邱勤薇

（江蘇省蘇州第十中學(xué)，江蘇 蘇州 215006）

學(xué)生對物理現(xiàn)象的直觀認(rèn)識在他們接受正規(guī)的物理課程學(xué)習(xí)之前就已經(jīng)存在了，并在這些認(rèn)識的基礎(chǔ)上形成了他們自己的思維體系.這種在學(xué)生系統(tǒng)地學(xué)習(xí)科學(xué)知識之前所具有的想法稱為“前概念”.

當(dāng)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中遇到問題時，常常會用已經(jīng)形成的前概念去解釋.即使學(xué)習(xí)了科學(xué)概念，當(dāng)遇到問題時，他們?nèi)詴蛔杂X地用已有的前概念來解釋，或者將自己的錯誤前概念與科學(xué)概念混在一起.

基于前概念的特征和影響，教師要先了解學(xué)生存在著哪些物理前概念，判斷前概念是正確的還是片面的、錯誤的，以及這些經(jīng)驗(yàn)是如何建立起來的，這樣才能選擇適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)策略幫助學(xué)生有效地形成正確的物理知識.因此，教師在開始講授有關(guān)的物理內(nèi)容之前，應(yīng)通過一定的方式，如小組討論、提問、問卷調(diào)查、試題測試等等，去深入了解學(xué)生前概念的存在情況.

本文對“物理光學(xué)”重要知識點(diǎn)的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了前概念的調(diào)查和分析，并提出了相關(guān)的教學(xué)建議.

1 調(diào)查問卷的設(shè)計與實(shí)施

為了了解即將學(xué)習(xí)“物理光學(xué)”的高二學(xué)生有關(guān)光的特性、光的干涉、光的衍射、光的偏振、光電效應(yīng)方面存在的前概念，為“物理光學(xué)”重要知識點(diǎn)教學(xué)建議的制定提供依據(jù).筆者在文獻(xiàn)調(diào)查基礎(chǔ)上，對人教版高中物理3-4、3-5教材進(jìn)行了系統(tǒng)分析.根據(jù)《高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》及《高中物理教學(xué)要求》中闡述的對“物理光學(xué)”相關(guān)概念的教學(xué)要求，結(jié)合自身的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，同時在與經(jīng)驗(yàn)豐富的教師多次交流的基礎(chǔ)上編寫了一份測查高二年級學(xué)生“物理光學(xué)”重要知識點(diǎn)前概念的調(diào)查問卷，從如表1中的幾個維度進(jìn)行了調(diào)查.

筆者選取了蘇州十中2013屆高二國際班和普通班的學(xué)生作為測試對象.國際班的學(xué)生生源質(zhì)量較高，學(xué)生的基礎(chǔ)較好；普通班的學(xué)生入學(xué)成績相對略低一些，學(xué)生的基礎(chǔ)也相對略差.依據(jù)學(xué)生入學(xué)成績和學(xué)習(xí)能力的差異，有理由認(rèn)為學(xué)生的認(rèn)知能力表現(xiàn)出一定的梯度.為了保證測試的真實(shí)有效，所有問卷均由筆者或任課教師在課堂上發(fā)放完成，并聲明：此調(diào)查與學(xué)生的學(xué)習(xí)成績無關(guān)，要求學(xué)生認(rèn)真獨(dú)立的完成.問卷共發(fā)放82份，回收問卷80份，其中75份為有效問卷（國際班38份，普通班37份）.

表1

2 調(diào)查結(jié)論與分析

（1）高二年級學(xué)生學(xué)習(xí)光學(xué)知識前，對光的特性的理解存在的前概念.

①34.7%的學(xué)生將光等同于光源，8%的學(xué)生將光等同于光的作用效果，缺乏“空間光實(shí)體”這一科學(xué)概念.

②30.7%的學(xué)生混淆了照度與傳播距離兩個概念.

③76.0%的學(xué)生認(rèn)為光線是一種實(shí)物，這主要是由于對光的空間實(shí)體性的不理解.

④62.7%的學(xué)生更傾向于認(rèn)為光是在空間傳播的某種波.

有這些錯誤前概念的學(xué)生為數(shù)不少，國際班比普通班的學(xué)生正確率略高一些，但也不容樂觀.說明要認(rèn)清光到底是什么，并不是一件容易的事情，所以在光學(xué)教學(xué)中要用實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、科學(xué)概念、科學(xué)規(guī)律來說話，幫助學(xué)生建立科學(xué)的概念.

（2）對“光”的干涉內(nèi)容理解存在的前概念.

①73.4%的學(xué)生認(rèn)為光的干涉條件和機(jī)械波的干涉條件一樣，只要滿足頻率相同就可以了.

②88.0%的學(xué)生認(rèn)為彩色油膜是折射引起的色散現(xiàn)象.

較有利于建立科學(xué)概念的前概念是：

①72.0%的學(xué)生認(rèn)為在光的干涉現(xiàn)象中也有振動加強(qiáng)和減弱的區(qū)域.

②73.3%的學(xué)生知道路程差為波長的整數(shù)倍處出現(xiàn)明條紋，82.7%的學(xué)生明白路程差為半波長的奇數(shù)倍處將出現(xiàn)暗條紋.

由此可見，波的干涉的知識儲備，對進(jìn)一步學(xué)習(xí)光的干涉既有有利的一面，也有不利的一面.有利的一面表現(xiàn)在：學(xué)生能正確理解干涉中振動加強(qiáng)和減弱的意義及其形成原因，因?yàn)槿魏尾▌佣加羞@樣的共性；不利的一面則表現(xiàn)在：學(xué)生將機(jī)械波干涉的條件照搬到光的干涉中，而沒有意識到兩者本質(zhì)的區(qū)別.

（3）對“光的衍射”內(nèi)容理解存在的前概念.

高二學(xué)生在學(xué)習(xí)光的衍射以前，對衍射的了解是非常粗淺的，存在著這樣一些前概念：

①54.7%的學(xué)生認(rèn)為機(jī)械波能衍射而光只能沿直線傳播，不會發(fā)生衍射.

②74.4%的學(xué)生將波發(fā)生明顯衍射的條件照搬到光的衍射中來，認(rèn)為能發(fā)生明顯衍射的條件是：光的波長≥障礙物的尺寸.

這些認(rèn)識是錯誤和片面的.此外，通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對衍射現(xiàn)象很陌生，甚至與干涉現(xiàn)象發(fā)生混淆.這正是在教學(xué)中可以抓住的契機(jī)，讓學(xué)生帶著探究的精神在實(shí)驗(yàn)中學(xué)習(xí).

（4）對“光的偏振”內(nèi)容理解存在的前概念.

光的偏振現(xiàn)象和日常生活息息相關(guān)，調(diào)查發(fā)現(xiàn)33.3%的學(xué)生配戴過偏振太陽鏡，58.7%的學(xué)生看過立體電影，40%的學(xué)生大致能推斷出需要在照相機(jī)鏡頭前裝上一種能減弱反射光的鏡片.但是僅有12%的學(xué)生認(rèn)為偏振太陽鏡能減弱反射的太陽強(qiáng)光；僅5.3%的學(xué)生認(rèn)為在觀看立體電影時左右鏡片透過的光不同，使眼接受的圖像不一樣；對于照相機(jī)鏡頭前偏振片是如何減弱反射光就無人知道了.在教學(xué)中應(yīng)從偏振的實(shí)際應(yīng)用切入，激發(fā)學(xué)生探究的興趣，令他們感受物理與生活的無縫對接.

（5）對“光電效應(yīng)”內(nèi)容理解存在的前概念.

光電效應(yīng)對學(xué)生來說無疑是陌生的，但是通過光傳感器與太陽電池的對比，65.4%的學(xué)生能準(zhǔn)確地回答出光傳感器的工作原理.50.7%的學(xué)生都能通過比較，發(fā)現(xiàn)光傳感器和太陽電池的工作雖然都離不開光，但本質(zhì)是有區(qū)別的.僅有4%的學(xué)生提到光照使電子移動，而46.7%學(xué)生都是從能量轉(zhuǎn)換的角度指出是將光能轉(zhuǎn)化為電能，由此來模糊地解釋.

3 “物理光學(xué)”重要知識點(diǎn)的教學(xué)建議

筆者在前概念調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)中學(xué)物理教學(xué)的特點(diǎn)、學(xué)生認(rèn)知過程的特點(diǎn)以及教學(xué)實(shí)踐，試圖對物理光學(xué)教學(xué)給出一些有針對性的教學(xué)建議.

3.1 創(chuàng)設(shè)溫故知新的問題情境

案例1.在調(diào)查中發(fā)現(xiàn)學(xué)生對機(jī)械波干涉的知識有利于光的干涉概念的建立.可設(shè)計如下教學(xué)片斷.

問題1：投影水波穩(wěn)定的干涉圖樣，讓學(xué)生思考如果光也是波，光在空間疊加能看到什么？

圖1

生：有的地方亮、有的地方暗.如圖1.

問題2：類比機(jī)械波產(chǎn)生干涉的條件是：兩列波的頻率必須相同，我們已經(jīng)能得到頻率相同的光，也就是激光，下面演示兩束激光疊加會出現(xiàn)什么現(xiàn)象，能否看到干涉現(xiàn)象？

生：沒有看到干涉現(xiàn)象.

師：為什么呢？

生：兩個光源的振動情況不相同，不是相干光源.

師：可見，光的干涉條件比機(jī)械波更嚴(yán)格，由于光振動的特殊性，要發(fā)生光的干涉除了兩列光波頻率相同外，還要滿足相位差不變，即兩個光源的振動情況完全相同.（因在前概念調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對光的干涉條件理解易受機(jī)械波前概念的影響，故應(yīng)向?qū)W生講清光波的特殊性）

問題3：如何用激光得到兩個相干光源？

生：用激光照射雙縫.

問題4：托馬斯·楊的年代還沒有激光，他是如何得到相干光源的？

生：燭光通過單縫、再通過雙縫.

師：這是“一分為二”的方法.這也是楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)的巧妙之處，被稱為十大最美麗的實(shí)驗(yàn)之一.這就是托馬斯·楊的雙縫實(shí)驗(yàn)，如圖2.

圖2

3.2 設(shè)計生動精巧的物理實(shí)驗(yàn)

案例2.針對調(diào)查中發(fā)現(xiàn)學(xué)生不理解薄膜干涉的現(xiàn)象，可通過精巧的實(shí)驗(yàn)輔以教學(xué)，幫助學(xué)生理解薄膜干涉的原理.

以往“薄膜干涉”教學(xué)時，只是教師一人演示，盡管實(shí)驗(yàn)很成功，但兩側(cè)或稍后一些的學(xué)生就觀察不清干涉條紋.本節(jié)課將薄膜演示實(shí)驗(yàn)改為分組實(shí)驗(yàn)，讓每個學(xué)生都親手做實(shí)驗(yàn).

（1）課前準(zhǔn)備.

每個實(shí)驗(yàn)臺上配有：酒精燈1盞、火柴1盒、食鹽粉末少許、細(xì)金屬圈1個（長軸約5cm，短軸約4cm）、3個分別標(biāo)有1、2、3號、容積均為200mL的燒杯，分別裝有約150mL但濃度不同的肥皂液.其中，1號燒杯中的肥皂液稠度適中，金屬圈上形成的薄膜在重力作用下能持續(xù)10－20s，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象非常明顯；2號燒杯中的肥皂液較稠，能夠觀察到干涉條紋但條紋間距?。?號燒杯中的肥皂液最稠，因金屬圈上形成的膜太厚，觀察不到干涉條紋.

（2）授課過程（實(shí)驗(yàn)操作輔以問題催化）.

實(shí)驗(yàn)1：點(diǎn)燃酒精燈，在酒精燈芯上撒少許食鹽粉末，使酒精燈火焰變?yōu)辄S色.將金屬圈浸入1號肥皂液中緩慢拉出，使金屬圈上產(chǎn)生一薄薄的肥皂膜.將肥皂膜豎直放置在酒精燈火焰后方，然后認(rèn)真觀察肥皂膜上的圖像及其變化.

問題1：觀察實(shí)驗(yàn)1干涉條紋有何特點(diǎn)？是哪兩列光波發(fā)生的干涉？

問題2：隨著時間的推移，實(shí)驗(yàn)1中的薄膜厚度怎樣變化？干涉條紋發(fā)生怎樣的變化？

實(shí)驗(yàn)2：用2號肥皂液再做實(shí)驗(yàn)，觀察現(xiàn)象并與實(shí)瞼1的現(xiàn)象對比.

實(shí)驗(yàn)3：用3號肥皂液做實(shí)驗(yàn)并觀察現(xiàn)象.

問題3：干涉條紋為何是水平的？

問題4：看書并思考為何可用干涉法檢查平面？干涉條紋是哪兩個面的反射光疊加形成的？

案例3.針對調(diào)查中學(xué)生普遍認(rèn)為光只能沿直線傳播，無法理解光的衍射現(xiàn)象.可利用自制教具，讓學(xué)生觀察泊松亮斑，眼見為實(shí)以見證光的衍射現(xiàn)象.

① 實(shí)驗(yàn)器材：氦氖激光器、鐵架臺、夾子、金屬桿、細(xì)縫衣針、小鋼珠（直徑分別為3mm、4mm、5mm、6mm）、白紙、釹鐵硼強(qiáng)磁鐵（細(xì)圓柱形）

② 實(shí)驗(yàn)裝置：小鋼珠被強(qiáng)磁鐵吸住后吊在細(xì)縫衣針的尖端，如圖3所示.

圖3

圖4

③ 實(shí)驗(yàn)圖像：如圖4所示.

3.3 聯(lián)系實(shí)際應(yīng)用

案例4.調(diào)查發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對偏振現(xiàn)象較為陌生，缺乏探索的精神.在教學(xué)中可介紹偏振的實(shí)際應(yīng)用以激發(fā)學(xué)生研究的興趣.

（1）在攝影鏡頭前加上偏振鏡消除反光.

在拍攝表面光滑的物體，如玻璃器皿、水面、陳列櫥柜、常常會出現(xiàn)耀斑或反光，這是由于光線的偏振而引起的.在拍攝時加用偏振鏡，并適當(dāng)?shù)匦D(zhuǎn)偏振鏡面，能夠阻擋這些偏振光，借以消除或減弱這些光滑物體表面的反光或亮斑.如圖5所示.

圖5

（2）立體電影.

偏振式3D技術(shù)，配合使用的是被動式偏光眼鏡.偏光式3D技術(shù)的圖像效果比色差式好，而且眼鏡成本也不算太高，目前比較多電影院采用的也是該類技術(shù)，不過對顯示設(shè)備的亮度要求較高.如圖6所示.

圖6

3.4 開展概念辨析

案例5.調(diào)查顯示學(xué)生對光電效應(yīng)現(xiàn)象普遍陌生，因此在教學(xué)過程中應(yīng)當(dāng)注重概念教學(xué).

可通過介紹普朗克的量子理論及愛因斯坦的光子假說，向?qū)W生逐步滲透量子的思想.并對其中涉及到的概念如飽和光電流、截止頻率、截止電壓、光的強(qiáng)度做細(xì)致的辨析，在此基礎(chǔ)上再順勢引入光電效應(yīng)方程，較為符合高中學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律.

綜上所述，在本次調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在學(xué)習(xí)物理光學(xué)的相關(guān)知識前存在著一些前概念，其中有些前概念對概念的形成是有利，但大多數(shù)前概念都對概念的形成起著干擾作用，這是教學(xué)設(shè)計時需要充分思考的問題，可以通過創(chuàng)設(shè)情景，引發(fā)認(rèn)知沖突；巧設(shè)實(shí)驗(yàn)，糾正錯誤前概念；聯(lián)系應(yīng)用，激發(fā)學(xué)習(xí)的興趣；概念辨析，鞏固正確的科學(xué)知識.同時也要注意不同類型班級的差異性和因材施教.

1 課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書物理選修3-4、3-5［M］.北京：人民教育出版社，2010.

2 姚啟鈞.光學(xué)教程［M］.北京：高等教育出版社，2002.

3 麥慧怡.前概念對中學(xué)生物理學(xué)習(xí)的影響及教學(xué)策略［J］.教育導(dǎo)刊，2010（10）.