以學(xué)情分析為基礎(chǔ)的“等傾干涉”教學(xué)設(shè)計*

陳 宏

(武警工程大學(xué)基礎(chǔ)部 陜西 西安 710086)

以物理學(xué)的基礎(chǔ)知識、基本思想、基本理論和方法為主體內(nèi)容的《大學(xué)物理》課程是我校學(xué)員的一門必修公共基礎(chǔ)課[1]. “等傾干涉”這節(jié)課選自科技出版社出版，康穎教授主編、軍隊院校統(tǒng)編的，普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材《大學(xué)物理》上下冊(第3版)的第17章“光的干涉”，第4節(jié)“薄膜的等傾干涉”[2].

1 教學(xué)內(nèi)容的定位

光學(xué)是一門古老而又不斷發(fā)展的學(xué)科，而光學(xué)又是大學(xué)物理教學(xué)內(nèi)容的重要組成部分，主要內(nèi)容有幾何光學(xué)和波動光學(xué).波動光學(xué)又包含了光的干涉、光的衍射、光的偏振.其中光的干涉是波動光學(xué)的重點(diǎn)內(nèi)容，是波動過程的基本特征之一.根據(jù)獲得相干光的方法不同，光的干涉可分為分波陣面法和分振幅法兩種，薄膜干涉屬于分振幅法獲得相干光的干涉現(xiàn)象.薄膜干涉根據(jù)膜的厚度有無變化以及光的入射角有無變化分為薄膜的等傾干涉和薄膜的等厚干涉[2].

薄膜干涉在日常生活、工業(yè)生產(chǎn)和軍事科研領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用.薄膜干涉的學(xué)習(xí)為后續(xù)課程——“邁克爾遜干涉儀”的學(xué)習(xí)奠定了理論基礎(chǔ)，是學(xué)員進(jìn)一步探究光的本性的基礎(chǔ).

本節(jié)課的教學(xué)重點(diǎn)是薄膜干涉產(chǎn)生明暗紋的條件；平行平面膜的等傾干涉條紋的計算；薄膜干涉的應(yīng)用.其中，薄膜干涉產(chǎn)生明暗紋條件的推導(dǎo)和理解以及半波損失的討論是本節(jié)課教學(xué)的難點(diǎn).

2 學(xué)情分析

2.1 學(xué)員特點(diǎn)分析

(1)學(xué)習(xí)起點(diǎn)能力分析

我們的學(xué)員一部分來源于基層部隊，一部分來源于地方高考生，文化課基礎(chǔ)相對比較薄弱，原有知識結(jié)構(gòu)和學(xué)習(xí)水平參差不齊，認(rèn)知需求存在個體差異性[1].

他們已具備一定的物理學(xué)科的研究方法，如觀察與分析實(shí)驗的方法，假說的方法，從現(xiàn)象中歸納規(guī)律等方法；具備了一定的分析問題、解決問題的能力，但認(rèn)知發(fā)展水平還不平衡，辯證思維和觀察、判斷、分析能力不夠強(qiáng)，知識的融合能力還需加強(qiáng).

(2)學(xué)習(xí)態(tài)度分析

他們有過硬的軍政素質(zhì)和軍事技能，但是，對于科學(xué)文化知識特別是物理知識的學(xué)習(xí)缺乏一定的自信心.

2.2 學(xué)員的知識基礎(chǔ)分析

學(xué)員已經(jīng)在前期的課程學(xué)習(xí)中有了一些光學(xué)的基本知識，知道并掌握了“光程”“光程差”“機(jī)械波的干涉”和“楊氏雙縫干涉”等相關(guān)知識；知道了光的干涉過程中獲得相干光的方法分為分波陣面和分振幅法，薄膜干涉屬于分振幅法獲得相干光的干涉現(xiàn)象[2].

3 教學(xué)目標(biāo)的設(shè)計

根據(jù)物理學(xué)科核心素養(yǎng)，結(jié)合以上對教學(xué)內(nèi)容的定位、學(xué)情的分析，本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)設(shè)計如下.

本節(jié)課的總目標(biāo)是：通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)，使學(xué)員在獲得物理知識的同時，培養(yǎng)其創(chuàng)新能力，激發(fā)其探索精神，弘揚(yáng)科學(xué)精神，形成有利于個人終身發(fā)展和適應(yīng)社會需求的帶有物理學(xué)科特性的品質(zhì)和關(guān)鍵能力.

本節(jié)課教學(xué)的分目標(biāo)從物理觀念的形成、科學(xué)思維方式的培養(yǎng)、科學(xué)探究能力的培養(yǎng)、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任感和情感培養(yǎng)5方面來表述.

通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)，使學(xué)員形成以下物理觀念，系統(tǒng)地獲得“等傾干涉”的基本概念、基本理論等知識；掌握平行平面膜等傾干涉條紋分布特點(diǎn)，使學(xué)員初步具有現(xiàn)代物理觀念，能用這些物理觀念解釋自然現(xiàn)象和解決實(shí)際問題.

通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)員科學(xué)思維方式，使學(xué)員學(xué)會將物理問題數(shù)學(xué)化的方法，培養(yǎng)其模型建構(gòu)的科學(xué)思維方式；進(jìn)而使學(xué)員在科學(xué)推理、科學(xué)論證等科學(xué)思維能力方面受到初步訓(xùn)練；同時，培養(yǎng)學(xué)員綜合運(yùn)用所學(xué)物理知識分析問題、解決實(shí)際問題的能力和獨(dú)立獲取知識的能力.

通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)員科學(xué)探究能力，使學(xué)員具有科學(xué)探究意識，能在學(xué)習(xí)和日常生活中發(fā)現(xiàn)問題、提出合理猜測與假設(shè)；會使用各種方法和手段分析、處理信息，描述、解釋科學(xué)探究結(jié)果，從而提高學(xué)員的科學(xué)素養(yǎng)以及綜合素質(zhì)；實(shí)現(xiàn)知識、能力與素質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展，為培養(yǎng)具有較強(qiáng)的創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的高素質(zhì)新型軍事人才奠定基礎(chǔ).

通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)員科學(xué)態(tài)度與責(zé)任感，使學(xué)員能正確認(rèn)識科學(xué)的本質(zhì)；喚起學(xué)員學(xué)習(xí)和研究物理的好奇心以及求知欲；培養(yǎng)學(xué)員實(shí)事求是，不迷信權(quán)威的科學(xué)態(tài)度；在進(jìn)行物理研究和物理成果應(yīng)用時，能遵循普遍接受的道德規(guī)范；理解科學(xué)、技術(shù)、社會、環(huán)境的關(guān)系，熱愛自然，珍惜生命，具有保護(hù)環(huán)境、節(jié)約資源、促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展的責(zé)任感.

通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)員情感能力，幫助學(xué)員建立辯證唯物主義世界觀；通過學(xué)習(xí)等傾干涉的圖樣讓學(xué)員認(rèn)識物理學(xué)中具有的明快簡潔、均衡對稱、奇異相對、和諧統(tǒng)一等美學(xué)特征，培養(yǎng)學(xué)員的科學(xué)鑒賞力、洞察力和審美觀，使學(xué)員學(xué)會用美學(xué)去欣賞和研究科學(xué)的內(nèi)在規(guī)律，培養(yǎng)學(xué)員的高尚情操.

4 教學(xué)策略設(shè)計

4.1 總體策略

重現(xiàn)物理現(xiàn)象，引出教學(xué)內(nèi)容，教員精講物理知識、概念、原理、定律等，最后是物理知識的應(yīng)用，包括典型物理例題的講解；用本節(jié)課所學(xué)知識解釋之前的物理現(xiàn)象，聯(lián)系物理前沿知識及軍事應(yīng)用.即“提出問題——分析問題——解決問題” 的教學(xué)思路.

4.2 教學(xué)內(nèi)容設(shè)計

4.2.1 導(dǎo)入課程(2 min)

首先展示日常生活中常見的光的干涉現(xiàn)象：如圖 1所示，雨天路面上積水的表面出現(xiàn)彩色的花紋;肥皂泡在陽光下五光十色;昆蟲(蝴蝶、蜻蜓等)的翅膀在陽光下形成絢麗的彩色等薄膜干涉的現(xiàn)象導(dǎo)入本課題.

圖1 薄膜干涉現(xiàn)象

4.2.2 教學(xué)過程(40 min)

(1) 薄膜干涉的基本原理(15 min)

1)演示“實(shí)驗室薄膜干涉演示實(shí)驗”，從而得到薄膜干涉的光路圖如圖2所示,并進(jìn)行分析.在此基礎(chǔ)上分別討論兩束反射光和兩束透射光的光程差，其中重點(diǎn)討論兩束反射光的光程差.

圖2 薄膜干涉光路圖

2) 在機(jī)械波中學(xué)員已經(jīng)對波密介質(zhì)和波疏介質(zhì)有了解，知道從波疏到波密介質(zhì)存在半波損失現(xiàn)象.因此，在教師引導(dǎo)下學(xué)員很容易得到兩束反射光的光程差為

δ反=n2(ab+bc)-n1ad+

(1)

再由幾何關(guān)系得反射光的光程差

(2)

學(xué)員可根據(jù)機(jī)械波中干涉相長和干涉相消的條件得到當(dāng)反射光的光程差滿足以下條件時，出現(xiàn)反射光干涉明紋或暗紋

(3)

3) 為了讓學(xué)員了解在各種不同折射率的介質(zhì)中發(fā)生薄膜干涉的光程差，我們對半波損失討論并得出以下規(guī)律：

最后，用固定變量法討論i和e分別變化，得到等傾干涉和等厚干涉的定義.

(2) 等傾干涉(25 min)

1) 等傾干涉現(xiàn)象演示

用PPT展示平行平面膜等傾干涉的光路圖，如圖3所示，并給出平行平面膜等傾干涉的干涉圖樣如圖 4所示.這里強(qiáng)調(diào)“等傾干涉定域在無限遠(yuǎn)，只能通過透鏡會焦無限遠(yuǎn)才能看到”.

圖3 PPT展示等傾干涉光路圖

圖4 等傾干涉圖樣

2) 干涉條紋的特點(diǎn)

首先展示等傾干涉圖樣，如圖4所示，并定性描述干涉條紋的特點(diǎn)之一：

①等傾干涉條紋是一系列內(nèi)疏外密的同心圓環(huán).

緊接著根據(jù)產(chǎn)生明暗干涉條紋的條件表達(dá)式(2)和式(3)定量的總結(jié)給出干涉條紋的特點(diǎn)之二：

②光的入射角i越小，干涉級k越高，條紋越靠近中心.

3) 平行平面膜的應(yīng)用

根據(jù)上述平行膜光程差的計算規(guī)律和形成明暗紋的干涉條件，討論平行平面膜的兩個應(yīng)用：增透膜和增反膜.通過具體計算分析以MgF2為鍍層的增透膜,如圖5所示，MgF2和ZnS交替鍍膜的高反射膜,如圖6所示.并展示照相機(jī)鏡頭表面鍍有增透膜，如圖7所示.

圖5 MgF2增透膜

圖6 MgF2和ZnS交替鍍膜的高反射膜

圖7 表面鍍有增透膜的照相機(jī)鏡頭

4.2.3 小結(jié)(3 min)

(1) 薄膜干涉反射光的光程差及明暗條紋

(2) 等傾干涉條紋的特點(diǎn)

4.2.4 作業(yè)：P159 17

4.3 教學(xué)方法設(shè)計

(1)教學(xué)組織形式：課堂教學(xué)——大班教學(xué).

(2)教學(xué)模式：講授式、學(xué)導(dǎo)式、研討式，分層次教學(xué)法.

(3)本門課程采用的教學(xué)手段：多媒體相結(jié)合、網(wǎng)絡(luò)課程.

(4)科學(xué)方法：觀察法、實(shí)驗法、比較法、歸納法、固定變量法.

4.4 教學(xué)準(zhǔn)備(教學(xué)資源)

(1)課程文本：大學(xué)物理課標(biāo)、多媒體課件、教案.

(2)教學(xué)設(shè)施：多媒體教室.

(3)網(wǎng)絡(luò)資源：“天空教室網(wǎng)站”可實(shí)現(xiàn)教師與學(xué)員的課下互動，實(shí)現(xiàn)分層次答疑解惑的效果.

5 教學(xué)流程

教學(xué)流程如圖8所示.

圖8 教學(xué)流程圖

6 教學(xué)評價

教學(xué)評價手段：強(qiáng)調(diào)對學(xué)員學(xué)習(xí)過程的評價，多采用提問式評價、紙筆測驗評價、活動表現(xiàn)評價.

教學(xué)效果評價：該教學(xué)設(shè)計在實(shí)際教學(xué)中很好地完成了教學(xué)計劃所規(guī)定的授課內(nèi)容；基本上完成了課程所設(shè)定的教學(xué)目標(biāo)；通過“天空教室網(wǎng)站”的答疑功能，分層次的答疑解惑，很好地解決了學(xué)員學(xué)習(xí)水平參差不齊的問題，教學(xué)效果顯著.

學(xué)習(xí)效果評價：通過本次課的講授，大部分學(xué)員很好地掌握了薄膜干涉的知識，掌握平行膜干涉條紋分布特點(diǎn)，了解了薄膜干涉在日常生活、工業(yè)生產(chǎn)和軍事科研領(lǐng)域的部分應(yīng)用；同時，學(xué)員運(yùn)用所學(xué)物理知識分析解決實(shí)際問題的能力也有所提高，獨(dú)立獲取知識的能力得以進(jìn)一步提高；通過本次課的學(xué)習(xí)，學(xué)員進(jìn)一步領(lǐng)略到了物理學(xué)的美學(xué)價值，領(lǐng)略到了自然界之美.

7 教學(xué)反思

教學(xué)設(shè)計要能突出重點(diǎn)，為了突出本堂課的重點(diǎn)、難點(diǎn)，教師在上課開始時，可以在黑板的一角將這些內(nèi)容簡短地寫出來，以便引起學(xué)員的重視.

例題的選擇要圍繞教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)進(jìn)行，刪減了課本上部分的例題，減少了教學(xué)工作量，但突出了重點(diǎn)，并且滿足了本班大部分中等學(xué)習(xí)水平學(xué)員的學(xué)習(xí)需求，而對于中等以上學(xué)習(xí)水平的學(xué)員，可以采取自學(xué)或 “天空教室網(wǎng)站”分層次答疑的方式來滿足其學(xué)習(xí)需求.