科学探究在“全反射与光导纤维”教学中的应用和分析
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摘 要：物理教学中，我们要培养学生的科学探究素养，如何实施？具体的教学策略是什么？值得我们深入研究。本文以高中物理《全反射与光导纤维》一课教学为案例，把在高中物理教学中如何具体实施科学探究式教学做简要分析。
关键词：高中物理；科学探究；全反射；临界角
【中图分类号】G633.7 【文献标识码】 A 【文章编号】1671-8437（2012）02-0100-02
新课改已将“科学探究”列入了课程标准。科学探究是学生积极主动地获取物理知识、认识和解决物理问题的重要实践活动，其目的是让学生通过亲身经历和体验与科学工作者科学探究的相似过程，掌握物理知识与实验技能，体验科学探究的乐趣，学习科学家科学探究的方法，领悟科学的本质、思想和精神，挖掘个体智力的潜能，培养实事求是的科学态度和敢于创新的探索精神。
《普通高中物理课程标准（实验）》从七个方面提出了学习要求和达成目标。这七个要素分别是：提出问题、猜想与假设、制定计划与设计实验、进行实验与收集证据、分析与论证、评估、交流与合作。在教学中，把科学探究作为教学方法，如何实施，具体的教学策略是什么，值得我们深入研究。下面以高中物理《全反射与光导纤维》教学为例，把在高中物理教学中如何具体实施科学探究式教学做简要分析。
一、创设情境，提出问题
教师：同学们见过海市蜃楼吗？海市蜃楼是怎样形成的？（播放海市蜃楼的视频）再请同学们看一个奇怪的现象，实验演示：拿一个底部带有小孔的盛水玻璃杯，让激光笔在底部小孔处发出光，可看见光居然沿着弯曲的水柱传出。
这两种现象都与全反射现象有关。我们今天就来学习第四章第六节全反射与光导纤维。
另外，教师根据科学探究的具体实际编写一份导学案提前一天发给学生，并且把全班同学分成若干学习小组，选出组长。
二、进行试验，收集数据，并进行初步论证
1.实验探究：探究光的全反射现象
提供器材：半圆形玻璃砖，装一半水的玻璃烧瓶，烧瓶内水面上方充满烟雾，用木塞封住烧瓶口，激光笔若干。
实验：用激光笔发出的光从烧瓶底部（玻璃）进入空气时的折射情况。
请仔细观察：
（1）当入射角增大时，折射角如何变化？
（2）反射光和折射光的强度如何变化？
（3）有没有看到折射光线紧贴水面（沿玻璃砖直边传播），即折射角等于90°的情况？此时，再增大入射角，你看到什么现象？
（安排10min左右的时间，学生进行探究，教师巡回指导）
2.交流：
先让学生交流一下，再以小组为单位汇报观察情况。学生汇报，教师要引导并帮助归纳，达到共识：
（1）光在水和空气（玻璃）界面先是既有反射又有折射
（2）入射角增加时折射角随着增加，这个过程中反射光强度增大而折射光变暗
（3）出现折射角为90°的情况但不明显，再增加入射角时，就只有反射光了。
教师：各位同学，你们刚才看到的折射光完全消失，只剩反射光，这叫做全反射。
三、设计并进行实验
教师：请思考一个问题：根据在刚才的探究过程中观察到的情况，你认为全反射现象的产生有什么条件？假如光从空气射入水，会不会发生全反射现象？用实验来验证你的结论。（给学生5min时间进行讨论和实验探究）
师生一起归纳、小结，达到以下共识：
1.必须是光从光密介质射向光疏介质；
2.入射角要大于某一个数值。
入射角要大于某个值，这是个什么概念呢？原来，从我们做的探究中可以看出，当入射角增大到一定程度时，折射角就会增大到90°，这时的入射角叫做临界角。
现在，我们就将光产生全反射现象的条件完整地叙述为：当光线从光密介质射入光疏介质时，如果入射角大于临界角，就会发生全反射现象。（板书）
四、分析论证，得出结论
要讨论全反射现象，知道临界角的数值显然很重要，怎样确定临界角呢？
我们来论证一个简单的情况——光从折射率为n的光密介质进入折射率为1的空气（或真空），请根据光的折射定律，推导临界角的计算公式。
学生独立推导，教师巡回指导。
通过汇报，得到临界角的计算公式：C=arcsin■
五、实践与拓展：
1.水或玻璃中的气泡，从侧面看起来为何特别明亮？（投影题目，让学生讨论，回答结果）
强调要阐述清楚两点：（1）光的全反射发生在什么地方？光线的走向如何？（2）因为是全反射，光的能量几乎没有损失。
2、假如有光线射入石英玻璃做的直角三棱镜（叫做全反射棱镜），光路的进行情况如何？
（投影题目，学生讨论，汇报结果）
每个实验桌上都有直角三棱镜和激光笔，同学们可以通过实验验证一下上述结论是否正确。（学生做实验验证）
全反射现象在实际生活中有不少应用。大家有没有注意到如自行车的尾灯，当晚上有光线照射上去时，它变得十分明亮醒目。它的剖面图如图所示，它其实就是一组角锥棱镜，由于全反射，它能够把入射光线充分反射回来。
3.海市蜃楼的解释 （答略）
4.已知石英玻璃的折射率是1.46，光从它射入空气时的临界角是多少？
（投影题目，学生用计算器计算，得出结果是43°）
六、教学反思
本课的关键在于实验探究，教师事先要强调使用小激光灯的安全问题，以免照射伤害到学生的眼睛。通过 “全反射的探究实验”，使学生了解：全反射现象，全反射的条件。学生的观察、分析、讨论和解决问题能力得到了锻炼和提高。
科学探究更看重学生全方位能力的培养，因为它是在考虑学生已有物理知识和能力水平的基础上，通过提出问题、设计实验方案、收集材料、对问题进行探索、分析研究、交流评价、最后解决问题的过程。科学探究重在过程，而非结果；重在收集数据，而非繁杂的计算。
物理教学中，我们要使用科学探究来充实整个课堂，培养学生的科学探究素养。苏霍姆林斯基说过：“在人的心灵深处，都有一种根深蒂固的需要，这就是希望自己是一个发现者、探索者。”我们要充分利用高中阶段的学生好奇心强、好问、对很多事情都刨根问底的特点，通过科学探究，激发学生强烈的学习兴趣和求知欲望，不断地发现问题、提出问题、分析问题和解决问题，从而达到提高学生的科学素养的目的。