創新《七色光》教學

董宇

《七色光》是蘇教版五年級科學教材“光與色彩”單元中的內容，屬于物質科學領域的科學概念，小學科學課程標準中對應的學習內容是“太陽光包含不同顏色的光”，教學目標是引導學生認識光是可以分解與合成的，從而引發學生對于光本質的思考和初步認識。

一、原實驗的不足

為了達到上述教學目標，教材中安排了一些實驗，來進行光的分解與合成。光的分解實驗，主要是通過制造彩虹來實現的，包括水鏡、噴霧器、三棱鏡三種方法。采用這些方法都能夠將太陽光或者來自燈泡等其他光源的白光分解為七色光，讓學生直觀感受到光是可以被分解的。但是另一方面，光的合成實驗受到教學器材和教室教學環境的限制，難以進行多色光到白光的直接合成。

因此，教材中提供了間接的實驗方法來演示白光合成。第一種方法是先用玻璃紙濾出紅、綠、藍三原色的光，再將三色光交叉到光屏上的同一點來合成白光;第二種方法是通過旋轉涂有三原色或者七色色塊的圓盤，利用人眼的“視覺暫留”效應來“合成”白光。這些方法能夠完成白光合成的展示，并且引入三原色的概念，讓學生認識到通過三原色就能夠合成白光乃至任意顏色。但是由于是間接合成，并不能完全解決學生的疑問，授課過程中往往有意猶未盡的感覺。第一種方法只是讓三束光在光屏處完成白光的合成，并沒有像太陽光一樣真正合成一束白光;而第二種方法借助了“視覺暫留”效應，與真正的白光合成有本質區別。另一個問題在于，光的分解和合成本來就是相反的兩個顏色控制過程，但是卻要通過完全不同的實驗向學生展示，不能很好地體現它們之間的內在邏輯關系。

其實，早在17世紀，牛頓就已經利用三棱鏡實現了白光的分解和合成，教材中也詳細介紹了他的實驗方法，遺憾的是，小學課堂環境難以支持這個實驗。牛頓實驗的難點在于，對光的指向性提出了很高的要求。他成功的關鍵在于，利用太陽作為光源，并且利用小孔進行方向的選擇，在暗室中降低了背景光對于觀測的影響，從而能夠同時清楚地看到白光的分解與合成。這是由于太陽光是最強的白光光源，即便在方向選擇后，仍然有足夠的亮度。但是，上述實驗條件顯然難以在小學課堂上得到滿足，而且，手電筒等常規光源也不具備像太陽光那樣較強的方向性。

和常規光源相比，激光具有更強的方向性。因此，筆者創新了實驗教具，采用三原色激光來直接合成白色激光。通過教學實踐，本課教學獲得了良好的教學效果，讓學生無須暗室等特殊條件，就可以體驗與牛頓實驗相同的直觀感受，并與教材中玻璃紙濾光和旋轉圓盤實驗中引入的三原色概念形成呼應，構成教學體系。

二、創新教具

（一）整體設計原理

本實驗的核心器材是一個自制可開合的白光激光光源暗箱，暗箱中包含了紅、綠、藍三原色激光器，可以發出紅、綠、藍三束激光，經過三棱鏡后合成一束白色激光，從暗箱中輸出。該暗箱采用一體化設計，三色激光的方向可以精密調節并且保持穩定，確保合成白光中的各種色光在不同位置都能準確重合;紅、綠、藍三色激光的亮度可以通過內置的控制器獨立調節，確保配比準確且能夠實現任意色光的合成。

暗箱外的實驗光路由一個三棱鏡構成，當白色激光透過它后，可以分解成紅、綠、藍三色激光。在光路中可以插入光屏1，對于白光光斑進行觀察，光屏2用于觀察色散后的紅、綠、藍三束光斑。在白光光路中也可以插入不同顏色的濾光片，在光屏1和光屏2處分別觀察濾光片對于白光顏色的影響。

（二）創新點

用白色激光代替普通白光光源。白色激光光源由紅、綠、藍色三個激光二極管合成，與普通白光光源相比，它的方向性更好，可以避免普通白光光源色散后發散太快難以被重新合成的問題。筆者選用的激光二極管其實是激光筆零配件，成本低，適合作為小學科學課的教具。同時，采用白光激光光源暗箱也可以避免利用太陽光做實驗時受到光照時間限制的問題。

在同一套便攜式、免調試的裝置中完成光的色散、濾光與光的合成三個實驗，可以結構性地向學生展示教材中牛頓的白光實驗，尤其解決了光的合成難題。同時，本裝置不需要在黑暗環境下進行實驗，能夠高效實現本節課中所有的實驗教學目標。

在旋轉圓盤實驗已經采用三原色的基礎上，本實驗僅用紅、綠、藍三色激光二極管就能合成白色激光，并完成光的色散和合成實驗，更深入地向學生展示了其實采用三原色就可以合成任意的顏色。一方面與教材已經引入的三原色概念形成呼應，另一方面，可以在教學過程中可適當提及三原色在生活中的廣泛應用。其實目前幾乎所有的人造顯示裝置都是采用三原色合成的，如電視、電腦顯示器、手機、投影儀等等。

使用干冰升華現象來呈現光路，現象清晰明顯，取代了常用的“點香”“燒紙”等制造煙霧的方式，安全，無刺激性，適合在封閉教室環境中采用。

實驗箱是由航空層板搭建的手提式教具，強度好、質量輕，滿足合光光路1米光程的要求，殼體僅為2千克。制作工藝采用激光雕刻技術，效率高、成本低。

三、實驗內容

結合教學目標，筆者設計了三個實驗環節，實驗內容設計如下。

（一）光的色散實驗

暗箱中射出一束光，在光屏上出現一個透亮的白色光斑。在光路中加入三棱鏡，光屏上出現了紅、綠、藍三色光斑。通過觀察此現象，學生知道原來白光不是單色光，它是由單色光組成的，可以分解。

（二）濾光實驗

在白光光路中放入一片紅色濾光片，光屏1上會出現紅色光斑，這是怎么回事呢？移走光屏1，讓光線透過三棱鏡，在光屏2上只出現了紅色光斑，原有的綠色和藍色光斑被過濾掉了。通過觀察此現象，引導學生思考，原來光可以被過濾，而且用這種方式可以獲取某種單色光。

（三）光的混合實驗

白光是哪里來的呢？打開暗箱，原來白光是由紅、綠、藍三束激光透過三棱鏡后合成的。通過觀察此現象，學生知道原來白光不但可以分解，而且可以由幾種不同顏色的光合成。教師向學生滲透光的三原色概念，讓學生知道等比例的紅、綠、藍色光混合，可以合成白光。在實驗中，遮擋其中任意一種色光，能夠觀察到不同色光的合成顏色是不同的。比如，遮擋住藍色光，紅色光和綠色光會合成黃色光。調節三色激光的亮度，還能夠合成任意顏色的光。比如，通過調節光的亮度，還能夠合成粉色、橙色等顏色的光。62A54B3B-1A37-4B1E-8B77-8E17A9659B00

四、教學過程

使用本教具的教學可以作為《七色光》的第二課時。在第一課時中，學生對教材中光的色散與光的合成實驗進行了學習，學生認識到白光成分復雜，而色彩鮮艷的光是簡單的。在這樣的認知背景之下，帶領學生利用創新的教具還原牛頓實驗，驗證科學家的發現。

（一）故事導入，聚焦問題

最先發現白光秘密的人是牛頓，他的實驗是怎么做的呢？引導學生明確牛頓實驗需要在帶小孔的暗室中開展，教室中無法滿足。此時，教師取出帶小孔的暗箱，即“光的色散與光的混合”實驗演示裝置，并且從暗箱內射出一束白光，提問：它可以分解嗎？聚焦今天所要驗證的問題，開始還原實驗。

（二）借助教具，開展探究

光的色散實驗。學生知道白光能分解，撤掉光屏1，看到光屏2上紅、綠、藍三個光斑后，自然想到白光通過三棱鏡后發散出了紅、綠、藍三色光，教師利用干冰來幫學生看清光路效果，學生在驚奇中感受到了光的分解。

濾光實驗。用紅色濾光片擋在白光光路中，在光屏1上只有紅色的光斑，讓學生猜測原因。學生猜測后，通過光的分解實驗進行驗證——借助三棱鏡，在光屏2上只有清晰的紅色光斑，讓學生進一步解釋原因。再用綠色濾光片重復上述過程，再次驗證，得出結論——單色濾光片只能讓同種顏色的光透過，其他色光都會被過濾掉。

光的混合實驗。回到暗箱中發出的這束白光，為什么只分解到了三種色光呢？原來這束白光和牛頓使用的太陽光不太一樣，這是教師特制的白光。讓學生猜想，這束白光是怎么制作出來的，并且打開暗箱進行驗證。這個實驗現象證明，紅、綠、藍三種色光混合后可以合成白光。不同的色光混合后，呈現的顏色不同，通過擋住任意一種色光，其余兩束光合成的顏色都不同。同樣證明，光是可以合成的。不過，為什么紅、綠、藍三色光能合成白光呢？教師揭秘——紅、綠、藍是光的三原色，它們按照一定的比例混合，可以呈現所有顏色。生活中的投影儀、電視機等顯示器都是利用光的三原色來呈現顏色的。教師可以向學生展示，通過調節三色激光的亮度，能夠合成任意顏色的光。

五、反思與評價

（一）創新教具“三合一”，整合設計思路明確

光的色散實驗、濾光實驗與光的混合實驗都可以在本教具中實現，在同一套設備中同時完成色散與混合這兩個互逆的過程，高效地實現本節課的實驗目標。同時，有層次的邏輯設計使得學生在教師的引導下，逐步發現光的奧秘，加深了對牛頓實驗的理解，提升了思維能力。

（二）光源獨特，無須暗室環境，擺脫天氣影響

利用具備方向性好、亮度高特性的激光進行光的色散與混合，同樣可以獲得像牛頓實驗那般的直觀效果，在小學課堂中的呈現不會受制于環境和天氣，讓本課中的理論與實驗進行了有效關聯。

（三）突出三原色概念，補充七色光的教學

本課利用紅、綠、藍三色光完成光的色散與混合實驗，作為第二課時，它與教材中的三原色概念形成呼應，有效地補充了《七色光》的教學。同時，讓學生開始關注，生活中的顯示器，如投影儀等，也是利用了光的三原色。

（四）低功率激光出光方向固定，教學過程安全

教具中選用的激光二極管只有一毫瓦，比課堂上常用的激光筆功率更低，而且，它們的出光方向是固定的，激光沿著固定的方向行進，不會直射人眼，保證了教學過程的安全性。62A54B3B-1A37-4B1E-8B77-8E17A9659B00