“光的偏振”课堂设计的改进

王旭 李俊鹏

摘   要：基于物理核心素养，以“光的偏振”为例，在教学设计中突出对学生科学思维能力、实验探究能力、自主学习能力、创新思维能力的培养。

关键词：物理核心素养;光的偏振;实验探究;科学思维;社会责任感

中图分类号：G633.7 文献标识码：A    文章编号：1003-6148（2020）5-0028-4

物理概念教学是物理教学中关键的一环，但为了追求课堂效率，不少教师习惯于运用“告诉”的方式来推进教学，忽略了对学生物理核心素养的培养。物理核心素养是基础教育物理课程育人功能的集中体现，是当前深化我国物理课程改革的方向。在新课标的引导下，高中物理课堂的终极目标并不是停留于知识，而是引导学生经历科学探究过程，会使用科学研究方法，养成科学思维习惯，将物理回归生活、回归社会，增强创新意识和实践能力，形成科学态度、科学世界观和价值观，为做有责任感的未来社会公民奠定基础[1]。

本文以高中物理选修3-4第十三章第六节“光的偏振”课堂设计的改进过程为例，从物理课堂的趣味性、发展性、自主性和探究性及实践性四个方面，探讨如何在物理课堂教学中落实科学探究和实践创新能力的培养。

1    物理课堂要有趣味性，要能够激起学生学习的原动力

课堂引入环节的作用有两点。其一，激发学生兴趣，让学生的注意力快速集中到课堂中，并对整堂课充满期待。其二，产生认知冲突，让学生带着疑问开始课程的学习和探究。因此，一个简短、有趣的实验是必不可少的。

1.1    方案设计——“小球穿墙”演示实验

如图1，以“小球穿墙”演示实验作为引入。该实验仪器是由一口径为6 cm（略大于乒乓球直径）的透明玻璃管和两个偏振片构成。将一个偏振片沿着透振方向卷成圆柱， 另一个则垂直透振方向卷成圆柱，再将两底面对接起来，中间就会出现一面不透光的“黑墙”。

教师演示小球穿墙而过：将乒乓球放入管内，倾斜玻璃管，乒乓球会从一端滑下穿过“黑墙”，滑到另一端。这一现象成功引起了学生的兴趣。此时，教师将筒口朝向学生，让学生观察到变换视角后“墙”的消失。在学生震惊于实验现象的时候，教师提问“这面忽隐忽现的‘墙到底是由什么光学现象产生的？”引导学生带着问题开始课堂学习。

1.2    方案的优点和缺点

所设计的学生活动确实调动了学生的热情，使学生产生了疑问，但学生参与性不强。教师不断提问，引导学生生成问题的方法虽有效，但不利于学生思维的发展和思维习惯的养成。

1.3    方案改进——“穿墙取物”魔术

“古有崂山道士穿墙之术，今有物理老师穿墙取物”，教师借助风趣的语言描述，随机选取学生，由学生进行“穿墙取物”魔术的演示（图2），并由学生向大家展示沿着筒方向观察“墙”消失的现象。在此过程，学生情绪立即升向高潮，同时对未知现象充满好奇，激起学生对此部分知识进行探究的动力。

1.4    设计意图

利用“自然光不能通过透振方向相互垂直的两个偏振片”这一特性，做一个演示“穿墙取物”的教具，并由学生上台演示和讲解，教师配合调动气氛，利用视觉冲突吸引学生的注意力，引发学生思考，从而使学生进入本节课的学习状态。

2    物理课堂要有发展性，要能够承上启下，推进学生通过类比从旧知识生成新知识

回顾旧知识生成新知识，借助已有机械波中横波、纵波的概念，分析横波偏振的特点，展开本节课内容的学习。

2.1    方案设计——问题设置，类比说明

教师引领学生回顾机械波中横波、纵波概念。展示“腰横别扁担进不了城”图片（图3），并提问：怎么才能通过城门呢？

教师引导学生进行类比，同时展示一组窄缝对波传播影响情况的对比图，教师引导：当窄缝的方向与振动方向一致时，波能否透过窄缝？若窄缝方向与振動方向垂直时，波能否透过窄缝？

学生回答，教师概括：这种现象就是横波的偏振现象，也是横波的特性。

2.2    方案的优点和缺点

学生已经知道横波、纵波的概念和特性。通过教师的问题引导和举例类比，能够引导学生建立偏振的概念。但此过程是教师引导为主，不利于学生思维能力的培养。同时，该方案尽管可以做到“承上”，但没有能够很好地发挥该环节“启下”的作用，不利于本节课后续知识的生成。

2.3    方案改进——“横波偏振”演示实验

实验演示：打点计时器作为波源，在打点计时器振针与铁架台间连接一紧绷的弹性绳，适当调节弹性绳的长度，打开打点计时器，弹性绳形成稳定驻波。演示窄缝与绳波振动方向相同和相互垂直时，对绳波传播的影响（图4）。

学生：窄缝与振动方向一致时，绳波可以透过窄缝继续传播;窄缝与振动方向垂直时，绳波无法透过窄缝。

教师：这种现象就叫做“偏振”。纵波有没有偏振现象？

学生：仅横波具有偏振现象。因此，可以通过探究波是否具有偏振现象来区分横波和纵波。

教师：结合本实验，你能否设计出探究光波是否是横波的实验？

学生：刚才实验中绳波仅能通过一定方向的窄缝，旋转窄缝，让绳波通过，观察窄缝后振动的强弱，判定绳波有无偏振现象。关于光波是横波的验证，我们需要光源和一个仅允许光波在一定振动方向透过的“特殊窄缝”，旋转“窄缝”，观察有无明暗变化。

2.4    设计意图

“横波偏振”演示实验在本节课中起到了承上启下的作用。在实验展示和现象解释的过程中，引领学生回顾了机械波的相关知识，并进一步推动学生对知识进行加工，生成新知识。同时，此演示实验也是学生自主设计光偏振探究实验的重要类比对象。以“横波偏振”演示实验作为整堂课的过渡环节，既能很好地体现物理知识的发展性，又能充分调动学生自主思考的积极性，培养学生的科学思维能力。

3    物理课堂要有自主性和探究性，要能够激励学生自主思考

实验探究和概念生成的过程作为课堂的核心部分，要充分调动学生的自主能动性，教师应化为课堂的导师，激励学生自主思考。在生成知识的同时，注重对学生科学思维能力、实验探究能力以及利用科学术语与他人沟通交流能力的培养。因此，教师有效、简短的引导，学生独立、自主的思考和探究，是课堂中对学生物理核心素养培养的重要环节，可谓是一堂课的强心剂。

3.1    方案设计——构建问题链，引导知识生成

此教学环节包含光偏振的实验探究、自然光和偏振光概念的生成，是本节课的重要部分。教师通过建立问题链，引导学生完成实验设计，观察实验现象，总结实验结论，生成物理概念和规律。

在介绍了光偏振的探究实验后，学生展开实验并陈述实验现象。教师进行总结，生成“光偏振”的概念，证明光是横波。进一步探究光波振动的特点，教师带领学生回顾实验现象，并提问：

“仅有一个偏振片时，光能通过但会变暗，说明什么？”

“旋转偏振片，亮度不变又说明什么？”

学生回答，教师总结，最终生成光波振动特点以及自然光和偏振光的概念。

3.2    方案的优点和缺点

问题逻辑清晰，引导性强，基本能够按照教师的预设，引导学生完成问题，并最终生成物理规律和物理概念。但过程中教师语言引导过多，此时会存在如下问题：其一，不能够很好地发展学生的科学思维能力;其二，比起文字，语言在学生头脑中停留时间短暂，尽管问题逻辑性强，但学生很难在短暂时间内按照问题形成逻辑，只是机械地回答问题，按照教师的预期去生成答案;其三，不参与问题回答的学生在此部分参与度低。物理课堂教学不应只重视物理知识的生成，更应重视对学生核心素养的培养。

3.3    方案改进——学案辅助，小组讨论，自主生成

预设任务贯穿整个课程，引导学生自主思考、讨论，并最终生成物理概念。图5为教学过程中的预设问题。从光偏振现象实验探究的设计，到实验现象的观察和记录，再到基于实验现象讨论生成物理知识，以及关于“光波振动特点”问题的“小组讨论TIME”，全程以学生为主体，以实验探究和小组讨论为主要形式，充分调动学生自主学习的激情。

3.4    设计意图

物理课堂要有思维，有实验探究，要能够激励学生通过自主学习生成知识。此环节是本节课的重点和难点。高中阶段的学生对物理基本思想——类比思想和科学探究有一定的认识，有自主思考和实验探究的能力。在此教学环节中，依靠学案预设任务的引导，学生通过自主思考、探究、讨论、分析、总结，最终生成物理概念和规律。通过预设任务的引导，既能够有目的地完成教学任务，又能够充分调动学生的能动性，在新概念生成的同时，培养学生利用科学术语与他人沟通交流的能力和科学思维能力，保持学习和研究物理的内在动机。

4    物理课堂要有实践性，要能够学以致用，增强学生的社会责任感

物理源于生活，更应该回归生活。物理课堂的最终目标不是掌握知识，而是将学生培养成为对社会有贡献的创新型人才。因此，将物理知识回归实际是一节课必不可少的部分，更是一节课的升华。

4.1    方案设计——展示材料，理解应用

通过列举生活中的多个实例，将教学与生活结合，体现物理源于生活又应用于生活的学科特点。

情景1 偏振片在“照相反光”问题中的消光作用。

展示一组照片：一张由于水面反光影响了水下景色拍照的照片，一张同一环境、同一景色却能清晰呈现水下情景的照片。

提问：能否借助本节课所学知识讲述照片出现反光问题的原因。玻璃上的反光是偏振光，在镜头前加一块小小的偏振片后可以起到消光、弱光的作用，旋转偏振片到合适位置就可以轻松拍出清晰的画面。

情景2 偏振片在“夜间行车”问题中的保护作用。

老师播放“夜间行车远光灯的危害”小视频，并提出问题：能否借助本节课所学知识讲述解决“夜间行车”问题的方法，从而降低危害。

4.2    方案的优点和缺点

创设具体情境，利用所学知识解决生活中的实际问题，让学生认识到物理学的价值以及与生活、社会、科技的联系。但简单的讲授和讨论，无法让学生真正受到触动，不利于培养学生探究和创新的能力，不利于学生作为解决实际问题的参与者，不利于保持学生学习物理的原动力和增强学生的社会责任感。

4.3    方案改进——分组实验，解决实际问题

从生活走向物理，从物理走向社会，既有实验探究，又要将实验结论应用化。物理规律的应用不应该是生硬的讲解，而应该是促进学生掌握实验探究和科学思维的方法，发展科学探究能力、科学思维能力、自主学习能力、实践能力和创新能力的重要契机。

教师通过播放 “夜间行车远光灯的危害”小視频，展示“照相反光”问题的对比照片，引导学生借助今天所学的知识来解决身边的问题。

将学生分为两个小组，分发身边的小工具作为实验仪器。“夜间行车问题”小组：手电筒（模拟远光灯）一个，偏振片两个（如图6）;“照相反光问题”小组：一碗水，水中放置一枚硬币（被拍照物体），以及手机（照相机），偏振片两个（如图7）。身边的问题，熟悉的实验仪器，全新的物理知识，极为有效地激发了学生的兴趣，使学生全身心地投入到实验探究过程中。完成后，由小组代表上台展示自己的研究成果。

4.4    设计意图

物理来源于生活，可以利用物理知识解决生活难题，将实验探究所得的物理规律应用于解决实际问题。

生成新概念、掌握新知识是课堂的重要任务，但并不是终极任务。物理核心素养导向教学的最终目的是将学生培养为社会需要的有科学探究能力、科学思维能力、自主学习能力、实践能力和创新能力的新一代人才。

本节课将身边常见的物品设为实验器材，让学生亲自进行实验探究，解决问题。这样既可以显著提升学生的兴趣，激励学生自主思考、探究，激发学生学习物理的内在动机，又能在具体情境中，启发学生学会利用科学方法、科学思维分析研究问题，利用所学知识解决实际问题，让学生认识到物理学的价值以及与生活、社会、科技的联系，培养学生将科学服务于社会的精神，加强社会责任感，实现真正的素质教育。最后，通过实验探究过程，检验学生对概念的认识是否深刻、全面，帮助学生进一步内化、提高解决实际问题的能力。

5     总   结

物理课堂不应局限于讲授知识，更重要的是探究、实践和创新，只有在新课标引导下，满足学生可持续发展的需求，才是物理教学的根本使命。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2]肖凯龙，张军朋. 创设多元情景优化概念教学——以“光的偏振”教学设计为例[J].物理教师，2017，38（11）：5-11.

[3]周佳宁，张军朋. 核心素养导向下“光的偏振”教学的创新设计[J].物理教学，2018，40（8）：8-11.

[4]祁瑞娟，张轶炳，王芳芳，李贝. 基于问题探究的“光的偏振”教学设计[J].物理教学，2016，38（6）：58-61.

（栏目编辑    邓   磊）