大概念视域下“触境生情”学习实践以“光的折射”教学为例

大概念视域下“触境生情”学习实践以“光的折射”教学为例

陈 ,燕

（江苏省苏州第十中学，江苏 苏州 215006）

基金项目：本文系江苏省“十三五”规划课题《基于认知科学的高中物理“四主”教学模式的构建及研究》（C-c/2016/02/106）、《基于认知科学的物理核心素养发展研究》（R-c/2016/01）的推广成果；江苏省“十四五”规划重点课题《基于物理文化视角的高中物理核心素养发展研究》（B/2021/02/241）阶段研究成果；江苏省教育科学“十四五”规划2021年度立项课题《指向学科育人的高中物理生命课堂的研究与实践》（C-c/2021/02/51）阶段研究成果.

摘要：《普通高中物理课程标准》强调课程标准重视以学科大概念为核心，使课程内容结构化，以主题为引领，使课程内容情境化，促进学科核心素养的落实.大概念视域下，我们在高中物理教学中创设真实的物理情境，以此开展学习实践，以“光的折射”教学为例.

关键词：大概念   物理情境   核心素养    光的折射

1.引言

《普通高中物理课程标准》（2017年版2020年修订）强调课程标准重视以学科大概念为核心，使课程内容结构化，以主题为引领，使课程内容情境化，促进学科核心素养的落实.以大概念理念进行科学教育，有利于践行新课程理念，真正培养学生的核心素养，其主要包括“物理观念”、“科学思维”、“科学探究”、“科学态度与责任”四个方面.

物理概念是“反映物理现象和物理过程本质属性的一种抽象，是在大量观察、实验基础上，运用逻辑思维方法，把一些事物本质、共同的特征集中起来概括形成的.”物理概念是客观事物的物理共同属性和本质特征在人们头脑中的反映，是物理事物的抽象。如何使学生形成、理解和掌握物理概念，进而掌握规律，并使他们的认识能力在此过程中得到发展，是中学物理教学的核心问题.

建立物理概念是根据研究问题的需要，在观察实验的基础上，一定的背景知识指导下，分析客观事物的各种属性和特征，利用分析、综合、比较、抽象、概括、推理、等效等物理思维方法，抽象出客观事物的物理共同属性和本质特征的过程.

大概念是抽象概括出来具有联系整合作用并能广泛迁移的概念.大概念是抽象概括出来的概念，是在经验和事实的基础上，对概念与概念之间的关系加以抽象概括的结果；大概念能够将各种相关概念和理解联系成为一个连贯的整体；大概念是更能广泛迁移的概念，超越了个别的知识和技能，能够在更大范围内加以迁移运用.

例如高中物理“光的折射”教学内容包含的光学大概念是几何光学：即利用几何学的概念和方法研究光的传播规律.包涵“光的直线传播”、“光的反射”、“光的折射”、“光路可逆”等光传播的相关知识.

    大概念视域下，我们在高中物理教学中创设真实的物理情境，促进学生学科核心素养的落实，以此开展学习实践，以“光的折射”教学实践为例.

2．实践案例

【教材分析】：教材内容简单回顾了学生初中所学的光的反射知识，教学中重视光的折射定律、折射率的测定，要求学生由折射实验现象的分析和推理得出定性结论，再通过做实验探究，记录、分析、处理实验数据，得出定量结论，找到科学规律，培养学生科学探究、思维的能力.

【学情分析】：光的反射和折射学生在初中学过，光的折射所遵循的定量关系需要深入学习.学生已具备一定的实验操作技能，了解对物理学的研究方法，在自主学习、合作探究等方面的能力需进一步提高.

【教学目标与核心素养】：

物理观念：认识光的折射现象，几何光学处理光的传播问题.

科学思维：探究、理解折射定律,会利用折射定律解释相关光现象和计算.

科学探究：探究理解折射率的概念.

科学态度与价值观：学会做物理实验探究科学问题的方法，对待科学态度要严谨，拥有与人团结协作的精神.

【教学重点】：做物理实验探究出折射定律，会利用折射定律解释相关光现象和计算有关问题.

【教学难点】：理解折射率的概念，理解比值定义方法.

【教学过程设计思维导图】：

【教学过程】：

任务1：引入型情境——触发经验反刍.

（1）生活中的光现象.

教师活动1：教师展示彩虹图片，指导一位学生用三棱镜将七彩阳光引进教室，播放“三日同辉”奇观视频（如图1），问是后羿忘记射落的太阳吗？问学生以上现象中包涵的物理现象是什么？

学生活动1：回答以上现象是光的传播中发生了折射现象.

(2)“忽隐忽现”的硬币.

教师活动2：指导学生做实验1，先将硬币放在玻璃盆中间，再将透明塑料杯放到硬币上，可以看到硬币,如图2所示.我们能否把硬币藏起来？往塑料杯子里注清水，塑料杯下的硬币“消失了”，看不见了，如图3。我们能否把硬币再变出来？最后往玻璃盆中加水，“消失”的硬币又出现了，如图4所示.这是什么原因？

学生活动2：学生们做“忽隐忽现”的硬币实验，观察实验现象，思考原因.

教师活动3：引导学生分析出水使光线发生偏折，所以我们看不见硬币（折射成的像）了，随着盆中水的加入，光线偏折情况改变，我们又看见硬币（折射成的像）了.所以折射现象让硬币“忽隐忽现”.

(3)“向右走or向左走”,“水杯也恋爱了”

教师活动4：将玻璃杯放在向右走的箭头前，在杯中加水，透过水杯看到箭头变成向左走了，如图5所示.将玻璃杯放在背对爱人的女士前面，在杯中加水，透过水杯看到的女士转身面对爱人了，感觉“水杯也恋爱了”,拿走玻璃水杯，女士又背对爱人了，妙趣横生的现象，如图6所示.提问学生为什么产生这样的现象？

学生活动3：观察实验现象，得出与水的折射有关.

设计意图:实验创境,“制造冲突”——引发悬疑.约翰杜威说：“全部教育都离不开经验.教育是在经验中，由于经验，围着经验的一种发展过程.”没有经验就没有真正意识上的教育.教学情境的一大作用就是让学生置身其中，反刍已有经验，参与当下的学习.以上的实验引发学生的兴趣，学生感受有趣的折射现象，回忆折射有关知识.

教师活动5：教师展示如下阳光洒在水面上时如图7所示的景象,阳光照射水面时，我们能够看到水中的鱼和草，同时也能看到太阳的倒影，水面波光粼粼，鱼戏水草间.教师引导学生得出结论：这说明光从空气射到水面时，一部分光射进水中，另一部分光返回到空气中。一般说来，如图9所示，光从第1种介质射到该介质与第2种介质的分界面时，一部分光会返回到第1种介质，这个现象叫做作光的反射；另一部分光会进入第2种介质，这个现象叫作光的折射。光在反射时遵从反射定律，光在折射时遵从什么规律呢？

教师做如图8所示的演示实验,引导学生观察实验现象：激光从空气斜射入水面时同时出现反射和折射现象,改变入射角的大小，反射角的大小变化情况，折射角和入射角的大小关系，折射角随入射角大小的变化如何变化.教师通过演示实验现象，引导学生回忆光的反射现象、折射现象及分别遵从的规律.

学生活动4：观看自感景象、物理现象，观察以上物理实验.复习光的反射定律，反射光线与入射光线、法线在同一平面；反射光线和入射光线分居法线两侧；反射角等于入射角.在反射中光路可逆.

复习初中所学折射规律：光从空气斜射入水或其他介质中时，折射光线与入射光线、法线在同一平面内，折射光线和入射光线分居法线两侧；折射角小于入射角；入射角增大时，折射角也随着增大；当光线垂直射向介质表面时，传播方向不变.在折射中光路可逆.

设计意图:教师通过自然物理现象，实验创境如图8所示，引导学生获得直观感受，复习、描述物理规律.温故而知新,水到渠成.

任务2：启思型情境——激发思维创新.

探究：折射角随入射角的变化规律（定量关系）.

教师活动6：教师引导学生分组探究（如图10）折射角随入射角的变化规律（定量关系），展示实验用的器材：半圆形玻璃砖、激光笔（不能直射眼睛）、带有刻度的圆盘（量角器），演示将半圆形玻璃砖圆心对准圆盘中

心放在圆盘上，如图11所示，沿着圆盘平面，光线由空气射向玻璃砖，入射点为半圆形玻璃砖圆心，由圆盘刻度读出入射角的度数，光线沿着半圆形玻璃砖的某条半径方向偏折射入玻璃砖，在圆弧面不会发生偏折再次射向空气（圆盘刻度线），所以根据此光线读出折射角的度数.改变入射角，多次实验.

学生活动5：学生分组实验，探究折射角随入射角的变化规律，改变入射角，多次实验，如图11、12所示，

记录实验数据，入射角和相应的折射角度数，如图13左上图所示.

教师活动7：引导学生处理实验数据.猜想入射角与折射角大小成正比关系？借助计算机excel记录数据（如图13左上图）、处理数据，图线拟合如图13右上图所示，发现小角度的时候实验结果与猜想吻合，角度增大后入射角与折射角大小不成正比关系.教师设问：折射时小角度遵循的规律与大角度时遵循不一样的规律？但我们学的反射定律是入射角增大时都同一遵循的规律.我们尝试找到折射的统一规律.入射角角度的平方与折射角角度的平方也不成正比关系，如图13右下图所示.常规函数没有办法拟合数据，我们想尝试三角函数关系，正弦（或余弦），正切（或余切）函数关系.数据处理得到，入射角的正弦与折射角的正弦成正比，如图13左下图所示.

学生活动6：在教师的引导下逐步探究出入射角的正弦与折射角的正弦成正比，做实验得出折射中光路可逆,比较图12、14所示实验现象，得此结果.

教师活动8：展示折射光路图，如图15所示，引领学生一起回顾科学家研究折射现象历经千年的求索史实：

托勒密通过实验研究光的折射现象得出折射角和入射角是正比关系结论.开普勒修正托勒密的结论得出折射角一部分正比于入射角，另一部分正比于入射角的正割结论.斯涅耳做实验验证折射规律，得出入射角和折射角的余割（正弦的倒数）比为定值结论.笛卡尔得出折射定律的现代解释结论：入射角和折射角的正弦比为定值.

由此可见，科学结论的获得不是一蹴而就的，我们今天站在科学巨人的肩膀上，体验这个探索过程与方法.

在实验中，如图15所示，斯涅耳应用开普勒的方法发现：从空气到水里并落在容器垂直面上的一条光线在水中所走的长度DF，同该光线如按未偏离其原始方向而本来会通过的路程DC成一定的比,即

.

如图22所示，，所以.

应用光走的路程之间的关系，即由线段的长度关系,用此方法去研究折射问题，后人总结的单位圆法也有应用.如图以D点问圆心画一个圆，分别画出图中的垂线l1, l2,

其实不管是斯涅耳本身的研究方法还是单位圆法，从数学角度都是将直角三角形中的角度关系，转化成边长的关系，因为边长相较于角度更便于测量.科学家伟大的发现、科学研究的方法和精神都可以传承给我们.

学生活动7：总结出折射定律.

1、折射光线与入射光线、法线处在同一平面内，折射光线与入射光线分别位于法线的两侧；入射角的正弦与折射角的正弦成正比。折射中光路可逆.

教师活动9：总结折射的定量关系.

2、  如果表示光在空气中的入射角，表示光在介质中的折射角，则为一常数，表示介质相对于空气的折射率.

3、折射率

光从真空射入某种介质中时，入射角的正弦与折射角的正弦之比，叫做该种介质的绝对折射率，简称折射率．(比值法定义式)

折射率决定因素？

（1）折射率无单位,任何介质的折射率都大于1. （2）n的大小与介质有关，与θ1和θ2无关.对于确定的介质，n是定值，不能说n∝sinθ1或n∝1/sinθ2,如表1所示. （3）反映介质的光学性质的物理量. （4）折射率越大的介质，对光的偏折越大.

4、介质中的光速

（1）折射原因：光在不同的介质中传播速度不同.

（2）光在真空中的传播速度c，大于其它介质中的传播速度v，折射率n>1。

  设计意图：学生通过实验，处在真实的折射情境中，观察、做实验，在老师的引导下定量探究折射率，展开科学思维，掌握科学研究方法，体验科学家们找寻折射规律的跨越千年的漫漫科学探索之路.学生通过图像处理数据，总结出折射角与入射角之间的关系，提高用图像处理数据的能力.我们创设情境,通过情境的渲染，激发学生思维活动，把学习引向深度，让置身于情境中的学生感受到的情形与自己头脑中的预设不一致，引发思维冲突，激发学生深入学习.学生学会合作探究，团结协作.物理教学不仅传授自然科学知识，还承担育人任务，即通过知识传授为载体，帮助孩子完善必备品格和发展关键能力，从而提升学生的核心素养.

任务3：应用型情境——促进学以致用.

坐井观天：井口大小和深度相同的两口井，一口是枯井，一口是水井（水面在井口之下），两井底部中央各一只青蛙，则水井中的青蛙和枯井中的青蛙谁觉得井口大些，晴天的夜晚，谁能看到更多的星星？

教师活动10：教师引导学生观察教师录制的实验视频，如图16所示，模拟以青蛙的视角观察，在有机玻璃箱底下中心位置装一个摄像头，玻璃箱四周粘上不透光的报纸，模拟井壁，在空的玻璃箱壁上方往外的地方放一红色标记物，摄像头正好拍不到，然后往玻璃箱内倒水，随着水位上涨，红色标记物（由水折射成的像）出现在摄像头的视野（拍摄范围）里，摄像头“看见”红色标志物（由水折射成的像），即加水后摄像头的视野扩大了，即水井中的青蛙视野范围大.

学生活动8：观察实验现象，分别画出枯井和水井青蛙坐井观天的光路图。

学生由教师引导着分析：井底的青蛙看到井外的范围，根据光的传播路径确定.

根据光的直线传播做出青蛙在枯井中视野范围，如图17中蓝色光路所示．

而外界光线斜射到水面时，入射角大于折射角，如图17红色光路所示，故水井中的青蛙看到的范围超出光直线传播看到的范围，即水井中的青蛙看到井外的范围较大．所以晴天的夜晚，水井中的青蛙能看到更多的星星.

水井中的青蛙觉得井口直径只有CD这么长，枯井中的青蛙看见井口直径是AB这么长，AB长度大于CD，所以枯井中的青蛙觉得井口大些．

设计意图：物理教学要为学生创设学以致用、边学边用的情境，让学生在真实情境中解决实际问题.

3．总结

从物理教学的角度看,物理概念的形成需要具备三大要素.一是概念形成的基础:感知活动、观察实验、经验事实；二是概念形成的方法：问题解决、科学方法、观察证实；三是概念形成的形式：概念结构、数学结构、知识结构.

在“光的折射”教学中，折射、折射率等物理概念教学方法采用具体到抽象再到具体的方法，创设情境：感知材料、形成表象；抽象加工：分析比较、抽象概括；巩固深化：变式迁移、完善结构.折射定律等规律的教学采用提出问题，进行猜想假设方法，然后用演绎法：推理论证、实验检验；归纳法：实验观察、分析归纳，最后总结规律，应用延伸.教学中光学大概念是几何光学：即利用几何学的概念和方法研究光的传播规律，通过实验创设情境，“触境生情”促进学生学科核心素养的落实.

大概念视域下“触境生情”学习,让学生在实践中探究知识的本质，立足以学科核心概念做好教学设计，让学生摆脱孤立的事实和概念的学习，多给机会处于真实性的情境中体验、思考、分析、迁移、拓展，让学生能在真实性情境学习中关联知识、关联生活，形成学科核心素养。

参考文献

1张飞.《大概念视域下的物理深度学习设计》[R].2022.7

2杨勇诚.《触境生情--刍议初中物理教学中的情境创设》[R].2022.7

3中华人民共和国教育部制定.普通高中物理书选择性必修1[M].北京：人民教育出版社，2017.80-84.

4中华人民共和国教育部制定.普通高中物理课程标准[M].北京：人民教育出版社，2017.