A′,此時人眼只能觀察到一個像.

生3:也就是說,當我們調整視線方向,直到大頭針B的像剛好把A的像擋住時,我們就確定了一條入射光線,即為大頭針A、B的連線.

子問題3:如何在現有實驗條件下,確定一條與入射光線對應的折射光線?

該問題也可遵循逆推法解決,如下:

師:前面分析了入射光線的確定,那么折射光線如何確定呢?

生:如果能確定折射光線上的兩點,就能確定折射光線了.

師:可以確定哪兩個點?

生:一個是入射點,還可以確定在玻璃磚下表面的出射點.

師:入射點如何確定?

生:A、B的連線是入射光線,延長到與玻璃磚上表面相交的點即為入射點.

師:在下表面的出射點如何確定?

生:和入射點一樣,只要確定了出射光線,延長到與玻璃磚下表面相交的點即為出射點.

師:如何確定出射光線?由前面的圖(圖4)可以看出什么規律?

生:出射光線與大頭針A、B的像在同一直線上.

師:在同一直線上的物體會有何現象?

生:互相遮擋.

師:那你們想到如何確定出射光線了嗎?

生1:可以在視線前方再插一個大頭針C,如果C剛好能擋住像B′和A′,那么大頭針C也在這條出射光線上.

生2:由于至少要兩個點才能確定一條光線,所以還要在視線前方再插一個大頭針D,如果D剛好能擋住C、像B′和A′,那么大頭針D也在這條出射光線上.

生3:那C、D的連線就是出射光線,延長到與玻璃磚下表面相交的點即為出射點.再將入射點與出射點相連就得到了折射光線.

師:現在入射光線和折射光線都確定了,測量入射角和折射角也就不成問題了!

解決了子問題2和3,子問題1便也迎刃而解.隨后教師繼續引導學生遵循設計實驗通用策略完成實驗的設計,此時,在步驟(6)“確定每次實驗中的條件(如物理量的變化方式)”時,學生就能想到通過改變大頭針A、B的位置來改變入射角的大小.

進行實驗收集數據：

設計完實驗后,教師應帶領學生梳理完整的實驗步驟(如圖1),隨后學生進行多次實驗并記錄數據.

處理數據獲得結論：

將數據代入公式計算玻璃的折射率,并通過多次實驗取平均值來減小誤差,得出最終結果.

3 促進學生理解的教學方案

通過上述教學任務分析,教師已經可以明確學生的學習過程,并分析出學生可能遇到的難點:

(1) 光在玻璃磚中折射的大致光路如何;

(2) 如何在沒有激光光源的實驗條件下,確定一條用于研究的入射光線;

(3) 如何在現有實驗條件下,確定一條與入射光線對應的折射光線.

只有突破了上述難點,學生才能真正理解插針法.而要突破上述難點,需要學生對初中所學知識進行遷移,掌握以下知識:

(1) 光在光疏、光密介質間傳播時滿足的折射規律;

(2) 人眼看見不發光物體的原理;

(3) 人眼觀察到折射所成虛像在進入人眼的光線的反向延長線上;(核心)

(4) 光在同種均勻介質中沿直線傳播,同一直線上物體相互遮擋.

故而教師可在課前或相應的教學過程中帶領學生復習相關知識,遵循任務分析得出的學習過程來規劃教學過程,在學生遇到困難時引導學生突破難點.這樣以教學任務分析為依據進行教學設計,能使教學有據可依,實現事半功倍的高效課堂.

對于教學方法的選擇,通常有傳授式、啟發式和探究式,為了使學生達到“理解”層次,建議采用啟發式或探究式教學法.如果選用啟發式,教師可依據任務分析中的問題串,逐步引導學生選擇知識、運用策略、解決問題.對于基礎扎實、能力較強的學生,也可采用探究式教學法,教師針對學生可能存在困難的各節點事先準備好相應的工作單:當學生因未提取出解決問題必要技能而遇到障礙時,教師可提供相應的技能單,引導學生回憶以往學習經驗;當學生因沒有思路而遇到障礙時,教師可提供相應的策略單,通過提示解決此問題所需的策略來引導學生解決.

與常規教學方案從實驗步驟出發不同的是,上述教學方案從實驗原理出發,強調讓學生通過自己的思維活動自主建構出測定玻璃折射率的實驗方案,再梳理、總結出實驗步驟.如此,學生不僅掌握了測定玻璃折射率的實驗操作,更重要的是能夠解釋每一實驗步驟背后的物理原理,真正達到“知其然且知其所以然”的“理解+運用”層次.

4 對插針法學習必要性的思考

教學應以學生的理解為目的.本節課的教學目標是給定一塊玻璃,能夠測量出它的折射率,學生能想到的最直接的、最能理解的方法是使用激光筆.如果采用插針法,按照只關注實驗步驟的常規方案進行教學,學生將只能“運用”規則,而不能“理解”規則背后的物理概念和規律,這將使教學失去意義.然而,為使學生達到“理解”層次,由前文分析可知,學生需要掌握的前提知識很多,這又會導致教學過程相對繁雜,且有些知識,如“人眼觀察到的虛像位置”并非本節課的重點,難免有些“喧賓奪主”.此外,現有文獻中有很多涉及對插針法的誤差分析和改進,這也表明插針法并非高中階段測定玻璃折射率的最佳方案.插針法到底有何優勢?插針法在高中階段是否有學習的必要性?這些問題有待進一步研究討論.