光的偏振性教学设计

李小芳

(中北大学信息商务学院 山西 晋中 030600)

目前，大部分高校在《大学物理》课程的教学中仍采用传统教学方式，而且由于学时的限制，教学中关于物理知识的实际应用涉及很少，导致大部分学生认为学习物理没有用处，普遍缺乏学习兴趣.针对上述现状，本文以“光的偏振性”为例[1～4]，尝试寻求一种更加有效的教学方法，从偏振现象的实际应用出发，将理论知识讲授与实验验证相结合，利用各种信息资源和信息技术支持学习，以期达到良好的教学效果.教学中强调对学习过程的评价，将是否积极参与教学活动，是否能应用所学知识来解决实际问题作为考核标准，激发学生内在的学习动力.

1 教学背景分析

1.1 教学任务分析

参考教材:《物理学》(马文蔚，高等教育出版社，第六版).

授课内容：第十一章第九节“光的偏振性 马吕斯定律”.

授课对象：本科二年级第一学期非物理专业学生.

授课学时：45 min.

1.2 先修课程分析

学生在学习本教学内容之前，已经初步掌握了机械波，光的干涉及光的衍射的相关内容，且在初中的时候也已经接触过偏振的基本概念，为本节课的学习奠定了基础.

1.3 授课学生分析

独立学院学生学习基础参差不齐，有的学生物理基础较好，而且接触过偏振片等光学仪器，授课之前已经对课程有一些理解；有些学生高等数学基础薄弱，对微积分不熟悉，将微积分知识应用到物理中后，学习起来感觉吃力；有些学生光学基础薄弱，对光的理解不足；有些学生思维活跃，对实用性课程很感兴趣，但是注意力依赖于教师的授课方式.

2 教学目标

2.1 知识目标

(1)理解光的偏振现象；

(2)掌握自然光、偏振光、部分偏振光的表示方法和区别；

(3)掌握马吕斯定律以及利用偏振片辨别自然光、偏振光、部分偏振光的方法；

(4)理解相机滤光及3D电影的原理；了解沙蚁导航定位原理.

2.2 能力目标

(1)通过本课的学习培养学生科学的思维方法以及合作学习的能力；

(2)引导学生用已学的偏振原理来解释一些实际问题的应用，提高学生灵活运用物理知识解决实际问题的能力.

2.3 素质目标

(1)通过学习，使学生具有一个合理的、开放的物理知识结构和背景，并能以此为基础，去接受、理解当代科技的新概念、新技术；

(2)学生可以运用本节内容中学到的科学思维方法，来解决以后学习、工作和生活中遇到的相关问题.

2.4 教学重难点

(1)教学重点

掌握偏振光辨别方法以及马吕斯定律；能够利用所学偏振知识解释相关的实际应用.

(2)教学难点

关于自然光分解为两个相互垂直的光振动的理解；运用所学的偏振原理去正确地解释大家所熟悉的生活现象.

3 教学资源设计

教学资源的媒体类型、简介、来源以及使用方式如表1所示.

表1 教学资源

4 教学方式与方法

根据学生的学情特点和心理特点，对教学内容进行适当取舍和设计.从偏振的实际应用出发，引导学生积极主动地学习，激发学生学习兴趣；利用多媒体、图片、视频、动画、蓝墨云班课App等信息资源和信息技术，使学生能够生动具体地理解知识，从而突破教学重难点；将理论知识讲授与实验验证相结合，创设实验情境，增强学生的感性认识；最后引导学生用所学的偏振知识去解释生活中的实际应用，既可以活跃课堂气氛，又加深了学生对概念的理解，让学生明白“生活处处有物理”.

5 教学过程设计

5.1 教学流程图及时间安排

图1所示为教学流程图及时间安排.

图1 教学流程图及时间安排

5.2 教学环节设计

5.2.1 新课导入

播放科幻电影《蚁人2》中的片段：主人公找不到实验楼，蚂蚁军团为其导航.进而向学生介绍：蚂蚁有超强的定位导航功能，即使在沙漠这种既无参照物，又无气味可循的环境中蚂蚁也可以做到准确定位.介绍完毕后向学生提问：“蚂蚁为什么能够做到超强定位？生物的这种导航原理是否可以用在现代导航技术中？”从而引出新课.

设计意图：播放视频，提出问题，引起学生思考，且仿生的偏振导航是现代科学技术，实用性很强.将此作为导入能够吸引学生的注意，起到良好的引入效果.

5.2.2新课教学

利用绳子产生的机械波和一条狭缝介绍偏振的定义，引导学生理解偏振是横波固有的，光是横波，因此光有偏振现象.

教师向学生提问：“太阳光、手机屏幕发出的光、镜面反射的光有什么不同？”从而过渡到光具有不同偏振态，引出自然光、偏振光、部分偏振光的概念及表示方法.再使用图示分解法让学生明白自然光和部分偏振光的各个光矢量可以分解到两个相互垂直的方向上，且自然光没有优势方向，而部分偏振光有优势方向.

设计意图：从生活中常见的光出发，给他们提供一个似乎跟自己认知相冲突的知识，吸引学生注意力，为后面的知识做铺垫.

5.2.3 理论解析

(1)偏振片:起偏与检偏

教师向学生提问：“如何利用自然光获得线偏振光呢？获得偏振光之后又如何检测它呢？”引出起偏器和检偏器.介绍偏振片，并将实验器材偏振片发给学生进行传阅.接下来教师进行提问:“偏振片的获得方式？”，在回答该问题时，偏振片传递到哪位同学手里，哪位同学进行解答.通过让学生观察器材，引导其答出偏振片的获得方式，并能够指出偏振片上标记的偏振化方向.

了解偏振片后，分析自然光通过偏振片的透射光光强及偏振态，提出问题：“线偏振光通过偏振片后，透射光是什么偏振态，光强大小为多少？”从而引出马吕斯定律.

设计意图：传阅提问可以提高学生的注意力，活跃课堂气氛.在学生了解偏振片之后，循序渐进，引出马吕斯定律，使课程每个知识点之间联系更紧密.

(2)马吕斯定律

设计意图：使用信息化教学平台蓝墨云班课App来辅助教学，对抢答的学生都给予相应的经验值奖励，大大调动了学生的积极性.Flash动画的播放加深了学生对马吕斯定律的理解.

5.2.4 理论深化：偏振光的检测

(1)播放视频：台灯发出的光经过偏振片，偏振片旋转一周光强不变.

图2为台灯发出的光经过偏振片，偏振片旋转一周的视频截图.

图2 视频截图:自然光检测

学生分组讨论：产生这种现象的原因并得出结论.

得出结论：

1)由于自然光在各个方向上都有光振动，可以看成任意两个相互垂直的光振动的合成，且无优势方向，因此,旋转偏振片时透射光光强不变.

2)若通过偏振片的透射光光强不变，则入射光为自然光.

(2)播放视频：电脑屏幕发出的光经过偏振片，偏振片旋转一周消光两次.

图3为电脑屏幕发出的光视频截图，图4和图5分别为电脑屏幕发出的光经过偏振片，偏振片旋转一周得到的第一次消光与第二次消光视频截图.

图3 视频截图:线偏振光检测

图4 视频截图:线偏振光检测第一次消光

图5 视频截图:线偏振光检测第二次消光

学生分组讨论：产生这种现象的原因并得出结论.

得出结论：根据马吕斯定律，若通过偏振片的透射光强变化，且有两次消光，则入射光为线偏振光.

(3)播放视频：天空反射的日光经过偏振片后，偏振片旋转一周，光强变化，无消光.图6为天空反射的日光的视频截图.

图6 视频截图:部分偏振光检测

图7为天空反射的日光经过偏振片后，偏振片旋转一周，光强变化但无消光的视频截图.

图7 视频截图:部分偏振光检测光强变化，无消光

学生分组讨论：产生这种现象的原因并得出结论.

得出结论：

1)由于部分偏振光在各个方向上都有光振动，可以看成任意两个相互垂直的光振动的合成，但部分偏振光有优势方向，因此,旋转偏振片时透射光光强变化，但无消光.

2)若通过偏振片的透射光强变化，但无消光，则入射光为部分偏振光.

(4)播放视频：电脑屏幕发出的光(线偏振光)经过两个偏振片P1和P2，旋转P2，观察线偏振光通过P1后的出射光与线偏振光本身的不同.

图8为电脑发出的光经过两个偏振片的视频截图.

图8 视频截图:线偏振光经过两个偏振片

学生分组讨论：产生这种现象的原因并得出结论.

得出结论：根据马吕斯定律，线偏振光经过偏振片P1后出射光仍为线偏振光，但振动方向与偏振片的偏振化方向相同，与入射光不一定相同.

说明：学生在课前已经按ABBC(成绩等级)的组合分好.课上教师提问时随机挑选小组成员来回答问题，如果被挑选的成员回答不上来或者回答不充分，小组内其他成员可进行补充.该小组成员回答完毕后，其他小组成员可进行质疑.

最后教师总结：辨别生活中自然光、线偏振光和部分偏振光的方法.

图9为教师总结的课件截图.

图9 课件截图:偏振光的检测方法

设计意图：由于人眼无法区分偏振态，通过视频可以让学生深刻体会到光具有不同的偏振态，使知识生动具体，便于学生理解，从而提高学生的学习兴趣；教学过程中，采用分组讨论，“合作、质疑”的教学模式，不仅活跃课堂气氛，而且培养学生的合作学习能力，深化和拓展学生的思维.回答问题时随机挑选组员在一定程度上可以避免部分学生“搭便车”，增强学生的集体荣誉感.

5.2.5 学以致用

(1)照相机的滤光镜和太阳镜

图10为照相机镜头前不加偏振片拍摄的有反射光干扰的橱窗，图11为相机镜头前加偏振片消除反射光干扰后拍摄的橱窗，其中偏振片的作用是滤掉不必要的反射光.

图10 有反射光干扰的橱窗

图11 相机镜头前加偏振片消除了反射光干扰

学生分组讨论：利用偏振的知识分析相机滤光镜的原理.

教师总结：玻璃橱窗反射的光为部分偏振光，部分偏振光在各个方向上都有光振动，可以看成任意两个相互垂直的光振动的合成，且有优势方向.相机滤光镜为偏振片，当滤光片的通光方向与部分偏振光的优势方向垂直时，可以消除反射光的干扰.

(2) 3D电影原理

图12为双镜头摄像机.

图12 双镜头摄像机

讲解前，让学生做一个小游戏，伸出一个手指放于正前方，先只用右眼去观测，再只用左眼去观测，反复操作，这时学生会发现手指在左右跳动.学生对其感到好奇，从而引出人眼立体成像原理.

学生了解立体成像原理后，分析讨论立体电影模仿人的视觉原理如何拍摄画面，如何利用线偏振光放映，如何让观众带上偏振片眼镜看到立体效果影像的原理.

图13为3D电影放映与观看方式示意图.

图13 3D电影放映及观看方式

(3)沙蚁的导航原理及仿生偏振光导航

简单讲解沙蚁如何利用其复眼结构对天空偏振光进行感知，从而确定方向.并让学生了解一下仿生偏振光导航技术.

设计意图：教学过程中加入小游戏，可调动学生的学习积极性.“学以致用”环节，采用图片、视频等方式呈现，深入浅出地进行分析讲解，使物理规律贴近生活，同时也使学生印象深刻，牢固掌握.相机滤光镜原理的讲解也可以为下一节“反射光和折射光的偏振”的内容做铺垫，最后沙蚁的导航原理及仿生偏振光导航的介绍，不仅使得教学内容前后呼应，而且可以使学生了解相关的科学技术.

5.2.6 课堂小结

利用思维导图总结本节课知识点，如图14所示.

图14 课堂小结

设计意图：采用思维导图总结知识点，可图文并茂，不仅巩固所学，且理清了知识点之间的内在联系，构建了知识网络.

5.2.7 作业布置

利用蓝墨云班课App进行作业布置.

(1)知识应用：学生使用蓝墨云班课App下载视频“照妖镜”，利用偏振和液晶的知识解释其中蕴含的道理.

(2)在线测试题

设计意图：通过知识应用和在线测试巩固和检验所学知识.使用蓝墨云班课App布置作业便于教师记录及统计平时成绩.

6 学习评价

采用能力与知识并重的多元化考核体系，加大了平时成绩的比重，注重过程考核，激励学生主动学习.本节课由3部分成绩评价构成，分别为课堂表现(60%)、拓展应用(30%)及课后在线测试(10%)，课堂表现主要包括活跃课堂气氛、回答问题、抢答、小组讨论等.

以上3项成绩都使用蓝墨云班课App进行记录，保证学生随时了解自己平时成绩的动态.

7 教学反思

(1)以学习者为中心 注重能力培养

课程引导学生积极主动地学习，加强了生活实践和应用，尽力将物理与我们的生活实践、科学技术的发展相联系，激发学生学习兴趣.

(2)充分利用各种信息资源和信息技术支持学习

信息化多媒体平台的引入极大地丰富了课堂教学，提高了学生学习的参与度，激发学生内在学习动力，从而提高学习效率.

(3)强调对学习过程的评价

将学生在学习过程中是否积极参与教学活动，是否能应用所学知识来解决实际问题作为考核标准，激发学生的主观能动性.