高中学生“物理光学”重要知识点前概念调查分析

邱勤薇

（江苏省苏州第十中学，江苏 苏州 215006）

学生对物理现象的直观认识在他们接受正规的物理课程学习之前就已经存在了，并在这些认识的基础上形成了他们自己的思维体系.这种在学生系统地学习科学知识之前所具有的想法称为“前概念”.

当学生在学习过程中遇到问题时，常常会用已经形成的前概念去解释.即使学习了科学概念，当遇到问题时，他们仍会不自觉地用已有的前概念来解释，或者将自己的错误前概念与科学概念混在一起.

基于前概念的特征和影响，教师要先了解学生存在着哪些物理前概念，判断前概念是正确的还是片面的、错误的，以及这些经验是如何建立起来的，这样才能选择适当的教学策略帮助学生有效地形成正确的物理知识.因此，教师在开始讲授有关的物理内容之前，应通过一定的方式，如小组讨论、提问、问卷调查、试题测试等等，去深入了解学生前概念的存在情况.

本文对“物理光学”重要知识点的相关内容进行了前概念的调查和分析，并提出了相关的教学建议.

1 调查问卷的设计与实施

为了了解即将学习“物理光学”的高二学生有关光的特性、光的干涉、光的衍射、光的偏振、光电效应方面存在的前概念，为“物理光学”重要知识点教学建议的制定提供依据.笔者在文献调查基础上，对人教版高中物理3-4、3-5教材进行了系统分析.根据《高中物理课程标准》及《高中物理教学要求》中阐述的对“物理光学”相关概念的教学要求，结合自身的教学经验，同时在与经验丰富的教师多次交流的基础上编写了一份测查高二年级学生“物理光学”重要知识点前概念的调查问卷，从如表1中的几个维度进行了调查.

笔者选取了苏州十中2013届高二国际班和普通班的学生作为测试对象.国际班的学生生源质量较高，学生的基础较好；普通班的学生入学成绩相对略低一些，学生的基础也相对略差.依据学生入学成绩和学习能力的差异，有理由认为学生的认知能力表现出一定的梯度.为了保证测试的真实有效，所有问卷均由笔者或任课教师在课堂上发放完成，并声明：此调查与学生的学习成绩无关，要求学生认真独立的完成.问卷共发放82份，回收问卷80份，其中75份为有效问卷（国际班38份，普通班37份）.

表1

2 调查结论与分析

（1）高二年级学生学习光学知识前，对光的特性的理解存在的前概念.

①34.7%的学生将光等同于光源，8%的学生将光等同于光的作用效果，缺乏“空间光实体”这一科学概念.

②30.7%的学生混淆了照度与传播距离两个概念.

③76.0%的学生认为光线是一种实物，这主要是由于对光的空间实体性的不理解.

④62.7%的学生更倾向于认为光是在空间传播的某种波.

有这些错误前概念的学生为数不少，国际班比普通班的学生正确率略高一些，但也不容乐观.说明要认清光到底是什么，并不是一件容易的事情，所以在光学教学中要用实验现象、科学概念、科学规律来说话，帮助学生建立科学的概念.

（2）对“光”的干涉内容理解存在的前概念.

①73.4%的学生认为光的干涉条件和机械波的干涉条件一样，只要满足频率相同就可以了.

②88.0%的学生认为彩色油膜是折射引起的色散现象.

较有利于建立科学概念的前概念是：

①72.0%的学生认为在光的干涉现象中也有振动加强和减弱的区域.

②73.3%的学生知道路程差为波长的整数倍处出现明条纹，82.7%的学生明白路程差为半波长的奇数倍处将出现暗条纹.

由此可见，波的干涉的知识储备，对进一步学习光的干涉既有有利的一面，也有不利的一面.有利的一面表现在：学生能正确理解干涉中振动加强和减弱的意义及其形成原因，因为任何波动都有这样的共性；不利的一面则表现在：学生将机械波干涉的条件照搬到光的干涉中，而没有意识到两者本质的区别.

（3）对“光的衍射”内容理解存在的前概念.

高二学生在学习光的衍射以前，对衍射的了解是非常粗浅的，存在着这样一些前概念：

①54.7%的学生认为机械波能衍射而光只能沿直线传播，不会发生衍射.

②74.4%的学生将波发生明显衍射的条件照搬到光的衍射中来，认为能发生明显衍射的条件是：光的波长≥障碍物的尺寸.

这些认识是错误和片面的.此外，通过调查发现，学生对衍射现象很陌生，甚至与干涉现象发生混淆.这正是在教学中可以抓住的契机，让学生带着探究的精神在实验中学习.

（4）对“光的偏振”内容理解存在的前概念.

光的偏振现象和日常生活息息相关，调查发现33.3%的学生配戴过偏振太阳镜，58.7%的学生看过立体电影，40%的学生大致能推断出需要在照相机镜头前装上一种能减弱反射光的镜片.但是仅有12%的学生认为偏振太阳镜能减弱反射的太阳强光；仅5.3%的学生认为在观看立体电影时左右镜片透过的光不同，使眼接受的图像不一样；对于照相机镜头前偏振片是如何减弱反射光就无人知道了.在教学中应从偏振的实际应用切入，激发学生探究的兴趣，令他们感受物理与生活的无缝对接.

（5）对“光电效应”内容理解存在的前概念.

光电效应对学生来说无疑是陌生的，但是通过光传感器与太阳电池的对比，65.4%的学生能准确地回答出光传感器的工作原理.50.7%的学生都能通过比较，发现光传感器和太阳电池的工作虽然都离不开光，但本质是有区别的.仅有4%的学生提到光照使电子移动，而46.7%学生都是从能量转换的角度指出是将光能转化为电能，由此来模糊地解释.

3 “物理光学”重要知识点的教学建议

笔者在前概念调查研究的基础上，根据中学物理教学的特点、学生认知过程的特点以及教学实践，试图对物理光学教学给出一些有针对性的教学建议.

3.1 创设温故知新的问题情境

案例1.在调查中发现学生对机械波干涉的知识有利于光的干涉概念的建立.可设计如下教学片断.

问题1：投影水波稳定的干涉图样，让学生思考如果光也是波，光在空间叠加能看到什么？

图1

生：有的地方亮、有的地方暗.如图1.

问题2：类比机械波产生干涉的条件是：两列波的频率必须相同，我们已经能得到频率相同的光，也就是激光，下面演示两束激光叠加会出现什么现象，能否看到干涉现象？

生：没有看到干涉现象.

师：为什么呢？

生：两个光源的振动情况不相同，不是相干光源.

师：可见，光的干涉条件比机械波更严格，由于光振动的特殊性，要发生光的干涉除了两列光波频率相同外，还要满足相位差不变，即两个光源的振动情况完全相同.（因在前概念调查中发现，学生对光的干涉条件理解易受机械波前概念的影响，故应向学生讲清光波的特殊性）

问题3：如何用激光得到两个相干光源？

生：用激光照射双缝.

问题4：托马斯·杨的年代还没有激光，他是如何得到相干光源的？

生：烛光通过单缝、再通过双缝.

师：这是“一分为二”的方法.这也是杨氏双缝实验的巧妙之处，被称为十大最美丽的实验之一.这就是托马斯·杨的双缝实验，如图2.

图2

3.2 设计生动精巧的物理实验

案例2.针对调查中发现学生不理解薄膜干涉的现象，可通过精巧的实验辅以教学，帮助学生理解薄膜干涉的原理.

以往“薄膜干涉”教学时，只是教师一人演示，尽管实验很成功，但两侧或稍后一些的学生就观察不清干涉条纹.本节课将薄膜演示实验改为分组实验，让每个学生都亲手做实验.

（1）课前准备.

每个实验台上配有：酒精灯1盏、火柴1盒、食盐粉末少许、细金属圈1个（长轴约5cm，短轴约4cm）、3个分别标有1、2、3号、容积均为200mL的烧杯，分别装有约150mL但浓度不同的肥皂液.其中，1号烧杯中的肥皂液稠度适中，金属圈上形成的薄膜在重力作用下能持续10－20s，实验现象非常明显；2号烧杯中的肥皂液较稠，能够观察到干涉条纹但条纹间距小；3号烧杯中的肥皂液最稠，因金属圈上形成的膜太厚，观察不到干涉条纹.

（2）授课过程（实验操作辅以问题催化）.

实验1：点燃酒精灯，在酒精灯芯上撒少许食盐粉末，使酒精灯火焰变为黄色.将金属圈浸入1号肥皂液中缓慢拉出，使金属圈上产生一薄薄的肥皂膜.将肥皂膜竖直放置在酒精灯火焰后方，然后认真观察肥皂膜上的图像及其变化.

问题1：观察实验1干涉条纹有何特点？是哪两列光波发生的干涉？

问题2：随着时间的推移，实验1中的薄膜厚度怎样变化？干涉条纹发生怎样的变化？

实验2：用2号肥皂液再做实验，观察现象并与实睑1的现象对比.

实验3：用3号肥皂液做实验并观察现象.

问题3：干涉条纹为何是水平的？

问题4：看书并思考为何可用干涉法检查平面？干涉条纹是哪两个面的反射光叠加形成的？

案例3.针对调查中学生普遍认为光只能沿直线传播，无法理解光的衍射现象.可利用自制教具，让学生观察泊松亮斑，眼见为实以见证光的衍射现象.

① 实验器材：氦氖激光器、铁架台、夹子、金属杆、细缝衣针、小钢珠（直径分别为3mm、4mm、5mm、6mm）、白纸、钕铁硼强磁铁（细圆柱形）

② 实验装置：小钢珠被强磁铁吸住后吊在细缝衣针的尖端，如图3所示.

图3

图4

③ 实验图像：如图4所示.

3.3 联系实际应用

案例4.调查发现，学生对偏振现象较为陌生，缺乏探索的精神.在教学中可介绍偏振的实际应用以激发学生研究的兴趣.

（1）在摄影镜头前加上偏振镜消除反光.

在拍摄表面光滑的物体，如玻璃器皿、水面、陈列橱柜、常常会出现耀斑或反光，这是由于光线的偏振而引起的.在拍摄时加用偏振镜，并适当地旋转偏振镜面，能够阻挡这些偏振光，借以消除或减弱这些光滑物体表面的反光或亮斑.如图5所示.

图5

（2）立体电影.

偏振式3D技术，配合使用的是被动式偏光眼镜.偏光式3D技术的图像效果比色差式好，而且眼镜成本也不算太高，目前比较多电影院采用的也是该类技术，不过对显示设备的亮度要求较高.如图6所示.

图6

3.4 开展概念辨析

案例5.调查显示学生对光电效应现象普遍陌生，因此在教学过程中应当注重概念教学.

可通过介绍普朗克的量子理论及爱因斯坦的光子假说，向学生逐步渗透量子的思想.并对其中涉及到的概念如饱和光电流、截止频率、截止电压、光的强度做细致的辨析，在此基础上再顺势引入光电效应方程，较为符合高中学生的认知规律.

综上所述，在本次调查中发现，学生在学习物理光学的相关知识前存在着一些前概念，其中有些前概念对概念的形成是有利，但大多数前概念都对概念的形成起着干扰作用，这是教学设计时需要充分思考的问题，可以通过创设情景，引发认知冲突；巧设实验，纠正错误前概念；联系应用，激发学习的兴趣；概念辨析，巩固正确的科学知识.同时也要注意不同类型班级的差异性和因材施教.

1 课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.普通高中课程标准实验教科书物理选修3-4、3-5［M］.北京：人民教育出版社，2010.

2 姚启钧.光学教程［M］.北京：高等教育出版社，2002.

3 麦慧怡.前概念对中学生物理学习的影响及教学策略［J］.教育导刊，2010（10）.