“全反射”中折射出“3D物理教學(xué)”

李松

【摘要】 “發(fā)現(xiàn)（discover）、領(lǐng)悟（digest）、發(fā)展（develop）”3D教學(xué)模式首次由常州市北郊高級(jí)中學(xué)提出，并逐步建立出理論基礎(chǔ)、實(shí)施原則、實(shí)施辦法。本文將在“全反射”這樣的課例中進(jìn)行詳細(xì)的闡述。

【關(guān)鍵詞】 3D物理教學(xué) 全反射

【中圖分類號(hào)】 G633.7 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A 【文章編號(hào)】 1992-7711（2014）11-001-01

一、“3D物理教學(xué)”的理論基礎(chǔ)

3D物理教學(xué)源于20世紀(jì)60年代初期一些教育家提出的具有改革性的理論，例如美國心理學(xué)家布魯納提出的“發(fā)現(xiàn)教學(xué)”、美國心理學(xué)家苛勒的“領(lǐng)悟說”和前蘇聯(lián)教育學(xué)家贊科夫的“發(fā)展性教學(xué)理論”，其結(jié)構(gòu)可以視學(xué)生和教學(xué)內(nèi)容而靈活處理，如發(fā)現(xiàn)問題可以在先，領(lǐng)悟規(guī)律在后；技能發(fā)展先行，歸納思維發(fā)展隨后。學(xué)生各個(gè)方面能力的提高一般是按照發(fā)現(xiàn)、領(lǐng)悟、發(fā)展這樣的順序進(jìn)行的。學(xué)生先要在教學(xué)活動(dòng)中發(fā)現(xiàn)問題，并且每位學(xué)生發(fā)現(xiàn)的并不一定是同一個(gè)問題；其次，學(xué)生在發(fā)現(xiàn)問題后嘗試解決問題，這使得學(xué)生從中領(lǐng)悟了一些原理，最后，這樣的過程實(shí)現(xiàn)了學(xué)生某個(gè)方面的能力發(fā)展的結(jié)果。

二、“3D物理教學(xué)”案例——全反射

為了更好的闡述如何在課堂實(shí)施過程中實(shí)現(xiàn)可視化，現(xiàn)舉例一節(jié)公開課。教學(xué)對(duì)象為常州市北郊高級(jí)中學(xué)高二（6）班，人數(shù)51人。

1. 教材分析

“全反射”是人教版高中物理選修3-4第13章第2節(jié)內(nèi)容，是幾何光學(xué)在高中物理的重要知識(shí)點(diǎn)。本節(jié)內(nèi)容建立在反射和折射兩種簡單的幾何光學(xué)現(xiàn)象的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)之上，讓學(xué)生親身體驗(yàn)科學(xué)家如何發(fā)現(xiàn)問題、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、探究科學(xué)真理的科學(xué)方法和過程。本節(jié)課更適合應(yīng)用3D教學(xué)模式進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2. 教學(xué)過程

（1）發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象——魔術(shù)：“消失”的硬幣。杯底置一枚硬幣，在燒杯側(cè)面觀察杯底，將燒杯內(nèi)部注水，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。問題：思考空燒杯時(shí)能看到硬幣說明有什么光線從杯壁射出后入射到人眼？學(xué)生：入射到人眼的是從燒杯壁射出的折射光線。所以折射光線的有無是能否看到硬幣的關(guān)鍵。要想解釋上面的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象就需要學(xué)習(xí)新的知識(shí)，很自然的引入新課的學(xué)習(xí)。

（2）領(lǐng)悟新知識(shí)——基本概念和規(guī)律的學(xué)習(xí)。對(duì)于全反射現(xiàn)象中的一些基本概念，采用自主閱讀和實(shí)驗(yàn)探究相結(jié)合的方式使學(xué)生對(duì)光疏介質(zhì)和光密介質(zhì)，全反射現(xiàn)象以及臨界角的概念有深入的領(lǐng)悟。①光疏介質(zhì)和光密介質(zhì)的定義。學(xué)生閱讀教材，得到光疏介質(zhì)和光密介質(zhì)的定義。②實(shí)驗(yàn)探究：當(dāng)光由光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)時(shí)，會(huì)有什么不同的現(xiàn)象呢？

請(qǐng)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象完成下面的空格。

光線數(shù)目變化：光線從水入射到空氣中，隨著入射角逐漸變大，折射角也變大，當(dāng)折射角增大到 90° 時(shí)， 折射光線 突然消失，只剩下 反射光線 。

③全反射的定義和臨界角問題：試用折射定律推導(dǎo)臨界角的大小。（學(xué)生自主推導(dǎo)，教師總結(jié)）④ 發(fā)生全反射的條件光從光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)并且入射角等于或大于臨界角。

（3）發(fā)展新能力——魔術(shù)揭秘、自然現(xiàn)象解釋以及全反射現(xiàn)象的應(yīng)用。課堂教學(xué)的根本目的是使學(xué)生獲得知識(shí)、技能和思維能力等各個(gè)維度的發(fā)展。有鑒于此，教師在課堂上設(shè)計(jì)了魔術(shù)解密、自然現(xiàn)象的解釋以及全反射棱鏡和光導(dǎo)纖維的應(yīng)用等幾個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)。①魔術(shù)解密——“消失”的硬幣。問題1：嘗試解釋燒杯中倒入水后硬幣“消失”的原因；學(xué)生思考回答：光線從燒杯側(cè)壁入射空氣時(shí)發(fā)生全反射，導(dǎo)致沒有折射光線出射。問題2：全反射發(fā)生在燒杯內(nèi)壁還是外壁 ？學(xué)生思考回答：因?yàn)樗筒Ａд凵渎式咏?，所以?nèi)壁不會(huì)發(fā)生全反射，故應(yīng)該是從玻璃外壁入射空氣時(shí)發(fā)生全反射。②海市蜃樓的成因。視頻演示：海市蜃樓新聞。請(qǐng)同學(xué)們結(jié)合本節(jié)課所學(xué)解釋海市蜃樓的成因（提示：海面附近下層空氣溫度低，密度大，折射率大；上層空氣溫度高，密度小，折射率?。?。③全反射的應(yīng)用：全反射棱鏡。問題：給出折射率為1.5等腰直角三角形棱鏡，完成光路圖，講解全反射棱鏡?；顒?dòng)：用全反射棱鏡設(shè)計(jì)一個(gè)潛望鏡。④全反射的應(yīng)用：光導(dǎo)纖維。問題：解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象——彎曲的玻璃棒導(dǎo)光?；顒?dòng)：閱讀教材，歸納光纖通信的優(yōu)點(diǎn)。

（4）靈魂的激蕩——情感、態(tài)度與價(jià)值觀教育。光纖通信是信息社會(huì)重要的通信手段，因發(fā)明光纖通訊技術(shù)，華人物理學(xué)家高錕于2009獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。他的獲獎(jiǎng)演說中有一句話：“目前，沒有其它物質(zhì)可以代替光纖。我認(rèn)為，如果有，起碼要一千年以后。但是，請(qǐng)不要相信我的話，因?yàn)槲易约壕蛷膩矶疾幌嘈攀裁磳＜业脑挕！痹谡n堂結(jié)尾引用這句警言，希望學(xué)生能在發(fā)現(xiàn)新問題、領(lǐng)悟新知識(shí)、發(fā)展新能力之外，能夠體會(huì)到科學(xué)家這種“大膽質(zhì)疑、小心求證”的科學(xué)精神的震撼，以期能讓學(xué)生在情感、態(tài)度、價(jià)值觀方面也獲得一定的發(fā)展。

3. 教學(xué)反思

本節(jié)課的教學(xué)設(shè)計(jì)體現(xiàn)了3D課堂的完整課型。課堂引入采用的一個(gè)光學(xué)魔術(shù)，讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)一個(gè)之前沒有見過的現(xiàn)象，極大引起了學(xué)生興趣。對(duì)知識(shí)領(lǐng)悟過程和能力發(fā)展過程，做了一個(gè)有機(jī)整合。主線是全反射魔術(shù)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象--全反射知識(shí)領(lǐng)悟--魔術(shù)解密和全反射應(yīng)用能力發(fā)展。

但是發(fā)現(xiàn)、領(lǐng)悟和發(fā)展并不是割裂的，學(xué)生的學(xué)習(xí)活動(dòng)中，領(lǐng)悟中伴隨著發(fā)展，發(fā)展中又有新的發(fā)現(xiàn)，比如將課本的演示探究實(shí)驗(yàn)改成了學(xué)生自主探究實(shí)驗(yàn)，在學(xué)生協(xié)作能力、實(shí)驗(yàn)操作能力、觀察能力發(fā)展的同時(shí)，領(lǐng)悟了一個(gè)新的光學(xué)知識(shí)。再比如全反射應(yīng)用當(dāng)中的全反射棱鏡，不是直接告知學(xué)生，而是讓學(xué)生完成一個(gè)光路圖，通過光路分析看出全反射棱鏡的功能和優(yōu)點(diǎn)甚至使用方法都得以體現(xiàn)，使得這個(gè)知識(shí)的領(lǐng)悟和發(fā)展結(jié)合在一起，更加深入地體現(xiàn)了3D教學(xué)的內(nèi)涵。