張婷

［摘 要］基于核心素養(yǎng)發(fā)展的學(xué)習(xí)進(jìn)階教學(xué)，需要準(zhǔn)確地對教材和學(xué)情進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)相應(yīng)的教學(xué)流程；創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)情境，促進(jìn)學(xué)生形成物理觀念，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力；引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用物理知識解決實(shí)際問題，提升學(xué)生的科學(xué)探究能力；開展問卷調(diào)查，對教學(xué)效果進(jìn)行分析。文章以“全反射”教學(xué)為例進(jìn)行分析探討。

［關(guān)鍵詞］學(xué)習(xí)進(jìn)階；核心素養(yǎng)；全反射；教學(xué)設(shè)計(jì)

［中圖分類號］ ? ?G633.7 ? ? ? ?［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ ? ?A ? ? ? ?［文章編號］ ? ?1674-6058（2023）11-0060-04

學(xué)習(xí)進(jìn)階（Learning Progressions，簡稱LPs）也稱學(xué)習(xí)進(jìn)程，是對學(xué)生在一個時間跨度內(nèi)學(xué)習(xí)或研究某一個主題時，依次進(jìn)階、逐級深化的思維方式的描述，也指學(xué)生在一段時間內(nèi)學(xué)習(xí)某一核心概念時所遵循的思維發(fā)展路徑［1］。北京師范大學(xué)的郭玉英教授及其團(tuán)隊(duì)提出了更為具體的學(xué)習(xí)進(jìn)階層級模型［2］（如圖1），給一線教師的物理教學(xué)提出了指導(dǎo)性建議，也為學(xué)生對某一個核心概念的學(xué)習(xí)提供了詳細(xì)的路徑。本文以人教版物理選擇性必修第一冊第四章第二節(jié)“全反射”為例，遵循學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律并結(jié)合物理學(xué)科的特點(diǎn)，利用學(xué)習(xí)進(jìn)階理論開展實(shí)際教學(xué)，提升學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

一、教材分析

“全反射”是對折射定律的進(jìn)一步理解和應(yīng)用，本節(jié)的重點(diǎn)是理解全反射的概念和掌握發(fā)生全反射的條件，要求學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)情境建構(gòu)全反射的物理模型，能對全反射的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行分析和推理，具備科學(xué)解釋全反射棱鏡和光纖通信的能力。

二、學(xué)情分析

學(xué)生前面已經(jīng)學(xué)過折射定律、反射定律，了解了光在均勻介質(zhì)中是沿直線傳播的，具備學(xué)習(xí)全反射概念的基礎(chǔ)和能力，即使如此，由于全反射具有特殊性和復(fù)雜性以及學(xué)生對其有不同的認(rèn)知，因此本節(jié)課的內(nèi)容對學(xué)生來說還是比較困難的，具體體現(xiàn)在以下幾個方面。

（1）生活中遇到全反射的光現(xiàn)象很常見，但學(xué)生對其背后隱藏的道理難以理解，所以學(xué)生對本節(jié)內(nèi)容比較陌生，需要通過演示實(shí)驗(yàn)、學(xué)生實(shí)驗(yàn)、課后小實(shí)驗(yàn)等發(fā)現(xiàn)發(fā)生全反射的條件，再上升為理論，最后達(dá)到應(yīng)用的目的。

（2）現(xiàn)階段，學(xué)生的思維尚處于形象思維和感性思維階段，需要向抽象思維和理性思維發(fā)展，教師要根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，打破“光在均勻介質(zhì)中沿直線傳播”的思維慣性，提供更多的實(shí)驗(yàn)器材，精心設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，降低學(xué)習(xí)難度，以此幫助學(xué)生跨越概念理解的“臺階”。

（3）學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作的意愿很強(qiáng)，但正確操作實(shí)驗(yàn)器材的能力比較薄弱，對觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和得出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不能準(zhǔn)確地形成合理的結(jié)論，并且對于科學(xué)探究的過程和結(jié)果也不能進(jìn)行科學(xué)解釋。教師需要提供相對容易操作的實(shí)驗(yàn)器材，制訂切實(shí)可行的科學(xué)探究方案，引導(dǎo)學(xué)生處理和分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并養(yǎng)成對探究結(jié)果進(jìn)行交流和反思的習(xí)慣。

三、教學(xué)目標(biāo)

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》對“全反射”的內(nèi)容要求是：知道光的全反射現(xiàn)象及其產(chǎn)生的條件；初步了解光纖的工作原理、光纖技術(shù)在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用［3］。

四、基于學(xué)習(xí)進(jìn)階層級模型的設(shè)計(jì)流程

按照學(xué)習(xí)進(jìn)階理論的五個發(fā)展層級制訂“全反射”的教學(xué)方案，通過讓學(xué)生參與一系列實(shí)驗(yàn)探究活動，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力，具體設(shè)計(jì)流程如表１所示。

五、基于學(xué)習(xí)進(jìn)階層級模型的教學(xué)過程

（一） 層級1：經(jīng)驗(yàn)

教師在學(xué)生面前展示水流導(dǎo)光實(shí)驗(yàn)（如圖2），并利用流出的水（呈綠色）做平拋運(yùn)動的軌跡，讓學(xué)生觀察到綠色激光順著平拋運(yùn)動軌跡傳播為曲線的現(xiàn)象，再引導(dǎo)學(xué)生近距離觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象（如圖3）。

師：同學(xué)們，你們還記得光沿直線傳播的條件嗎？

生：同種均勻介質(zhì)。

師：你們看，這是一個透明的玻璃缸，老師在缸里放了一些清水，現(xiàn)在打開缸外面的綠色激光筆，可以看到什么現(xiàn)象呢？

生：光在水中沿直線傳播。

師：那有沒有可能光在同種均勻介質(zhì)中走彎路呢？

學(xué)生（紛紛搖頭，意見統(tǒng)一）。

師：接下來打開水缸上面的活塞，仔細(xì)觀察，出現(xiàn)什么現(xiàn)象？（如圖2）

生：?。繌澚?？

師：這是什么原因呢？光為什么會走彎路呀？請同學(xué)們近距離觀察一下。（如圖3）

生：哦？還是直線，是反射？

師：我們看到的光其實(shí)并沒有走彎路，只是在水和空氣的界面上不斷地反射，好像被牢牢地困在水中，出不來，這是為什么呢？看來光在水和空氣之間的傳播還發(fā)生了我們不知道的現(xiàn)象。

設(shè)計(jì)意圖：通過粗看實(shí)驗(yàn)和近看實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)設(shè)懸疑，激發(fā)學(xué)生對全反射概念的好奇，暗示了全反射產(chǎn)生的條件，為后面深入研究全反射做好鋪墊。新的物理概念對學(xué)生來說是陌生的，往往需要借助以往所學(xué)的知識或者生活經(jīng)驗(yàn)來理解，在教學(xué)過程中教師可以創(chuàng)設(shè)與以往的知識和經(jīng)驗(yàn)相矛盾的實(shí)驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣［4］。

（二）層級2：映射

利用光從水射向空氣和光從空氣射向水的兩組對比實(shí)驗(yàn)（如圖4），構(gòu)建全反射概念與實(shí)驗(yàn)條件的映射關(guān)系，在實(shí)驗(yàn)過程中形成與全反射概念相關(guān)的特征。

師：在光從水射向空氣的實(shí)驗(yàn)中。隨著入射角的增加，反射光線和折射光線的亮度發(fā)生了什么變化？對應(yīng)的能量怎么變化？

生：反射光線越來越亮，反射光的能量逐漸增強(qiáng)，折射光線越來越暗，折射光的能量逐漸減弱。

師：當(dāng)折射角等于90°時，折射光完全消失，此時反射光的能量等于入射光的能量，這種現(xiàn)象就叫作全反射。

師（繼續(xù)提問）：光從空氣射向水，能不能發(fā)生全反射呢？

生（提出猜想）：根據(jù)折射定律，光從空氣射向水時，入射角大于折射角，很可能入射角先到達(dá)90°，所以不能發(fā)生全反射。

演示實(shí)驗(yàn)（驗(yàn)證猜想）：當(dāng)光從空氣射向水時，證明學(xué)生的猜想是正確的。

設(shè)計(jì)意圖：通過兩個對比實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生認(rèn)識到全反射現(xiàn)象發(fā)生與不同介質(zhì)的折射率有一定的關(guān)系，讓學(xué)生對新概念由好奇轉(zhuǎn)向研究，并在新的實(shí)驗(yàn)情境中進(jìn)行合理猜想，最后對猜想進(jìn)行推理和論證。

（三）層級3：關(guān)聯(lián)

引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建具體關(guān)系。教學(xué)中，教師可以讓學(xué)生通過分組實(shí)驗(yàn)，自主探討全反射產(chǎn)生的條件。

學(xué)生實(shí)驗(yàn)：進(jìn)行兩組對比實(shí)驗(yàn)，記錄并分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（如表2），嘗試從得到的數(shù)據(jù)中總結(jié)物理規(guī)律，得出全反射的產(chǎn)生條件。

師：結(jié)合上面的實(shí)驗(yàn)，為什么有時能看到全反射，有時又看不到全反射呢？請同學(xué)們結(jié)合教材上的表格（表格中列舉的是生活中常見材料的折射率），討論一下發(fā)生全反射需要哪些條件。

生1：需要兩種不同的介質(zhì)。

生2：要讓光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)。

生3：要讓光從折射率大的介質(zhì)射向折射率小的介質(zhì)。

師：光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)就一定會發(fā)生全反射嗎？

生4：不一定，還要看角度，入射的角度也有要求。

設(shè)計(jì)意圖：通過不同的實(shí)驗(yàn)情境加深學(xué)生對全反射概念的認(rèn)知；通過抽絲剝繭分析引導(dǎo)，讓學(xué)生抓住全反射條件的本質(zhì)，再結(jié)合親身經(jīng)歷的實(shí)驗(yàn)，領(lǐng)悟全反射的條件，讓全反射概念不再抽象和空洞。

（四）層級4：系統(tǒng)

組織學(xué)生尋找本質(zhì)關(guān)系。教學(xué)中，教師可以引導(dǎo)學(xué)生推導(dǎo)光發(fā)生全反射的臨界角公式。

啟發(fā)學(xué)生利用光路可逆思想，如圖5所示，由全反射與折射率的定義計(jì)算光由水射向空氣中發(fā)生全反射時的臨界角，當(dāng)入射角為[θ1=90°]時，折射角[θ2]即為臨界角C，再根據(jù)折射定律：

[n=sinθ1sinθ2] ? ? ? ①

得到公式：

[sin C=1n] ? ? ? ?②

引導(dǎo)學(xué)生親自動手計(jì)算幾種介質(zhì)的臨界角并分析其大小與折射率[n]的關(guān)系，得出結(jié)論：不同的介質(zhì)，由于折射率不同，臨界角也是不同的，介質(zhì)的折射率越大，發(fā)生全反射的臨界角越小。

設(shè)計(jì)意圖：利用折射定律理論推導(dǎo)出臨界角公式，既促進(jìn)了學(xué)生對臨界角公式的理解，也為進(jìn)一步抽象出臨界角概念奠定了基礎(chǔ)。

設(shè)計(jì)學(xué)生活動的目的是為了讓學(xué)生主動參與課堂教學(xué)活動，讓學(xué)生成為課堂主人，同時增加學(xué)生自主探究臨界角公式的感性體驗(yàn)，這樣設(shè)計(jì)的教學(xué)流程，符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，為學(xué)生系統(tǒng)認(rèn)識全反射概念提供了路徑。

（五）層級5：整合

按照學(xué)習(xí)進(jìn)階層級模型，需要學(xué)生對物理概念進(jìn)行整合應(yīng)用，通過創(chuàng)設(shè)實(shí)際遇到的問題，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識和規(guī)律解決問題，提升學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力。

1.回到最初的懸疑實(shí)驗(yàn)——光在水中為什么走了彎路？

在教學(xué)過程中，為了掌握學(xué)生對全反射的理解情況，教師引導(dǎo)學(xué)生回到最初的懸疑實(shí)驗(yàn)——光在水中為什么走了彎路？引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識解決實(shí)際問題，從而培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。

師：為什么最開始的實(shí)驗(yàn)中水流可以導(dǎo)光呢？

生1：水就是光密介質(zhì)，空氣就是光疏介質(zhì)。

生2：還要滿足光在水中的入射角大于或者等于臨界角。

師：光在水和空氣界面不斷發(fā)生全反射，那么有沒有可能利用全反射把光引導(dǎo)到需要的地方？

生：有可能。

師：但是水流不好控制，有沒有什么替代的物質(zhì)？

生：玻璃？

師：普通的玻璃易碎，因此，可以用一種特殊的有機(jī)玻璃制成導(dǎo)光物體——光纖。

設(shè)計(jì)意圖：通過水流導(dǎo)光實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生深刻感受發(fā)生全反射的條件，同時構(gòu)建情境化問題：水流不好控制，有沒有什么替代的物質(zhì)？激發(fā)學(xué)生的好奇心，讓學(xué)生產(chǎn)生學(xué)習(xí)的需要和動力，積極尋找現(xiàn)實(shí)生活中的全反射模型（如圖6），為光纖通信的應(yīng)用埋下伏筆。

2. 光纖通信

生活中由于光的傳播速度快，可以把聲音信號等數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成光信號傳播出去，但是光的傳播容易受到障礙物的阻礙而不能順利到達(dá)接收器，把這一生活中常見的問題放進(jìn)課堂教學(xué)中，要求學(xué)生利用所學(xué)的全反射知識解決實(shí)際問題。

在全反射教學(xué)中，學(xué)生通過教師提供的實(shí)驗(yàn)裝置（如圖7）感受光在光纖（有機(jī)玻璃）中發(fā)生全反射，傳播聲音信號，進(jìn)而感受全反射在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用，加強(qiáng)學(xué)生對“物理知識改變生活”的感悟。

六、教學(xué)效果分析

以學(xué)習(xí)進(jìn)階的發(fā)展層級為路徑開展教學(xué)后，發(fā)現(xiàn)學(xué)生更容易對教學(xué)內(nèi)容感興趣，課堂教學(xué)中學(xué)生參與交流的行為達(dá)到了教師預(yù)想的目的。為了進(jìn)一步研究學(xué)生掌握課堂知識的情況，在教學(xué)結(jié)束后，筆者向全班50名學(xué)生發(fā)放調(diào)查問卷，回收有效問卷50份，統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如表3所示。

問卷調(diào)查結(jié)果表明，大部分學(xué)生對本節(jié)課的知識內(nèi)容已經(jīng)了解，并且能熟練操作實(shí)驗(yàn)儀器，對課后作業(yè)——光纖技術(shù)的原理，少部分學(xué)生認(rèn)為了解得還不夠深入?？梢姡蟛糠謱W(xué)生在學(xué)習(xí)進(jìn)階教學(xué)實(shí)踐中，理解了全反射知識，提升了實(shí)驗(yàn)操作能力，提高了學(xué)習(xí)興趣。

學(xué)習(xí)進(jìn)階理論要求教師在課前主動了解學(xué)生的認(rèn)知水平，在課中能及時有效地了解學(xué)生認(rèn)識科學(xué)概念的不同階段和不同程度，明確應(yīng)該在哪些方面進(jìn)行教學(xué)。學(xué)習(xí)進(jìn)階理論是一座連接學(xué)生思維水平和課堂教學(xué)實(shí)踐的橋梁，教師應(yīng)以學(xué)習(xí)進(jìn)階理論層級模型為指導(dǎo)，遵循學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，精心創(chuàng)設(shè)情境，科學(xué)組織教學(xué)過程，從而促進(jìn)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展。

［ ? 參 ? 考 ? 文 ? 獻(xiàn) ? ］

［1］ ?楊凱，李成金.學(xué)習(xí)進(jìn)階在教學(xué)中的應(yīng)用［J］.教師，2019（5）：63-64.

［2］ ?何春生，郭玉英.基于學(xué)習(xí)進(jìn)階的課堂教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐：以“功”為例［J］.物理教師，2016（10）：23-26，31.

［3］ ?中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)：2017年版2020年修訂［S］.北京：人民教育出版社，2020.

［4］ ?郭慶.基于學(xué)習(xí)進(jìn)階理論的探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究［J］.物理教學(xué)探討，2020（10）：21-24.

（責(zé)任編輯 易志毅）