基于PCK的研究性備課的區域實踐研究
——以蘇科版初中物理教材“光的色彩、顏色”為例

季衛新 陳 棟

(1. 南京市雨花臺區教師發展中心,江蘇 南京 210012；2. 連云港市灌南縣下車中學，江蘇 連云港 222231)

1 相關研究背景

1.1 關于PCK

PCK,是“Pedagogical Content Knowledge”的縮寫,即“學科教學知識”,這個概念最早由舒爾曼提出的．1986年,舒爾曼在美國教育研究協會會刊《教育研究者》發表的一份研究報告中首次提出PCK概念,并將其定義為“教師個人教學經驗、教師學科內容知識和教育學的特殊整合”．PCK概念的提出本旨是為了方便研究“學科知識與教學方法發展之間的關系”．

PCK研究的意義就是“它揭示了 PCK是教師實踐知識中最有意義的知識”．“要給學生一杯水,教師要有一桶水”,這僅僅是強調了教師知識“量的關系”．為了這“一杯水”,此外,還要去研究:教師如何才能有一桶水?如何將這一桶水通過“教學實踐”轉化為學生的“一杯水”?如何確保有效?在有效的基礎上又怎樣可以高效?否則,“教師即使有一桶水,也未必能給學生一杯水”．而PCK所研究的各成分恰恰就為教師教學知識發展提供了指導,必然就是教師專業發展首先要考慮的問題．

教師的 PCK應該是實踐性的,在實踐“前、中、后”圍繞某一“教學點”開展行動研究,積累大量的教學點 PCK,并通過大量的課例研究、提供教學知識點的“典型案例”,可以為其他教師提供借鑒,而這些可以從“研究性備課”開始．

1.2 關于研究性備課

常規的備課通常應該有3個環節“教師個人備課——備課組集體備課——教師二次個人備課”．在本區域教學視導和教學工作質量檢查過程中,筆者發現,絕大多數教師都是針對檢查而進行“應付式”和“拷貝式”的“偽備課”．一份教案可以連續使用多少年而沒有任何的改變,不研究教材、不重組教材、不創新教材,更不去研究如何在課堂教學過程中落實核心素養的培養．長期以往,既不能有效提升課堂教學質量,同時也阻礙了教師的自身專業成長．

為了有效改變以上所述現狀,大力提升本區域初中物理教師備課的有效性、高效性和針對性,同時也能促進教師自身的專業成長,提出了基于PCK的研究性備課概念．

“基于PCK的研究性備課”:針對相應的學科知識,通過教師個體為主、集體為輔的方式,以研究教材的編排意圖、教材的重難點突破、教材的重組和創新為載體,最終研究出符合“學生為主體”的教學方法．該定義清晰的界定了“研究性備課”的核心詞為“研究”,并明確了研究的對象、研究的方式、研究的途徑和研究的目標．

關于研究的對象,主要應該包括:《課程標準》、教材和“學情”．本文將以蘇科版初中物理教材第3章第1節“光的色彩、顏色”的備課為例,談一談如何基于PCK進行研究性備課．

2 白光為什么會發生“色散”現象

白光是由紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫等多種色光混合而成的．由兩種或兩種以上的單色光(頻率不同的光)組成的光稱為復色光．不能再分解的光(只有一種頻率),稱為單色光．在光學中,將復色光分解成單色光的過程,叫光的色散．

不同頻率的光對同一介質的折射率并不相同,對同一種介質,光的頻率越高,介質對這種光的折射率就越大．如圖1所示,在可見光中,紫光的頻率最高,紅光頻率最小．當白光通過三棱鏡時,紫光的偏折程度最大,紅光偏折程度最?。鐖D2所示,三棱鏡將不同頻率的光分開,白光散開后單色光從上到下依次為紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫7種顏色,這樣就產生了光的色散．

圖1 電磁光譜

圖2 光的色散

色散除了可以利用三棱鏡來實現之外,還可以利用衍射光柵(如圖3和4所示),干涉儀(如圖5所示)等儀器來實現．將顏色按一定順序排列形成光譜(spectrum)．光譜是復色光經過色散系統(如棱鏡、光柵等)分光后,被色散開的單色光按波長(或頻率)大小而依次排列的圖案,全稱為光學頻譜．光譜中最大的一部分可見光譜是電磁波譜中人眼可見的一部分,在這個波長范圍內的電磁輻射被稱作可見光．光譜并沒有包含人類大腦視覺所能區別的所有顏色,譬如褐色和粉紅色．

圖3 衍射光柵原理

圖4 衍射光柵光譜

圖5 干涉儀原理

3 “色散”現象的發現與探索相關物理學史

光學真正形成一門科學,應該從建立反射定律和折射定律的時代算起．關于“光的本性”存在著“粒子說”和“波動說”兩種觀點．19 世紀以前,粒子說比較盛行．粒子說把光看成由粒子組成的,認為這些粒子按力學規律沿直線飛行,因此光具有直線傳播的性質．但是,隨著光學研究的深入,發現了許多不能用“粒子”來解釋的現象,例如干涉、衍射等．但是,用光的波動性就很容易解釋,于是光的波動說又占了上風．兩種學說的爭論促進了光學研究的深入與發展．

3.1 國內早期對色散的理解

中國古代對光的色散現象的認識,最早起源于對自然色散現象“虹”的認識．早在2300多年前,我國的《墨經》就記載了許多光學現象,例如投影、小孔成像、平面鏡、凸面鏡、凹面鏡等等．而早在殷代甲骨文里就有了關于虹的記載.當時把“虹”字寫成“絳”．

戰國時期《楚辭》中有把“虹”的顏色分為“五色”的記載．東漢時期蔡邕(132—192年)在《月令章句》中對“虹”的形成條件和所在方位作了描述．唐初孔穎達(574—648年)在《禮記注疏》中粗略地揭示出虹的光學成因“若云薄漏日,日照雨滴則生虹”,認為虹是太陽光照射雨滴所產生的一種自然現象.

公元八世紀中葉,張志和(744—773年)在《玄真子·濤之靈》中第一次用實驗方法研究了虹,而且是第一次有意識地進行的白光色散實驗:“背日噴呼水成虹霓之狀,而不可直也,齊乎影也”.南宋朝蔡卞進行了一個模擬“日照雨滴”的實驗,把虹和日月暈現象聯系起來,認為虹的產生是一種色散過程,并指出了虹和陽光位置之間的關系.

南宋程大昌(1123—1195年)在《演繁露》中記述了露滴分光的現象,并指出,日光通過一個液滴也能化為多種顏色,實際是色散,而這種顏色不是水珠本身所具有的,而是日光的顏色所造成的,這就明確指出了日光中包含有數種顏色,經過水珠的作用而顯現出來,可以說,這已接觸到色散的本質了.

從晉代開始,許多典籍都記載了晶體的色散現象．如孔雀毛及某種昆蟲表皮在陽光下不斷變色的現象,云母片“向日舉之”可觀察到各種顏色的光．李時珍也曾指出,較大的六棱形水晶和較小的水晶珠都能形成色散.

明末,方以智(1611—1671年)在其所著《物理小識》中綜合前人研究的成果,對色散現象作了極精彩的概括,他把用帶棱的自然晶體和人工燒制的三棱晶體將白光分成五色,與“向日噴水”而成的五色人造虹、“日光照射飛泉”產生的五色現象,以及虹霓之彩、日月之暈、五色之云等自然現象聯系起來,認為“皆同此理”即都是白光的色散.

清代著名光學家鄭復光(1780—約1862年)著有的光學著作《鏡鏡冷癡》對“物體的顏色、光的直進、反射和折射,反射鏡和透鏡的成像,光學儀器的制造等”都作了比較詳細的闡述．

所有這些都表明中國早期對色散現象的本質已有了較全面的認識,唯一遺憾的就是中國古代物理學知識大都是零散、經驗性的知識．

3.2 國外早期對色散的理解

西方光學發展的早期對色散的研究,起源于對“顏色的解釋”．亞里士多德認為,顏色不是物體客觀的性質,而是人們主觀的感覺,一切顏色的形成都是光明與黑暗、白與黑按比例混合的結果．

西奧多里克曾在實驗中模仿天上的彩虹,他用陽光照射裝滿水的大玻璃球殼,觀察到了和空中一樣的彩虹,以此說明彩虹是由于空氣中水珠反射和折射陽光造成的現象．不過,他的進一步解釋沒有擺脫亞里士多德的教義．

笛卡兒對彩虹現象也有興趣,他用實驗檢驗西奧多里克的論述．在他的《方法論》(1637年)中還有一篇附錄,專門討論彩虹,并且介紹了他自己做過的棱鏡實驗．他用三棱鏡將陽光折射后投在屏上,發現彩色的產生并不是由于進入媒質深淺不同所造成．因為不論光照在棱鏡的那一部位,折射后屏上的圖象都是一樣的．遺憾的是,笛卡兒的屏離棱鏡太近(大概只有幾厘米),他沒有看到色散后的整個光譜,只注意到光帶的兩側分別呈現藍色和紅色．

1648年,馬爾西用三棱鏡成功演示了光的色散,但遺憾的是解釋錯了．

1663年波義耳也曾研究了物體的顏色問題,他認為物體的顏色并不是屬于物體的帶實質性的性質,而是由于光線在被照射的物體表面上發生變異所引起的．能完全反射光線的物體呈白色,完全吸收光線的物體呈黑色．

牛頓從笛卡兒的棱鏡實驗得到了啟發,又借鑒于胡克和玻義耳的分光實驗．胡克用了一只充滿水的燒瓶代替棱鏡,屏距折射位置大約60 cm;玻義耳把棱鏡散射的光投到1 m多高的天花板上;而牛頓則將距離擴展為6—7 m,從室外經洞口進入的陽光經過三棱鏡后直接投射到對面的墻上,如圖6所示．這樣,他就獲得了展開的光譜,而前面的幾位實驗者只看到兩側帶顏色的光斑．

圖6 牛頓的色散實驗

牛頓對于“光的色散”現象做了近8個實驗,其中最具有代表性的有4個實驗.

(1) 為了證明色散現象不是由于棱鏡跟陽光的相互作用,而是由于不同顏色具有不同的折射性,做了如圖7所示實驗．在一張黑紙上畫一條直線opq,op為深藍色,pq為深紅色,經棱鏡觀看,只見這根線好象折斷了似的,分界處正是紅藍之交,藍色部分rs比紅色部分st更靠近棱脊ab．可見藍光比紅光的折射能力更大．

圖7 證明藍光比紅光折射性強

(2) 為了證明“棱鏡的作用是使白光分解為不同成分,又可使不同成分合成為白光”,設計了如圖8所示實驗．

圖8 牛頓用3個棱鏡做實驗

(3) 為了證明“白光確是由折射性能不同的光組成”,設計了如圖9所示的“判決性試驗”．光從S平行進入F后經棱鏡折射,穿過木板DE上小孔G,各種顏色以不同的角度射向木板de(離DE約4米遠),穿過小孔g,經三棱鏡abc再折射后抵達墻壁MN．緩緩旋轉三棱鏡ABC,使木板de上不同顏色的光相繼穿g到達三棱鏡abc．實驗結果:被第1塊棱鏡折射得最厲害的紫光,經第2塊棱鏡也偏折得最多．

圖9 牛頓的判決性實驗

(4) 為了反駁“光譜實驗沒有考慮到太陽本身的張角”、“光譜變長是一種衍射效應”和“無法解釋薄膜的顏色”等質疑,設計了如圖10所示的實驗．扁長的三棱鏡,可以使產生的光譜相當狹窄．用屏放在位置1接受光,看到的仍然是普通光,但將屏改變角度,放在位置2,就可以看到分解的光譜．這樣,由于只涉及屏的角度,結果與棱鏡無關,就回答了懷疑者提出的質疑．

圖10 扁長三棱鏡實驗

4 光的三原色應該如何正確理解

蘇科版教材在設置“活動3.1分解太陽光(如圖11所示)”和“活動3.3觀察色光混合現象(如圖12所示)”后,進行了一段以下的論述．

教材文本:進一步研究表明,將紅、綠 、藍3種色光按不同比例混合,能產生任何一種其他顏色的光,而自身卻無法用其他的色光混合得到．因此,我們將紅、綠、藍叫作光的三原色．彩色電視機和計算機顯示器能呈現彩色圖像,就是運用了三原色光混合的原理．在屏幕上排列著許多由紅、綠、藍組合而成的發光點,這些發光點在電路的控制下發出不同強度的三原色光,從而產生不同的色彩．

圖11 教材活動3.1

圖12 教材活動3.3

教材文本分為兩段蘊意:前一段是“為什么把紅綠藍叫做光的三原色”,后一段是光的三原色的應用．很多教師沒有研究教材、沒有理解教材,經常淡化前一段“原因”的“生成”,而本末倒置地把后一段的應用代替“原因”,這個顯然是錯誤的．正確的做法應該是通過以下兩個角度,去科學闡述“原因”,然后再例舉生活中的實際應用案例．

4.1 RGB(紅綠藍)無法分解得到其他色光

由“活動3.1分解太陽光”得到“紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫”7種顏色彩色光帶,在此基礎上,可以進行以下的研究性備課思考．

圖13 投影儀燈光的色散

考慮到太陽光獲取的諸如天氣、授課節次、教室位置、朝向等客觀因素,可以使用投影儀的燈光代替太陽光進行實驗．如圖13所示,將PPT某一頁幻燈背景設置為黑色,在合適位置添加一個狹長條形文本框,“填充”“白色”,播放當前頁,進行調節,直到出現彩色光帶．

之后,將當前頁復制、粘貼7份,通過“填充”“自定義顏色”來改變文本框填充的顏色(投影儀燈光顏色)．依次將這七張幻燈片文本框填充上“紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫”色． 紅光、橙光和黃光經三棱鏡折射后的效果圖如圖14所示．

圖14 紅橙黃色光分解

通過這個實驗,可以非常清晰地觀察到這樣的現象: (1) 橙光、黃光、靛光、紫光四種色光經過三棱鏡后,再次被分解成其他顏色的色光; (2) 紅光、綠光和藍光三種色光經過三棱鏡后,沒有再次分解．結論:紅光、綠光和藍光三種色光是單色光;橙光、黃光、靛光、紫光四種色光是復色光．

4.2 RGB(紅綠藍)可以按不同比例混合得到其他所有色光

“活動3.3觀察色光混合現象”有多種方法可以效果很明顯地展示．如圖15所示器材對于學生分組活動而言,是目前效果最好的,因為它可以通過旋轉旋鈕任意改變“紅綠藍”三色光的色度(比例),可以看到非常豐富的色光．

圖15 光的三原色合成實驗器

綜合以上4.1和4.2論述可知，紅、綠 、藍3種色光是單色光,無法用其他的色光混合得到;將它們按不同比例混合,卻能產生任何一種其他顏色的光．說明紅、綠 、藍三種色光是最本原的色光,因此,將紅、綠、藍叫做光的三原色．

5 人眼為什么能看到繽紛多彩的顏色

人耳能夠聽到并區分不同頻率的聲音,但是正常情況下,頻率過低(次聲波)和頻率過高(超聲波)人耳是聽不見的;頻率相差不大時,人耳也是無法區分的．與之相似,人的眼睛也能看到不同頻率的光,但是頻率過低(紅外線以外)和頻率過高(紫外線以外)人眼是看不見的;頻率相差不大時,人眼也是無法區分的．

人眼視覺系統(如圖16所示)由視錐細胞、視桿細胞和視覺神經組成．“視錐細胞”含有三種不同視色素,其重要功能就是辨別顏色．顏色視覺(Color Vision)是指對不同顏色的識別,即不同波長的光線作用于視網膜后在人腦引起不同的主觀印象．人眼可以區分出紅、橙、黃、綠、青、藍、紫等七種顏色,但仔細的檢查可以發現,人眼可以分辨可見光譜(380～760 nm)內的約150種不同的顏色,每種顏色都與一定波長的光線相對應．因此,在可見光譜的范圍內,波長長度只要有3～5 nm的增減,就可被視覺系統分辨為不同的顏色．很明顯,視網膜中不可能存在上百種對不同波長的光線起反應的視色素．那么,只有三種視色素的視錐細胞是如何感知上百種不同顏色的呢?

圖16 人眼視覺系統

圖17 牛頓色盤

在牛頓時代的物理學中,大家普遍都有一個共同的認識:一種顏色不僅僅是由某一固定波長的光線所引起的,而且可以由兩種或更多種其它波長光線的混合作用而引起．例如,把光譜上的七色光在如圖17所示的“牛頓色盤”上旋轉,可以在人眼引起白色的感覺．

19世紀初,Young(1809)和Helmholtz(1824)提出的“視覺的三原色學說(Trichromatic Theory)”認為:在視網膜上分布有3種不同的視錐細胞,分別含有對波長700 nm(紅)、540 nm(綠)和450 nm (藍)光線特別敏感的三種視色素．當某一波長的光線作用于視網膜時,以一定的比例使3種視錐細胞分別產生不同程度的感知,傳至中樞神經,從而產生某一種顏色的感覺．

“三原色學說”已被許多實驗所證實．研究表明,用不超過單個視錐細胞直徑的細小單色光束,逐個檢查并繪制視錐細胞的光譜吸收曲線,如圖18所示,發現視網膜上確實存在三類吸收光譜,其峰值分別在564 nm、534 nm和420 nm處,與紅、綠、藍3色光的波長非常接近．用微電極記錄單個視錐細胞感受器電位的方法,也觀察到不同單色光引起的超極化型感受器電位的大小,在不同視錐細胞是不一樣的,峰值出現的情況也符合三原色學說．

圖18 視錐細胞的光譜吸收曲線

圖19 一個色盲檢查圖

“三原色學說”及其實驗依據能較合理地解釋色盲和色弱的發病機制．色盲(Color Blindness)是一種對全部顏色或部分顏色缺乏分辨能力的色覺障礙,一般能通過類似如圖19所示色盲檢查圖檢查出來．色盲可分為全色盲和部分色盲．全色盲極為少見,表現為只能分辨光線的明暗,呈單色視覺．部分色盲可分為紅色盲、綠色盲及藍色盲,其中前兩種較常見．

色盲絕大多數是由遺傳因素引起的,只有極少數是由視網膜病變引起的．有些色覺異常的產生并非由于缺乏某種視錐細胞,而只是由于某種視錐細胞的反應能力較弱,這樣使患者對某種顏色的識別能力差一些,這種色覺異常稱為色弱,常由后天因素引起．

6 結束語

本文以蘇科版初中物理教材第3章第1節“光的色彩、顏色”的備課為例,在對《初中義務教育物理課程標準(2011版)》的解讀、對蘇科版物理教材八年級上冊的理解和對“學生第一次學習光學”學情的把握的基礎上,通過5個問題核心問題,確定了“基于PCK的研究性備課”的研究對象．

“光的色彩、顏色”是初二學生學習物理光學的第一課,除了一些生活體驗和現象觀察之外,沒有任何基礎．同時,從物理學科核心素養的“物理觀念”、“科學思維”、“科學探究”和“科學態度與責任”4個方面來說,研究性備課都應該將以上4個問題研究透切、理解到位、在課堂中真正“落地”,這樣核心素養才有可能“生根”.

基于PCK的研究性備課,除了要明確其研究的對象外,還要厘清其研究的方式、研究的途徑和研究的目標．這3個方面,筆者將會繼續研究,以期盡快以饗讀者．