【摘要】2014年教育部頒布的《關(guān)于深化課程改革落實(shí)立德樹人根本任務(wù)的意見》，明確了培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)是育人的重要目標(biāo)，是推進(jìn)課程改革深化發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。新課程標(biāo)準(zhǔn)核心素養(yǎng)指標(biāo)是根據(jù)社會和個(gè)人發(fā)展需要，結(jié)合當(dāng)前教育存在的主要問題擬定的，物理學(xué)科的核心素養(yǎng)主要由“物理觀念”、 “科學(xué)思維”、“科學(xué)探究”、“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”這四個(gè)方面構(gòu)成，本文以高中物理“光的全反射”為例，闡述如何基于物理核心素養(yǎng)角度提升教學(xué)設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】物理學(xué)科；核心素養(yǎng)；課堂教學(xué)；光的全反射

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物理學(xué)是人類科學(xué)文化的重要組成部分，是技術(shù)進(jìn)步的重要基礎(chǔ)，引領(lǐng)著人類探索大自然的奧秘，深化著人類對自然界的認(rèn)識。從經(jīng)典的牛頓定律到現(xiàn)代的相對論和量子論，物理學(xué)的發(fā)展對人類社會的發(fā)展具有重要的意義，在物理學(xué)發(fā)展歷程中，離不開物理學(xué)家們的科學(xué)方法、科學(xué)思想、科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神?，F(xiàn)行高中課程標(biāo)準(zhǔn)注重以基礎(chǔ)知識為主的科學(xué)素養(yǎng)，關(guān)注學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，注重學(xué)生的物理觀念、科學(xué)精神、科學(xué)態(tài)度、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的培養(yǎng)。在我國進(jìn)行新一輪課程改革的關(guān)鍵時(shí)期，培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)無疑變得至關(guān)重要。下面筆者以教科版選修3-4“光的全反射”為例，依照物理核心素養(yǎng)要求，積極探索立足物理學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的課堂教學(xué)嘗試。

一、立足物理學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的課堂教學(xué)嘗試

本節(jié)課的教學(xué)過程由新課導(dǎo)入，教師演示光的全反射實(shí)驗(yàn)，學(xué)生探究光的全反射產(chǎn)生條件實(shí)驗(yàn)，及其應(yīng)用四個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成，每一環(huán)節(jié)都體現(xiàn)了新課標(biāo)物理核心素養(yǎng)中的物理觀念，科學(xué)思維，科學(xué)探究和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。

（一）物理觀念——物理核心素養(yǎng)的基礎(chǔ)

物理觀念主要包括物質(zhì)觀念、運(yùn)動觀念、相互作用觀念、能量觀念等，側(cè)重三維目標(biāo)中的知識與技能方面。物理觀念不同于物理知識，它對物理知識具有引領(lǐng)作用，教師需要指導(dǎo)學(xué)生在物理學(xué)習(xí)中，不僅要學(xué)習(xí)由物理現(xiàn)象、物理概念、物理規(guī)律所構(gòu)成的物理知識及結(jié)構(gòu)，還要將蘊(yùn)含于具體知識中的觀念性認(rèn)識在頭腦中提煉升華，建構(gòu)屬于自己的物理體系，形成物理觀念。學(xué)生只有親身體驗(yàn)物理知識的形成過程，理解物理知識的內(nèi)涵，才可以將物理知識轉(zhuǎn)化為物理觀念。

在新課導(dǎo)入中，教師先讓學(xué)生觀察兩個(gè)小魔術(shù)，思考小魔術(shù)這種現(xiàn)象的產(chǎn)生原因，從而建構(gòu)學(xué)生的物理觀念。第一個(gè)小魔術(shù)：將一張畫有雞蛋的卡片放入水中，讓學(xué)生觀察現(xiàn)象，學(xué)生發(fā)現(xiàn)會出現(xiàn)雞蛋變成小雞的現(xiàn)象。操作步驟：在課前準(zhǔn)備一份透明的塑料薄膜，在塑料薄膜上面畫一個(gè)雞蛋，在塑料薄膜的里面放有一張白紙，在白紙上畫有一個(gè)小雞，因?yàn)殡u蛋和小雞同種顏色，所以在空氣中只能看到雞蛋，但是一旦將它放入水中，就會發(fā)現(xiàn)卡片上的雞蛋變成了小雞。這個(gè)小魔術(shù)應(yīng)用了光的全反射。如圖1所示。

圖1  雞蛋變小雞魔術(shù)

第二個(gè)小魔術(shù)：學(xué)生們知道光在同種均勻介質(zhì)中沿直線傳播，現(xiàn)在用激光筆照射一個(gè)裝滿水的有孔的瓶子，水會沿著小孔向外噴出，將激光對準(zhǔn)會發(fā)現(xiàn)，激光不再直線傳播，而是跟著水彎曲著傳播，也是應(yīng)用了光的全反射知識。如圖2所示。

圖2 光沿“曲線”傳播

接下來讓學(xué)生回憶光的折射定律，光從一種介質(zhì)射入另一種介質(zhì)時(shí)光的傳播方向通常要發(fā)生改變。光從空氣射入介質(zhì)時(shí)，折射角小于入射角，光從介質(zhì)射入空氣時(shí)，折射角大于入射角。這里，涉及了兩種介質(zhì)，在物理上，我們把兩種介質(zhì)中，折射率小的叫光疏介質(zhì)，折射率大的叫做光密介質(zhì)．從而讓學(xué)生理解什么是光密介質(zhì)與光疏介質(zhì)。

這個(gè)引入中蘊(yùn)含的物理觀念主要有:

1、物質(zhì)觀念:學(xué)生通過思考回憶起初中學(xué)習(xí)的光的折射定律，從而更好的理解光密介質(zhì)與光疏介質(zhì)。

2、對客觀事物的本質(zhì)屬性的認(rèn)識：圖片在空氣中看起來是雞蛋，但在水中看起來確是小雞，光在水中彎曲傳播，到底是什么造成了這樣的現(xiàn)象，學(xué)生通過后續(xù)的學(xué)習(xí)會進(jìn)行思考和分析，明白是由于光的全反射。

（二）科學(xué)思維——物理核心素養(yǎng)的中心

科學(xué)思維主要包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等思維方法?？茖W(xué)思維是物理核心素養(yǎng)的中心，傳統(tǒng)的物理教學(xué)容易使學(xué)生形成思維定勢，因此在物理課堂教學(xué)過程中，教師要抓住鍛煉學(xué)生科學(xué)思維的各種機(jī)會，加強(qiáng)對科學(xué)思維的培養(yǎng)。對于科學(xué)思維的培養(yǎng)，主要體現(xiàn)在要求學(xué)生學(xué)會科學(xué)思維方法，對于物理問題有屬于自己的觀點(diǎn)，從不同的角度思考問題，同時(shí)也可以對不同的觀點(diǎn)和結(jié)論提出質(zhì)疑和批判;要求學(xué)生有使用科學(xué)證據(jù)的意識和評估科學(xué)證據(jù)的能力，可以基于科學(xué)證據(jù)對不同物理問題進(jìn)行解釋說明和分析預(yù)測。

這節(jié)課對學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng)，主要體現(xiàn)在演示實(shí)驗(yàn)的部分，演示實(shí)驗(yàn)為光的全反射實(shí)驗(yàn)，為了讓學(xué)生更清楚的觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，我在講桌上面放置了一個(gè)鐵架臺，在鐵架臺上面夾上一個(gè)燒瓶，在課前兌好稀釋的很透亮的奶粉溶液，并在燒瓶中倒入半瓶奶粉溶液，在演示實(shí)驗(yàn)前，用打火機(jī)將香點(diǎn)好，并將香沿著燒瓶的口插入，將燒著的香冒出的煙都收集在燒瓶內(nèi)，現(xiàn)在燒瓶內(nèi)就是液體和氣體相間，然后讓學(xué)生注意觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖3所示，當(dāng)用激光筆從氣體射入液體中時(shí)，入射角始終大于折射角，當(dāng)逐漸增大入射角時(shí)，折射角也會逐漸增大，但折射光線始終存在。當(dāng)用激光筆從液體射入氣體中時(shí)，入射角小于折射角，當(dāng)入射角比較小的時(shí)候，既有折射光線，也有反射光線，逐漸增大入射角，反射光越來越強(qiáng)，折射光越來越弱，當(dāng)增大到某一角度時(shí)，折射光線消失，只剩下反射光。在此基礎(chǔ)上增大入射角，折射光線始終消失。通過這個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，可以得出全反射的定義，光從光密介質(zhì)射到光疏介質(zhì)的界面時(shí)，全部被反射回原介質(zhì)的現(xiàn)象叫做全反射。

圖3 光的全反射演示實(shí)驗(yàn)

通過演示實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生形成并運(yùn)用科學(xué)認(rèn)識活動、對感性認(rèn)識材料進(jìn)行加工處理的方式與途徑的理論體系，本實(shí)驗(yàn)達(dá)到了邏輯上要求嚴(yán)密的邏輯性，達(dá)到歸納和演繹的統(tǒng)一；在方法上要求辯證地分析和綜合的思維方法。

（三）科學(xué)探究——物理核心素養(yǎng)的關(guān)鍵

物理學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)，學(xué)生學(xué)習(xí)物理的過程其實(shí)就是學(xué)生通過自身經(jīng)歷觀察、實(shí)驗(yàn)探究等活動，發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，建構(gòu)知識、形成觀念的過程。在物理實(shí)驗(yàn)探究過程中，要求學(xué)生擁有探究意識，能夠提出物理問題，發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律；具有設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究方案，獲取和處理證據(jù)和信息的能力，可以正確實(shí)施實(shí)驗(yàn)探究方案后得出結(jié)論并做出解釋；要求學(xué)生可以收集并分析信息，對實(shí)驗(yàn)探究過程和結(jié)果進(jìn)行交流、評估和反思。

科學(xué)探究主要體現(xiàn)在學(xué)生實(shí)驗(yàn)上，學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)探究光的全反射條件，剛剛的演示實(shí)驗(yàn)證明，光是在不同介質(zhì)的分界面上發(fā)生全反射，光從水射向空氣可以發(fā)生全反射現(xiàn)象，空氣到水不能發(fā)生全反射現(xiàn)象，那從什么介質(zhì)到什么介質(zhì)還可以發(fā)生全反射呢？需要學(xué)生自己探究。為學(xué)生提供以下實(shí)驗(yàn)器材，激光筆，扇形玻璃磚，讓學(xué)生通過激光筆使光從空氣照向玻璃磚內(nèi)，和從玻璃磚射向空氣中，讓學(xué)生注意觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖4所示，并注意歸納光的全反射的產(chǎn)生條件。學(xué)生實(shí)驗(yàn)后可以得出產(chǎn)生全反射的條件：一是需光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)；二是入射角必須等于或大于一定的角度，我們把這一角度叫做臨界角。臨界角隨介質(zhì)的不同而不同。我們把光從某種介質(zhì)射向真空或空氣時(shí)使折射角變?yōu)?0度時(shí)的入射角，稱作這種介質(zhì)的臨界角。設(shè)光從折射率為n的介質(zhì)射向真空（或空氣），由于臨界角C是折射角等于90度時(shí)的入射角，根據(jù)折射定律有：光從（光疏到光密）現(xiàn)讓光從光密到光疏，根據(jù)光路可逆，則上式將變成：

 ==>  

圖4 學(xué)生探究光的全反射條件實(shí)驗(yàn)

通過這個(gè)學(xué)生實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以更好的理解光的全反射的概念以及產(chǎn)生條件，親自探究出實(shí)驗(yàn)結(jié)果會加深印象。在學(xué)生探究實(shí)驗(yàn)的過程中體現(xiàn)出科學(xué)探究的過程。

（四）科學(xué)態(tài)度與責(zé)任——物理核心素養(yǎng)的靈魂

科學(xué)態(tài)度與責(zé)任是物理學(xué)科從價(jià)值層面要培養(yǎng)的核心素養(yǎng)，是物理核心素養(yǎng)的靈魂，主要指對待科學(xué)的態(tài)度與價(jià)值觀。在這一層面需要學(xué)生在認(rèn)識科學(xué)本質(zhì)、理解科學(xué)·技術(shù)·社會·環(huán)境(STSE)的關(guān)系的基礎(chǔ)上逐漸形成的對科學(xué)和技術(shù)應(yīng)有的正確態(tài)度以及責(zé)任感。

1、 海市蜃樓

（1）海面上發(fā)生海市蜃樓的原因

夏天，在氣壓恒定的海面上，空氣密度隨高度增加而減小，對光的折射率也隨之減小，從而形成一具有折射率梯度的空氣層。當(dāng)光線通過此空氣層時(shí)，將發(fā)生偏轉(zhuǎn)。如圖5所示。

圖5 海面上海市蜃樓因

若人在較高處，看到的蜃景是由折射形成的正立虛像；若人在較低處，看到的蜃景是由折射和全反射形成的倒立虛像。

（2）沙漠中發(fā)生海市蜃樓的原因

夏天，氣壓恒定的沙漠中，太陽著在沙地上，接近沙面的熱空氣層比上層空氣的密度小，折射率也小。從遠(yuǎn)處物體射向地面的光線，進(jìn)入折射率小的熱空氣層時(shí)，入射角逐漸增大，也可能發(fā)生全反射，從而形成蜃景。如圖6所示。

在炎熱夏天的柏油馬路上，也有類似這樣的蜃景出現(xiàn)，從遠(yuǎn)處看，路面顯得格外明亮光滑，就象用水淋過一樣。

圖6 沙漠上海市蜃樓

2、 光導(dǎo)纖維——光纖通訊

一種利用光的全反射原理制成的能傳導(dǎo)光的玻璃絲，由內(nèi)芯和外套組成，直徑只有幾微米到100微米左右，內(nèi)芯的折射率大于外套的折射率，當(dāng)光線射到光導(dǎo)纖維的端面上時(shí)，光線就折射進(jìn)入光導(dǎo)纖維內(nèi)，經(jīng)內(nèi)芯與外套的界面發(fā)生多次全反射后從光導(dǎo)纖維的另一端面射出，而不從外套散逸，故光能損耗極小。      

如果把光導(dǎo)纖維聚集成束使其兩端纖維排列的相對位置相同，這樣的纖維束就可以傳送圖像，如圖7所示。

利用光導(dǎo)纖維可以彎曲傳光、傳像，可制作各種潛望鏡，醫(yī)用內(nèi)窺鏡等。

圖7 光導(dǎo)纖維

3、 全反射棱鏡

我們把橫截面是等腰直角三角形的玻璃磚叫做全反射棱鏡。如圖所示的等腰直角三角形表示了全反射棱鏡的橫截面，光線在棱鏡中發(fā)生全反射，光路會發(fā)生改變，從直角邊入射，光線會被改變90度，從斜邊入射時(shí)，光線被改變180度。如圖8所示。

圖8 棱鏡對光路的控制

用燈光來照射自行車尾燈，通過引導(dǎo)學(xué)生觀察并分析，從而得出自行車尾燈對光的反射原理。如圖9所示。

圖9 自行車尾燈對光的反射

通過介紹光的全反射的應(yīng)用，增進(jìn)學(xué)生對物理學(xué)習(xí)的熱愛。培養(yǎng)學(xué)生社會責(zé)任感，實(shí)現(xiàn)真正的素質(zhì)教育。

二、教學(xué)反思

(一)科學(xué)思維方法的教育達(dá)成

   在落實(shí)核心教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，學(xué)生自主探究光的全反射條件的實(shí)驗(yàn)部分就是為了培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的思想方法設(shè)計(jì)的，這一環(huán)節(jié)學(xué)生完成的比較理想，教師充分調(diào)動學(xué)生的積極性，使學(xué)生能夠積極參與到教學(xué)活動中，通過學(xué)生實(shí)驗(yàn)也可以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)、觀察、分析和總結(jié)能力，通過探究光的全反射的實(shí)驗(yàn)過程，體驗(yàn)從猜想到驗(yàn)證的科學(xué)探究過程。

(二)核心教學(xué)內(nèi)容的達(dá)成

通過回憶光的折射，讓學(xué)生理解光密介質(zhì)與光疏介質(zhì)，教師通過做光的全反射演示實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生觀察并理解光的全反射的含義，學(xué)生在親自動手探究光的全反射的產(chǎn)生條件的過程中，可以更好的理解光的全反射內(nèi)容及產(chǎn)生條件。教學(xué)過程環(huán)環(huán)相扣，提升學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。通過問題的設(shè)計(jì)，學(xué)生的探討，能使學(xué)生更清晰理解物理知識的發(fā)展過程，對構(gòu)建學(xué)生開放的知識體系有較大的幫助。探究性實(shí)驗(yàn)的設(shè)置，聯(lián)系實(shí)際，注重學(xué)生的動手操作，親身體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)，緊扣本節(jié)主題內(nèi)容要點(diǎn)，通過教師的多層次設(shè)問，學(xué)生積極發(fā)言，使學(xué)生能扎實(shí)的理解本節(jié)教學(xué)內(nèi)容，形成物理觀念。

(三)科學(xué)態(tài)度與責(zé)任目標(biāo)的達(dá)成

通過對光的全反射在日常生活中的應(yīng)用以及應(yīng)用光的全反射知識講解生活中的現(xiàn)象，使學(xué)生更好地理解光的全反射內(nèi)容，提高學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究的態(tài)度。激勵學(xué)生勤奮學(xué)習(xí)為我國科學(xué)技術(shù)事業(yè)做出貢獻(xiàn)，學(xué)生熱愛祖國的情感得到激發(fā)，并且也體現(xiàn)了科學(xué)·技術(shù)·社會·環(huán)境之間的聯(lián)系，更好地完成了STSE教育。

三、對教師的啟示

(一)教師要加強(qiáng)對教材的理解

   教師需要學(xué)會從學(xué)生發(fā)展的核心素養(yǎng)角度對教材的結(jié)構(gòu)安排、功能策略、課程目標(biāo)等方面進(jìn)行解讀，建構(gòu)教師自己的的教學(xué)體系，并將自己的思維策略融入到具體的教學(xué)設(shè)計(jì)中，在實(shí)踐中探索提高。

(二）教師要注意教學(xué)反思

教育是一種特殊的實(shí)踐性的活動，其發(fā)展離不開教師的反思。教學(xué)反思是教師提高教學(xué)質(zhì)量，改進(jìn)教學(xué)實(shí)踐的重要環(huán)節(jié)，因此培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)也需要教師可以在反思過程中關(guān)注學(xué)生的思維活動、認(rèn)知結(jié)構(gòu)等方面的發(fā)展，對教學(xué)實(shí)踐、教學(xué)活動不斷地改進(jìn)和創(chuàng)新，完善教學(xué)設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)本節(jié)課時(shí)，我研讀了新課標(biāo)，按照新課標(biāo)的要求設(shè)計(jì)本節(jié)內(nèi)容，本節(jié)課的主要特色以培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)為目的，在用小魔術(shù)進(jìn)行導(dǎo)入的環(huán)節(jié)生動形象富有吸引力，對光密光疏介質(zhì)的介紹，使學(xué)生回憶起之前講解的光的折射的知識，接下來學(xué)生進(jìn)行光的全反射演示實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生觀察光的全反射實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并啟發(fā)學(xué)生猜想產(chǎn)生光的全反射的條件，并且讓學(xué)生親自動手探究出產(chǎn)生光的全反射的條件。學(xué)生懂得光的全反射涵義及產(chǎn)生光的全反射的條件之后，再講解光的全反射應(yīng)用。整個(gè)教學(xué)過程既符合新課標(biāo)的教學(xué)目標(biāo)，也體現(xiàn)了新課程的理念，為課后的自主性學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)，也能促進(jìn)學(xué)生的交流與合作，培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)體協(xié)作精神。通過本節(jié)課的教學(xué)，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，學(xué)生了解了科學(xué)為人類帶來的便利，更會關(guān)注科學(xué)的發(fā)展，增強(qiáng)了用科學(xué)服務(wù)于人類的使命感和責(zé)任感。

文末小貼士

01作者介紹

鞠晨晨，北京市大興區(qū)第一中學(xué)高中物理教師，國家級物理名師工作室成員，全國物理學(xué)會會員，全國實(shí)驗(yàn)教學(xué)能手，全國科學(xué)影像節(jié)優(yōu)秀指導(dǎo)教師北京市物理名師工作室成員，北京市物理學(xué)會會員代表，北京市優(yōu)秀科技輔導(dǎo)員，大興區(qū)學(xué)科帶頭人，大興區(qū)兼職教研員，大興區(qū)五四青年標(biāo)兵。近6年連續(xù)擔(dān)任《五年高考三年模擬》和《三年高考兩年模擬》編委。

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