基于問題探究的“光的偏振”教學(xué)設(shè)計(jì)*①

祁瑞娟　張軼炳　王芳芳　李 貝

(寧夏大學(xué)物理電氣信息學(xué)院　寧夏 銀川　750021)

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基于問題探究的“光的偏振”教學(xué)設(shè)計(jì)*①

祁瑞娟張軼炳王芳芳李 貝

(寧夏大學(xué)物理電氣信息學(xué)院寧夏 銀川750021)

以“光的偏振”一課為例，以問題為主線，啟發(fā)學(xué)生思考，引導(dǎo)學(xué)生探究.在教學(xué)環(huán)節(jié)中教師依據(jù)教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容合理地設(shè)計(jì)問題，以引導(dǎo)學(xué)生探究的科學(xué)性，調(diào)動(dòng)學(xué)生課堂積極性的同時(shí)達(dá)到真正的探究目的.

問題探究光的偏振

1　設(shè)計(jì)理念

新課程標(biāo)準(zhǔn)提倡學(xué)生通過主動(dòng)探究來獲取知識(shí)，使學(xué)生知識(shí)的獲取不再單純地依賴于教師的講授，因此以教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體的探究性教學(xué)越來越受到重視.基于問題的探究式教學(xué)是一種教與學(xué)相互統(tǒng)一的過程，注重情境創(chuàng)設(shè)與開發(fā)、問題的提煉、科學(xué)方法的指導(dǎo)，教學(xué)過程中以問題為主線，在教師創(chuàng)設(shè)的特定物理情境中設(shè)計(jì)問題串起整個(gè)課堂.其有效性表現(xiàn)為兩個(gè)方面，一是學(xué)生知識(shí)的自主建構(gòu)，能夠促進(jìn)有意義的接受學(xué)習(xí)；二是教學(xué)過程的生成性，促使學(xué)生學(xué)習(xí)的過程和結(jié)果融為一體，從而提高教學(xué)效益[1].探究式教學(xué)特別強(qiáng)調(diào)問題在學(xué)習(xí)活動(dòng)中的重要性.教師是問題的發(fā)起者，學(xué)生是問題的思考者和探究者.教師依據(jù)教學(xué)目標(biāo)，圍繞課堂主體，合理把握物理問題的深度、廣度，層層遞進(jìn)、循循善誘，引領(lǐng)課堂.

本文以“光的偏振”一節(jié)課為例，針對(duì)每一個(gè)教學(xué)目標(biāo)設(shè)置對(duì)應(yīng)的問題，課堂教學(xué)中依附演示實(shí)驗(yàn)和探究實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生經(jīng)歷知識(shí)獲取的過程，在過程中學(xué)會(huì)用科學(xué)的方法解決問題，以期更好地完成課堂教學(xué)目標(biāo).

2　教學(xué)目標(biāo)

根據(jù)學(xué)生的實(shí)際狀況，在教學(xué)過程中以“知識(shí)與技能”為主線，體現(xiàn)“過程與方法”，滲透“情感態(tài)度與價(jià)值觀”，本節(jié)教學(xué)目標(biāo)制定如表1.

表1　三維目標(biāo)

上述每一維目標(biāo)用一字母代替，每一維目標(biāo)對(duì)應(yīng)的項(xiàng)用變量i表示，即K(i)表示知識(shí)與技能維度，P(i)表示過程與方法維度，E(i)表示情感態(tài)度與價(jià)值觀目標(biāo)維度，i取正整數(shù)1至9.

3　教學(xué)過程設(shè)計(jì)

3.1基于問題的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)流程圖

教學(xué)過程分以下5個(gè)環(huán)節(jié)(見圖1)，貫穿整個(gè)教學(xué)過程的問題用Qi表示.

圖1　基于問題的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)

3.2教學(xué)過程

3.2.1導(dǎo)入新課

學(xué)生回顧看過的3D電影《阿凡達(dá)》，教師提出問題，“摘掉眼鏡后為什么屏幕圖像出現(xiàn)重影？”

意圖：本環(huán)節(jié)利用情景興趣，激發(fā)學(xué)生探究問題的動(dòng)機(jī)，導(dǎo)入新課，實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)項(xiàng)E(1).

3.2.2復(fù)習(xí)舊知

教師引導(dǎo)：振動(dòng)是許多質(zhì)點(diǎn)聯(lián)合起來表現(xiàn)出的周而復(fù)始的運(yùn)動(dòng)，振動(dòng)在介質(zhì)中的傳播即稱為波，分為橫波和縱波兩種.

Q1：橫波、縱波在傳播方向與振動(dòng)方向的關(guān)系上有什么不同，并用圖示表示出來？

學(xué)生活動(dòng)：學(xué)生說出橫波上各點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向垂直，縱波上各點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向平行，并畫出圖2,圖3，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)項(xiàng)K(1)、P(1).

圖2 橫波圖示 　　　　　　　　　 圖3縱波圖示

3.2.3演示實(shí)驗(yàn)

教師活動(dòng)：通過多媒體展示縱、橫波演示實(shí)驗(yàn)(軟繩、彈簧、帶狹縫的木板)，圖4[2].

圖4　縱橫波通過帶有狹縫的木板的實(shí)驗(yàn)圖

Q2：橫波、縱波的振動(dòng)方向與狹縫放置方向存在怎樣的角度關(guān)系時(shí)，波能通過木板傳播到木板之后？

學(xué)生通過觀察狹縫的方向與縱、橫波振動(dòng)方向，回答教師問題，不論狹縫怎樣放置，縱波都能通過.只有狹縫的方向與橫波振動(dòng)方向相同的時(shí)候，橫波才能通過.

教師歸納:(1)像橫波這種振動(dòng)方向?qū)τ趥鞑シ较虿粚?duì)稱性的現(xiàn)象叫做偏振現(xiàn)象；(2)橫波具有偏振現(xiàn)象，而縱波沒有偏振特性.

意圖：偏振現(xiàn)象的內(nèi)容比較抽象，由于學(xué)生前置知識(shí)的干擾，難以從舊知識(shí)中抽象出光的偏振概念，通過多媒體展示縱波和橫波通過狹縫的演示實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生理解偏振概念，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)項(xiàng)K(2)、K(3).

3.2.4探究實(shí)驗(yàn)

(1)提出問題

教師引導(dǎo)：光也是一種波，它是橫波還是縱波呢？我們?nèi)庋塾^察不到光波的振動(dòng)，無法根據(jù)橫波、縱波在傳播方向與振動(dòng)方向的關(guān)系判斷出光波是橫波還是縱波，我們能否從橫波、縱波通過狹縫的實(shí)驗(yàn)得到一些啟發(fā)，來探究光波到底是什么波？

(2)進(jìn)行假設(shè)

Q3：根據(jù)縱、橫波的區(qū)別，假定光波是橫波會(huì)有怎樣的現(xiàn)象？

學(xué)生很容易想到，如果光波是橫波會(huì)產(chǎn)生偏振現(xiàn)象，若是縱波則不會(huì)，猜想可設(shè)計(jì)類似機(jī)械波中的偏振實(shí)驗(yàn)來探究光波是橫波還是縱波.

(3)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

教師活動(dòng)：取出偏振片給學(xué)生觀察，如圖5.

教師講解：偏振片是一種特殊的光學(xué)實(shí)驗(yàn)器材，具有一個(gè)特定的方向，叫做透振方向，圖5中指針的指向即偏振片透振方向.偏振片鑲在中間開有圓孔的環(huán)形支架上，可繞其軸心轉(zhuǎn)動(dòng)，支架上標(biāo)有刻度，旋轉(zhuǎn)時(shí)方便讀出角度.只有振動(dòng)方向與透振方向平行的光波才能通過偏振片，偏振片雖看不到狹縫，但它對(duì)光波的作用就相當(dāng)于狹縫對(duì)于機(jī)械波的作用.

圖5　偏振片

學(xué)生在教師的引導(dǎo)下組裝實(shí)驗(yàn)儀器，用一個(gè)偏振片進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如圖6.

圖6　一個(gè)偏振片實(shí)驗(yàn)圖

Q4：不放偏振片和放置一個(gè)偏振片你觀察到光屏上的現(xiàn)象有什么變化？

學(xué)生依據(jù)觀察現(xiàn)象進(jìn)行回答，放置偏振片后屏上光強(qiáng)變暗.

教師引出自然光：普通光源發(fā)出的光，包含著在垂直于傳播方向z的平面上一切方向振動(dòng)的光，并且沿各個(gè)方向振動(dòng)的光強(qiáng)度相同，這樣的光稱為自然光，見圖7(a).在垂直傳播方向的平面內(nèi)，可將光投影到兩個(gè)互相垂直的方向上，用圖示表示如圖7(b)所示.

圖7　自然光及其圖示

Q5：入射光是自然光，根據(jù)偏振片的特性和圖7(b)請(qǐng)你推理，放置偏振片后透射光的強(qiáng)度與入射光的強(qiáng)度有什么關(guān)系？

學(xué)生分小組進(jìn)行討論推理，因?yàn)樽匀还饪梢苑譃槿我庀嗷ゴ怪钡膬闪泄?，通過偏振片后只有與偏振片透振方向平行的光通過，與透振方向垂直的光被吸收，因此透射光光強(qiáng)減半.

教師歸納：自然光經(jīng)過偏振片后只剩下與偏振片透振方向平行的光，這種光具有偏振特性，稱為偏振光，如圖8所示.

Q6：根據(jù)圖7(b)和圖8可推斷光波是橫波時(shí)透射光強(qiáng)才會(huì)出現(xiàn)變?nèi)醯默F(xiàn)象，怎樣進(jìn)一步驗(yàn)證透射光波就是橫波？

圖8　自然光通過一個(gè)偏振片的原理圖

學(xué)生根據(jù)教師的提問，小組進(jìn)行討論，猜想再加一個(gè)偏振片，嘗試?yán)霉獾钠駥?shí)驗(yàn)裝置自己動(dòng)手操作，并記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.

Q7：如果光波是橫波，你能觀察到什么樣的現(xiàn)象？

學(xué)生回答：如果透過第一個(gè)偏振片P的光波是橫波，旋轉(zhuǎn)第二個(gè)偏振片Q，使兩偏振片的透振方向垂直，透過偏振片Q后的光強(qiáng)幾乎為零.

Q8：用兩個(gè)偏振片進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，兩偏振片的透振方向成什么角度時(shí)屏上的光強(qiáng)最亮，什么角度時(shí)光強(qiáng)最弱？

學(xué)生根據(jù)觀察到的現(xiàn)象進(jìn)行回答，兩個(gè)偏振片透振方向平行時(shí)透射光最強(qiáng)，兩偏振片透振方向垂直時(shí)透射光最弱，幾乎為零，說明了光波就是橫波.

Q9：如果透過偏振片P的光波中含有縱波，再經(jīng)過與其透振方向相垂直的偏振片Q，會(huì)出現(xiàn)光強(qiáng)為零的現(xiàn)象嗎？

學(xué)生回答：如果有縱波，不論偏振片透振方向怎樣放置，縱波都能透過，所以不可能含縱波[3].

(4)分析結(jié)果

教師總結(jié)：如圖9，自然光通過第一個(gè)偏振片P后，只有振動(dòng)方向和P的透振方向平行的光波才能通過，偏振片P的作用就是由入射的自然光獲得偏振光，我們把它叫做起偏器；再通過第二片偏振片Q去觀察，只有兩個(gè)偏振片透振方向平行時(shí)，透射光最強(qiáng)，兩偏振片透振方向垂直時(shí)，透射光最弱，即出現(xiàn)消光的現(xiàn)象，偏振片Q可鑒別是否是偏振光，所以又叫檢偏器.

圖9　光的偏振原理圖

(5)得出結(jié)論

上述實(shí)驗(yàn)表明，光波是一種橫波.

意圖：此環(huán)節(jié)是本節(jié)課的重點(diǎn)和難點(diǎn)，學(xué)生應(yīng)用偏振片類比機(jī)械波中帶有狹縫的木板，親身經(jīng)歷探究過程，體現(xiàn)學(xué)生的主體地位；自然光的知識(shí)較抽象，教師借助自然光的圖示，運(yùn)用科學(xué)的物理語言進(jìn)行講解，體現(xiàn)教師的導(dǎo)學(xué)作用.高中階段的學(xué)生對(duì)物理基本思想--類比思想和科學(xué)探究過程有一定的認(rèn)識(shí)，學(xué)生具備了基本的觀察、分析、歸納能力，學(xué)生在保持原有好奇心的同時(shí)，個(gè)體思維更加抽象化，能根據(jù)假設(shè)和教師的引導(dǎo)進(jìn)行各種邏輯推理，將自然光和偏振現(xiàn)象的知識(shí)進(jìn)行遷移運(yùn)用，促使其新知識(shí)網(wǎng)絡(luò)的建構(gòu)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)項(xiàng)K(4～7)、P(2～3).

3.2.5拓展應(yīng)用

教師回顧課堂引入的問題，講解立體電影的原理，與學(xué)生一起探究下面3個(gè)問題.

Q10：為什么在攝像頭前加入偏振片拍出的照片會(huì)更加清晰？見圖10.

圖10　左圖不加偏振片，右圖加偏振片

Q11：鏡片是偏振片的太陽鏡和普通的有色玻璃片相比有什么優(yōu)點(diǎn)？

Q12：為什么要在液晶顯示器上加入偏振片呢？

意圖：知識(shí)應(yīng)用不是生硬的講解，通過和學(xué)生一起探討生活實(shí)例，寓教于樂.學(xué)生運(yùn)用光的偏振的知識(shí)去解釋生活現(xiàn)象，達(dá)到了學(xué)以致用的目的，同時(shí)也體現(xiàn)了“從生活走向物理，從物理走向社會(huì)”的理念，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)項(xiàng)K(8)、E(2).

4　教學(xué)反思

本節(jié)課設(shè)計(jì)過程中教師以問題驅(qū)動(dòng)學(xué)習(xí)，逐步引導(dǎo)，讓學(xué)生在其指引下主動(dòng)解決問題、形成方案、自主探究.要使學(xué)生更好地達(dá)到在知識(shí)與技能、過程與方法、情感態(tài)度與價(jià)值觀三方面獲益的目標(biāo)，促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)構(gòu)建知識(shí)體系，還要求教師具有豐富的專業(yè)技能知識(shí)和教育實(shí)踐知識(shí)，運(yùn)用問題策略，將自己所講的知識(shí)與學(xué)生已有的知識(shí)建立聯(lián)系，創(chuàng)設(shè)物理情境，讓學(xué)生在觀察和體驗(yàn)后有所發(fā)現(xiàn)，促進(jìn)學(xué)生思維能力的培養(yǎng).因此，在教學(xué)中教師還應(yīng)注重教會(huì)學(xué)生知識(shí)遷移的方法，讓學(xué)生在積極探索的學(xué)習(xí)情境中學(xué)會(huì)對(duì)課堂上所得的知識(shí)進(jìn)行融會(huì)貫通，達(dá)到良好的教學(xué)目標(biāo).

1王較過，何傳杰,等．探究式教學(xué)的有效性及其評(píng)價(jià)．教育理論與實(shí)踐，2010(3)：47～48

2人民教育出版社,課程教材研究所,物理課程教材研究中心.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書物理·選修3-4(第2版).北京：人民教育出版社，2010.63～66

3孟擁軍．新課程“光的偏振”問題探究式教學(xué)設(shè)計(jì)案例．物理通報(bào)，2008(1)：35～38

TheInstructionalDesignonPolarizationofLightBasedonExploringQuestions

QiRuijuanZhangYibingWangFangfangLiBei

(SchoolofPhysicsandElectricalInformation,NingxiaUniversity,Yinchuan,Ningxia750021)

Inthispaper,takethepolarizationoflightasanexample,issuesasthemainline,inspirestudentstothink,guidethemtoexplore.Inteachinglinks，teachersbasedonteachinggoal,contentofreasonabledesign,toguidethescientificityofstudentstoexplore,mobilizetheenthusiasmofthestudentsatthesametimeachievetrueinquirypurposes.

question;explore;thepolarizationoflight

祁瑞娟(1991-)，女，本科，在讀碩士研究生，主要研究方向?yàn)槲锢碚n程與教學(xué)論.指導(dǎo)教師：張軼炳(1965-)，女，碩士，教授，主要研究方向?yàn)槲锢斫逃?

2015-12-14)

① 寧夏自治區(qū)教育廳大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào):20150196；寧夏大學(xué)研究生創(chuàng)新項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：GIP2015005