摘" 要：傳統(tǒng)的課堂教學(xué)偏重于邏輯推理和方法技巧的訓(xùn)練，很少考慮如何以學(xué)生為主體來(lái)培養(yǎng)其核心素養(yǎng)。如何有效突破這一教學(xué)困境，是所有教師要思考的一個(gè)問(wèn)題。本文以高中物理“光的折射”一節(jié)的教學(xué)為例，以核心素養(yǎng)為導(dǎo)向，從物理規(guī)律出發(fā)，緊扣《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》，創(chuàng)設(shè)生活情境，巧妙設(shè)計(jì)、改進(jìn)探究實(shí)驗(yàn)，并結(jié)合人類探究物理規(guī)律的歷史進(jìn)程，歸納總結(jié)折射定律和折射率的內(nèi)涵本質(zhì)。

關(guān)鍵詞：光的折射；核心素養(yǎng)；教學(xué)改進(jìn)

基金項(xiàng)目：

本文系“蘇州市2022年度‘姑蘇教育人才’資助項(xiàng)目——《與信息技術(shù)融合指向深度學(xué)習(xí)的物理教學(xué)研究與實(shí)踐》”的研究成果（項(xiàng)目編號(hào)：RCZZ202253）、“江蘇省陶行知研究會(huì)‘十四五’規(guī)劃課題——《基于‘教學(xué)做合一’的物理課堂教學(xué)實(shí)踐研究》”的研究成果（項(xiàng)目編號(hào)：JSTY14633）、蘇州市教育科學(xué)十四五規(guī)劃課題——“與信息技術(shù)融合指向深度學(xué)習(xí)的物理教學(xué)研究與實(shí)踐”（課題編號(hào)：2022/LX/02/197/11）的研究成果之一。

物理教學(xué)不能僅局限于學(xué)科知識(shí)、技能的教育層面，更應(yīng)該重視課程對(duì)學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，有效落實(shí)教學(xué)在“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”及“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”這四個(gè)維度上的要求。對(duì)于

人教版《普通高中教科書(shū)" 物理

選擇性必修" 第一冊(cè)》中“光的折射”這部分內(nèi)容，由于學(xué)生在初中階段學(xué)過(guò)的知識(shí)已經(jīng)有所涉及，因此部分教師可能會(huì)在高中課堂教學(xué)中對(duì)此一帶而過(guò)，直接給出折射定律的內(nèi)容和折射率的概念，這種做法忽略了科學(xué)探究的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，違背了核心素養(yǎng)的要求。本文以

人教版教材為基礎(chǔ)，以物理學(xué)科核心素養(yǎng)為指導(dǎo)，設(shè)計(jì)了相關(guān)實(shí)驗(yàn)并對(duì)該部分教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了改進(jìn)。

1" 核心素養(yǎng)導(dǎo)向下的物理教學(xué)目標(biāo)

教學(xué)目標(biāo)是實(shí)施教學(xué)環(huán)節(jié)的總綱領(lǐng)，指導(dǎo)著知識(shí)建構(gòu)的整個(gè)過(guò)程，具有整理與提升、豐富與拓展的功能，使知識(shí)更具有結(jié)構(gòu)性、層次性和穩(wěn)定性。筆者從各個(gè)角度細(xì)化教學(xué)目標(biāo)，嘗試為教學(xué)實(shí)施指明方向。

第一，物理觀念。引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)光的折射現(xiàn)象，知道法線、入射角和折射角的含義，理解折射率的概念和光的折射定律，能夠使用折射定律解釋相關(guān)現(xiàn)象和計(jì)算有關(guān)問(wèn)題。

第二，科學(xué)思維。協(xié)助學(xué)生通過(guò)對(duì)折射現(xiàn)象的觀察，經(jīng)分析和推導(dǎo)得出有關(guān)折射的定性結(jié)論，逐步培養(yǎng)學(xué)生的推理能力和科學(xué)思維模式。

第三，科學(xué)探究。培養(yǎng)學(xué)生用物理實(shí)驗(yàn)探究科學(xué)問(wèn)題的方法，讓學(xué)生養(yǎng)成細(xì)心嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和科學(xué)思維習(xí)慣，增強(qiáng)學(xué)生分析、論證、歸納總結(jié)的能力。

第四，科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。通過(guò)使學(xué)生了解推導(dǎo)折射率的歷史發(fā)展過(guò)程，讓學(xué)生堅(jiān)持實(shí)事求是的原則，保持嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，感受人類的探究精神和人文情懷，形成探索自然的內(nèi)在動(dòng)力，踐行推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展的責(zé)任感。［1］

2" 核心素養(yǎng)導(dǎo)向下的物理教學(xué)實(shí)驗(yàn)展示與改進(jìn)

2.1" 引入新課" 激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

在初中物理教學(xué)中，學(xué)生對(duì)于光的研究已經(jīng)有所涉及，掌握光的反射定律，定性知道光的折射定律，并且了解透鏡成像原理。那么教師在高中物理的教學(xué)中，該如何再次激發(fā)學(xué)生對(duì)于光的研究熱情，并有效導(dǎo)入新課呢？

筆者利用身邊的物品設(shè)計(jì)了“3D全息電影”的小實(shí)驗(yàn)。按如圖1所示尺寸切割4塊厚度為3mm的亞克力透明玻璃板，并粘貼成漏斗狀（見(jiàn)圖2），將其水平放置在平板電腦屏幕上方。當(dāng)平板電腦屏幕上播放視頻素材時(shí)，學(xué)生就可以透過(guò)亞克力玻璃板觀看到神奇的3D立體電影。

該立體電影并非由光的干涉或衍射形成，而只是簡(jiǎn)單地由4片透明玻璃板結(jié)合平面鏡成像技術(shù)獲得。此實(shí)驗(yàn)的目的是激發(fā)學(xué)生對(duì)神秘而有趣的光現(xiàn)象的探究熱情，為新課的引入進(jìn)行鋪墊。

2.2" 提出問(wèn)題" 明確探究主題

筆者將傳統(tǒng)的“箭叉魚(yú)”實(shí)驗(yàn)（見(jiàn)圖3）和光的折射演示儀（見(jiàn)圖4）進(jìn)行組合，將小魚(yú)放置在半圓形演示水槽中，利用激光筆模擬小魚(yú)的反射光線的傳播路徑（見(jiàn)圖5）。通過(guò)這種方式，教師向?qū)W生解釋“箭叉魚(yú)”實(shí)驗(yàn)失敗的原因，從而順理成章地引入“光的折射”這一課堂主題。在實(shí)際教學(xué)中，教師可以“以資源為載體”“以思維為主線”“以行為為中心”，通過(guò)模擬光路實(shí)驗(yàn)，帶領(lǐng)學(xué)生回顧初中物理中有關(guān)光的反射與折射的知識(shí)，使教學(xué)節(jié)奏緊湊、過(guò)渡自然，為后面的定量探究實(shí)驗(yàn)有效節(jié)約時(shí)間。

2.3" 開(kāi)始實(shí)驗(yàn)" 定量探究關(guān)系

定量探究折射角與入射角之間的關(guān)系，得出折射定律和折射率的概念，是本節(jié)課的教學(xué)重點(diǎn)。在設(shè)計(jì)學(xué)生分組探究實(shí)驗(yàn)時(shí)，筆者采用了“光由空氣射向玻璃介質(zhì)”的模型（見(jiàn)圖6），讓學(xué)生測(cè)量不同的入射角和其對(duì)應(yīng)的折射角大小。

為了獲得穩(wěn)定的線光源，得到較準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，筆者還對(duì)普通激光筆進(jìn)行了改裝，在激光筆前端加裝了“線光源套筒”（見(jiàn)圖7），將點(diǎn)光源改進(jìn)為線光源。在實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生只需將其水平放置在紙面上即可，操作簡(jiǎn)單方便。

實(shí)驗(yàn)操作結(jié)束后，教師如何根據(jù)學(xué)生的測(cè)量數(shù)據(jù)（見(jiàn)表1）引導(dǎo)學(xué)生探究折射角與入射角的定量關(guān)系是本節(jié)課的難點(diǎn)；如何有效突破該難點(diǎn)是本節(jié)課的教學(xué)關(guān)鍵。

2.3.1" 正比例關(guān)系的探究

分析學(xué)生的測(cè)量數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，隨著入射角的增大，折射角也隨之增大。教師引導(dǎo)學(xué)生從最簡(jiǎn)單的正比例關(guān)系進(jìn)行探究，學(xué)生發(fā)現(xiàn)入射角始終小于折射角的2倍。至于二者究竟是否滿足正比例關(guān)系，我們可以利用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行驗(yàn)證。很多教師習(xí)慣用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，而本文嘗試使用GeoGebra軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。GeoGebra軟件的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在可以對(duì)后續(xù)學(xué)生提出的猜測(cè)進(jìn)行快速驗(yàn)證。教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生尊重實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、堅(jiān)持實(shí)事求是的態(tài)度。當(dāng)入射角較小的時(shí)候，在誤差允許的范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)點(diǎn)很好地分布在正比例趨勢(shì)線的兩側(cè)，唯獨(dú)最后一個(gè)數(shù)據(jù)偏差比較大。筆者認(rèn)為，此時(shí)教師不應(yīng)急于否定“同比例增大”的結(jié)論。因?yàn)閷W(xué)生可能會(huì)心存疑惑，認(rèn)為這一結(jié)論可能只是數(shù)據(jù)測(cè)量錯(cuò)誤造成的。

學(xué)生容易發(fā)現(xiàn)在小角度時(shí)，θ1與θ2滿足成正比的關(guān)系，但是大角度時(shí)數(shù)據(jù)偏離直線較遠(yuǎn)（見(jiàn)圖8）。此時(shí)教師不應(yīng)直接否定學(xué)生的猜想，而應(yīng)通過(guò)對(duì)大角度的測(cè)量數(shù)據(jù)提出疑問(wèn)，引導(dǎo)學(xué)生多測(cè)幾組該區(qū)域附近的數(shù)值，培養(yǎng)學(xué)生細(xì)心嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。分別增加入射角為75°和85°時(shí)的折射角測(cè)量數(shù)據(jù)，通過(guò)GeoGebra分析后發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)點(diǎn)確實(shí)不滿足正比例關(guān)系（見(jiàn)圖9）。

2.3.2" 其他函數(shù)關(guān)系的探究

不少教師在否定入射角與折射角之間的正比例關(guān)系后，會(huì)直接提出θ1與θ2的平方甚至三次方成正比的猜測(cè)，繼而再擬合、否定。然而，筆者認(rèn)為這是不符合學(xué)生認(rèn)知邏輯的。高二的學(xué)生，根據(jù)已掌握的數(shù)學(xué)知識(shí)，當(dāng)觀察到數(shù)據(jù)點(diǎn)的離散圖像時(shí)，最容易由數(shù)據(jù)點(diǎn)離散圖像聯(lián)想到的應(yīng)是指數(shù)小于1的冪函數(shù)，或者是平移后的對(duì)數(shù)函數(shù)。這種情況下，GeoGebra的優(yōu)勢(shì)就體現(xiàn)出來(lái)了。

筆者輸入了兩個(gè)最逼近的冪函數(shù)和對(duì)數(shù)型函數(shù)，通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)（見(jiàn)圖10、圖11），使學(xué)生的猜測(cè)得到驗(yàn)證。相較于常用的Excel軟件，GeoGebra軟件可以調(diào)用任意學(xué)生想到的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行比對(duì)，方便直觀，讓學(xué)生親歷探究的過(guò)程。學(xué)生也能從一次次探究失敗中，體會(huì)科研工作的艱辛和不易，從而培養(yǎng)堅(jiān)韌不拔的探究精神，這也契合了核心素養(yǎng)的要求。

2.4" 重現(xiàn)歷史" 培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

學(xué)生在課堂上通過(guò)短時(shí)間的數(shù)據(jù)分析，其實(shí)很難發(fā)現(xiàn)入射角和折射角之間的真正關(guān)系。此時(shí)，如果教師直接拋出二者正弦值成正比的結(jié)論，頗有照本宣科的

“味道”。筆者認(rèn)為，不妨在課堂上重現(xiàn)折射規(guī)律的歷史發(fā)展過(guò)程，讓學(xué)生潛移默化地找到探索自然的內(nèi)在動(dòng)力，培養(yǎng)學(xué)生踐行推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展的責(zé)任感。

從公元140年的托勒密，到1000年后的阿勒·哈增，到1611年的開(kāi)普勒，再到1621年的斯涅耳，折射規(guī)律的探究漫長(zhǎng)而曲折。筆者認(rèn)為，教師可以重點(diǎn)介紹斯涅耳的探究思路，即把對(duì)角的研究轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)邊長(zhǎng)的研究，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。

斯涅耳從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象著手，先在一個(gè)長(zhǎng)方體的玻璃水槽里盛滿清水，并讓一束光線從空氣射入水中。他沿著入射方向可以畫(huà)出一條在水中的虛光線，這樣他就可以忽略掉空氣中的入射光線，只研究在水中的折射光線和虛光線的角度關(guān)系，從而使問(wèn)題簡(jiǎn)化（見(jiàn)圖12）。然后他找出折射光線和虛光線的長(zhǎng)度關(guān)系，并將此關(guān)系轉(zhuǎn)化為角度的關(guān)系，從而得出了

OAOA′＝sinβsinα＝常數(shù)。［2］筆者認(rèn)為，通過(guò)重現(xiàn)歷史的方式向?qū)W生展現(xiàn)出入射角和折射角之間的定量關(guān)系，既符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，又能夠真正地把科學(xué)知識(shí)和人文情懷相互融合，促進(jìn)教學(xué)內(nèi)容的多元化，同時(shí)也讓學(xué)生的精神體驗(yàn)更加飽滿。

2.5" 分析數(shù)據(jù)" 深化學(xué)習(xí)過(guò)程

在得出折射定律的實(shí)驗(yàn)結(jié)論后，筆者認(rèn)為探究并沒(méi)有就此結(jié)束。我們還可以通過(guò)對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行深度分析，并且與空氣射向水的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較（見(jiàn)圖13），來(lái)進(jìn)一步理解折射率概念的物理意義。一方面可以讓學(xué)生驗(yàn)證斯涅耳結(jié)論的正確性，另一方面則通過(guò)圖像引導(dǎo)學(xué)生思考斜率的物理意義。不同介質(zhì)中，圖像的斜率不同。當(dāng)光由空氣分別射向玻璃和水時(shí)，入射角θ1相同，圖像的斜率越大，折射角θ2越小，折射光線越向法線靠攏，代表光線在介質(zhì)中的偏折越大（見(jiàn)圖14）。這樣學(xué)生就能比較容易地理解折射率的含義。

2.6" 感受物理學(xué)之美

教師可以引導(dǎo)學(xué)生觀察教材中的表格（見(jiàn)表2），強(qiáng)調(diào)這是在λ＝589.3nm（黃光）、t＝20℃時(shí)測(cè)量得到的。不同顏色的光在同種介質(zhì)中折射率可能是不同的，即偏折能力不同，故而復(fù)色光經(jīng)過(guò)三棱鏡會(huì)發(fā)生色散現(xiàn)象（見(jiàn)圖15）。學(xué)生通過(guò)觀察還會(huì)發(fā)現(xiàn)，紫光的折射率大于紅光。

筆者在這個(gè)環(huán)節(jié)自創(chuàng)小實(shí)驗(yàn)，用膠水將200片邊長(zhǎng)為3cm×3cm且厚度為3mm的亞克力玻璃片（見(jiàn)圖16）互成角度地粘在白板上。當(dāng)用強(qiáng)光照射時(shí)，200片

玻璃片的折射現(xiàn)象（見(jiàn)圖17）足以給學(xué)生帶來(lái)視覺(jué)上的震撼。這種通過(guò)折射帶來(lái)的藝術(shù)之美，能喚起學(xué)生對(duì)科學(xué)美的向往與追求。

2.7" 學(xué)以致用" 解決問(wèn)題

很多教師在學(xué)生得出折射定律以后，往往會(huì)給出相應(yīng)的計(jì)算題讓學(xué)生求解，用以檢驗(yàn)課堂的學(xué)習(xí)成果。筆者則嘗試再次通過(guò)實(shí)驗(yàn)，模擬“坐井觀天”的情景，讓學(xué)生從物理學(xué)角度解釋“青蛙”視野受限的原因。

用杯壁纏繞了遮光帶的燒杯模擬井，用手機(jī)攝像頭模擬井底青蛙的眼睛，比較空燒杯和裝滿水的燒杯中“青蛙”的視角變化（見(jiàn)圖18、圖19）。學(xué)生可以通過(guò)觀察燒杯上方的logo圖像的變化，真實(shí)感受光的折射所帶來(lái)的視野變化。

在此實(shí)驗(yàn)的認(rèn)知基礎(chǔ)上，筆者進(jìn)而再設(shè)計(jì)問(wèn)題（見(jiàn)圖20），比較加入水前后青蛙能夠觀察到“井”外范圍的大小，從而引導(dǎo)學(xué)生尋求解決方法，使計(jì)算變得更加具有趣味性。

3" 總結(jié)與反思

筆者以核心素養(yǎng)為導(dǎo)向，設(shè)計(jì)了“光的折射”課堂教學(xué)中的多個(gè)小實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)緊扣教學(xué)目標(biāo)，并且對(duì)于折射角和入射角大小的定量探究進(jìn)行改進(jìn)，使之更符合學(xué)生的認(rèn)知邏輯。具體教學(xué)設(shè)計(jì)流程總結(jié)如圖21所示。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師要關(guān)注學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)和感受，遵循實(shí)驗(yàn)認(rèn)知規(guī)律，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到，物理是人類認(rèn)識(shí)自然的方式之一，是不斷發(fā)展的，是具有相對(duì)性、普適性和局限性的。在實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的探究中，教師還要善于啟發(fā)和鼓勵(lì)學(xué)生，致力于培養(yǎng)其科學(xué)求真、勇于創(chuàng)新和敢于質(zhì)疑的科學(xué)態(tài)度及批判精神，以促使學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的提升。

參考文獻(xiàn)

［1］韋夢(mèng)益.指向核心素養(yǎng)目標(biāo)的高中物理“宇宙航行”教學(xué)改進(jìn)［J］.物理教師，2023，44（8）：18-21.

［2］徐月明.從“光的折射定律”探討研究性教學(xué)設(shè)計(jì)的有關(guān)問(wèn)題［J］.物理教師（高中版），2002（5）：12-14.