在思维与实验的互动过程中构建认知——“光的全反射”教学的案例设计与分析，本文主要内容关键词为：全反射论文,互动论文,认知论文,过程中论文,思维论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
在物理教学中，如何转变学生的学习方式，达到新课程倡导的主动学习、探究学习、协作学习等新的学习方式，实现知识、过程和情感教学的三维目标，已成为每一位教师认真探索的课题。物理学是一门以观察、实验和物理思维相结合的学科。物理概念和规律是从具体的事实和现象中抽象出来的，学生在形成物理概念和规律时，必须具备足够丰富的感性材料，而物理实验则可以提供精心选择的、经过简化和纯化了的感性材料，它能使学生对物理事实获得明确、具体的认识。但感性材料只是对实验结果的感知印象，要形成抽象的物理概念和规律，还要主动地选择信息和加工信息，即进行分析、综合、比较、判断和推理等思维活动。因此，在物理教学中，要实现新课程倡导的教学理念，就离不开思维教学和实验教学的途径。下面的“光的全反射”教学案例，在课题提出、课题研究和课题应用的整个教学过程中，分别设计思维和实验的互动情境，使学生在构建知识意义的同时，获得对物理研究过程的理解和学习情感的体验，促成新课程理念的实现。
一、课题提出——在逻辑佯谬和实验疑惑的互动中发现问题
物理学研究始于问题，没有问题，就不可能有研究，物理学就会停滞不前，不能发展，正如爱因斯坦所说“提出一个问题比解决一个问题更重要”。物理学知识体系应该具有逻辑性和自洽性，但是，许多物理理论，从常理出发常会推出某些逻辑佯谬，或者出现实验现象与物理原理相互矛盾的困惑情境，由此可以提出新的物理问题，找到新的研究课题。从心理学的角度看，一个出乎预料或与常理相悖的问题，能引起学生的认知冲突，激发求知的欲望。在“光的全反射”教学中，可以从思维困惑和实验置疑两方面提出两个引入思考的问题。
1.逻辑佯谬
问题：如图1所示，一束光从玻璃中斜射到与空气的分界面处，入射角与折射角相比，哪个角较大？若已知玻璃的折射率为1.5，入射角为45°，求此时的折射角多大？
学生：折射角大于入射角。设入射角为i，折射角为r，
则sinr=nsini=1.5sin45°=1.061＞1。
教师：折射角的正弦值大于1，显然不合理，问题出在哪里？
2.实验疑惑
演示：如图2，用激光小电筒对准弯曲的玻璃棒一端照射，可看到红色光线沿着弯曲的玻璃棒传播，并从另一端射出。
教师：在同一介质中，光是沿着直线传播的。那么，现在为什么又能沿着弯曲的玻璃棒传播？
上述两个问题，在理论推导和实验现象上，都与我们已有的知识经验相矛盾，这是什么原因呢？本节课，我们来探究这个原因。
二、课题研究——在思维推测和实验验证的互动中构建认知
问题能激起探究的欲望，但对问题的探究需要思维的层层剖析，需要对问题步步深入的严密的逻辑推理和大胆的猜想；推理和猜想的结果只是主观的臆测，它的对与错、真与假需要实验的验证，没有经过实验验证的结论充其量只是一种假说而不能称为真正的规律；而实验的设计、信息的选择、结论的推演，又需要借助思维完成。物理学的研究是思维与实验交融互动的过程，没有实验会缺乏思维的素材，没有思维实验就无从谈起。这是物理学研究的一般过程，也是学生学习物理构建认知的一般规律。“光的全反射”的教学过程也遵循这一认知规律。
在完成了光密介质和光疏介质的基本概念的学习后，教学的重点在于对全反射现象和全反射条件的探究。
1.全反射现象的思维推测
教师：在图1中，光从玻璃射向空气，当入射角增大时，折射角怎么变？哪一个角先增大到90°？
学生：当入射角增大时，折射角也增大，由于光从玻璃射向空气，折射角总大于入射角，所以折射角先增大到90°。
教师：折射角增大到90°后，如果再增大入射角，那会出现什么现象？
学生：折射光可能会回到玻璃这一侧，也就是可能没有了折射光而只有反射光了，即入射光全部被反射。
教师：这个结论是我们根据折射定律作出的一个推测，是否真的如此，要通过实验验证。
2.全反射现象的实验验证
由学生讨论确定演示步骤后再由教师操作完成。
用如图3所示的光具盘和激光小电筒演示。在移动激光小电筒逐渐增大入射角i的过程中所发生的现象，要求学生仔细观察。
图3
演示后提问：看到了什么现象？
学生：当入射角增大到某一角度后，折射光线突然消失，而反射光线更加明亮。
教师：还有什么现象吗？
再演示一遍，并根据学生情况提示观察折射光和反射光的强度变化。
学生：随着入射角的增大，折射光的强度逐渐减弱，反射光的强度逐渐增强。
小结：实验和理论的研究都表明，当入射角增大到某一角度后，会发生只有反射光而没有折射光的现象，这种现象叫光的全反射。
从折射光强度和反射光强度的变化，说明光的全反射现象符合辩证唯物主义的量变质变规律。
3.全反射条件的理论分析
教师：请大家思考，若光从空气射向玻璃会否发生全反射？由此可得出全反射的条件之一是什么？
学生：若光从空气射向玻璃，入射角大于折射角，即使入射角增大到90°，折射角还是小于90°，不可能发生全反射。
教师：实际上，光从光疏介质射到光密介质都是如此，因此，发生全反射的条件之一是：光必须从光密介质射向光疏介质。除此之外，还要什么条件呢？
学生：由刚才的实验可看出，入射角要大于某一角度才能发生全反射。
由此引出临界角的概念，分析临界角的定义、临界角的计算公式。
结论：发生全反射的条件，一是光必须从光密介质射向光疏介质，二是入射角要大于或等于临界角。
4.全反射条件的实验验证
用光具盘和激光小电筒演示验证光从空气射向玻璃时，入射角从0°增大到90°的过程中，都不会发生全反射现象。
三、课题应用——在实验呈现和理论解释的互动中提升认知
从认识论的角度看，由一次实验得出的规律不一定普遍成立。因为由不完全归纳得出的结论具有或然性，如果它能够比较合理地解释其他相关的实验现象，也就间接地验证了这一结论的正确性；心理学的“随即通达教学”理论指出：在学习过程中，认知任务不是一次性完成的，对同一内容的学习要在不同的时间内多次进行，每一次的情境都要经过改造，具有不同的目的，着眼于不同的侧面，通过不同途径、不同方式进入同一学习内容，从而获得对学习内容更加全面而深入的理解，产生认识上的飞跃。为了进一步完善学生对全反射的认知建构，再次设计思维和实验的互动情境，通过对全反射相关实验现象的观察、思考和解释，加深理解和应用全反射知识。
实验演示：将一中空玻璃试管放入一个盛水的烧杯如图4，可以看到浸入水中的玻璃试管特别明亮，像镀了一层银似的。
图4
引导分析：当光从水中进入玻璃再进入空气中时，在玻璃和空气的分界面处（即玻璃试管内壁）会发生全反射，因此看上去特别明亮，像镀了一层银似的。
教师：能否用进一步的实验来验证上述分析？
实验验证1：在试管中插入一根筷子，水面以下部分的筷子看不见。（引导学生沿图4的视线方向观察）
实验验证2：再往试管中注入水，可很清楚地看到试管中水面以下部分的筷子。
引导分析：在实验验证1中，由于光在玻璃和空气的分界面处发生全反射，反射光很强烈，而从试管中的筷子上发出并进入人眼的光，相对反射光而言很微弱，因此看上去玻璃试管特别明亮，而几乎看不到筷子。在实验验证2中，往玻璃试管中注入水，光疏介质的折射率变大，全反射的临界角变小，部分光线的全反射条件被破坏，反射光的强度大大减弱，因而能看到筷子。
引导学生用光的全反射，解释课题引入中所见到的光在弯曲的玻璃棒中传播的现象，并说明光导纤维的原理。
本课题设计的“光的全反射”教学案例，抓住物理学研究中思维与实验紧密结合的基本特点，遵循“实践、认识、再实践、再认识”的认识规律，在构建知识与技能的过程中，突出研究过程与研究方法的培养，使学生经历了从困惑到探究再到领悟的情感体验，对提高学生的全面素质将起到积极的促进作用。
注1：用激光小电筒做光具盘的光源，光束要有一定的宽度，为此，激光小电筒可作如下改进：取一根直径与激光小电筒出光孔直径相近的玻璃棒，用钳子截取约1cm长度，横放在出光孔上，并用透明胶布粘牢即可，如图5所示。玻璃棒可在化学实验室获取。
注2：在做“往浸入水中的玻璃试管中插筷子，而筷子不能被眼睛看到”的实验时，眼睛应在如图4所示的位置上，即视线应大致沿着玻璃试管的倾斜方向，最好不要在视线与玻璃试管垂直的位置或其他侧向位置（如图6中的各个位置）上，因为在这些方向上全反射的反射光不是很强烈，还可以看到筷子（但不是很清楚）。