李 慧 曲亮生 王玉良 吳世永

(海軍航空工程學院基礎部,山東 煙臺 264001)

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光的偏振性教學設計

李 慧 曲亮生 王玉良 吳世永

(海軍航空工程學院基礎部,山東 煙臺 264001)

文章針對“光的偏振性”這次課進行了教學設計，包括教學任務分析、教學目標、教學內(nèi)容與時間分配、教學策略選擇與設計、教學評價、教學反思6個方面。主要采取教員課堂講授、學員分組討論的形式。教員按照“提出偏振光的概念、偏振光的產(chǎn)生、偏振光的檢驗、偏振光的應用”這條主線進行講解，在講解的過程中，注重教學內(nèi)容與現(xiàn)代教學手段的有機結(jié)合；通過學員的分組討論，發(fā)揮每一位學員的主觀能動性，營造出良好的課堂氛圍。希望各位老師借鑒、探討。

教學目標；教學評價；教學反思；方法與手段

本次課按照“以教員為主導、學員為主體”的教學原則，主要采取教員課堂講授、學員分組討論的形式。教員按照“提出偏振光的概念、偏振光的產(chǎn)生、偏振光的檢驗、偏振光的應用”這條主線進行講解，使教學過程符合學員的認知規(guī)律。在講解的過程中，注重教學內(nèi)容與現(xiàn)代教學手段的有機結(jié)合；不斷利用問題啟動學員思維，通過學員的分組討論，發(fā)揮每一位學員的主觀能動性。通過講解偏振光在日常生活中以及軍事上的實際應用，使學員了解物理知識的重要性，培養(yǎng)學員的探索精神、創(chuàng)新意識。

1 教學任務分析

1.1 教學內(nèi)容特點

光的偏振性屬于大學物理的波動光學部分。通過之前大學物理的學習，學員已經(jīng)掌握了機械波等相關(guān)知識，并了解“光是一種電磁波”。光的干涉與衍射現(xiàn)象說明光具有波動性，但不能由此判斷光是縱波還是橫波，因為不論縱波還是橫波都能產(chǎn)生干涉與衍射。只有觀察到偏振現(xiàn)象才能確定光是橫波，光的偏振性是波動光學部分的重點內(nèi)容之一。

本次課的內(nèi)容具有兩大特點，一是教學內(nèi)容方便課堂演示，只要攜帶兩塊偏振片，就能清楚地演示出實驗現(xiàn)象，操作簡單，現(xiàn)象明顯，有利于學員的理解掌握；二是實用性強，偏振光在日常生活、工程技術(shù)上有著廣泛的應用，是航海、航空等領域的必要物理知識。

參考教材：《物理學》第6版(馬文蔚主編，高等教育出版社)，11-10、11-11。

計劃學時： 2。

1.2 學員特征

本次課的教學對象為本科二年級第一學期的飛行學員。飛行學員的招生對象是符合飛行員條件的地方應屆高中畢業(yè)生(文、理皆可)。由于對飛行學員身體素質(zhì)的要求比較高，他們的錄取分數(shù)線與其他合訓學員相比，要相對低一些。相比于其他合訓學員，飛行學員有其獨特的方面。為了與其他合訓學員作比較，更好地總結(jié)出飛行學員的特點，筆者對14級194名合訓學員和14級58名飛行學員進行了關(guān)于學習動力、學習狀態(tài)等方面的調(diào)查問卷(調(diào)查問卷結(jié)果見附表)。通過對飛行學員的生源、高考成績、調(diào)查問卷結(jié)果的分析，可以總結(jié)出我院的飛行學員主要有以下幾個特點：

(1) 飛行學員的學習動力較弱，主要體現(xiàn)在學習的努力程度和自覺性還不夠強。

在學習努力程度的調(diào)查中，只有12.1%的飛行學員認為自己學習很努力，22.4%的學員認為自己不夠努力，這個數(shù)值遠遠大于其他合訓學員7.2%的比例。我認為，學習動力不足的一個很重要原因是飛行學員對所學課程的興趣不大，只有12.1%的飛行學員對目前所學的課程很感興趣，81%的學員感到一般。而對于不感興越的課程，只有34.5%的飛行學員會選擇繼續(xù)努力，17.2%的學員則完全沒有勁頭，65.5%的飛行學員有在課堂上涂鴉或看與上課無關(guān)的書籍的情形。

(2) 飛行學員的自我意識普遍較強。

在“對學習態(tài)度影響最大的因素”的選擇中，飛行學員選擇“自主決斷”的占到43.1%，這個比例遠遠大于其他合訓學員。39.7%的飛行學員“階段學習目標”是“自定目標”，在對“最好的教學形式”的選擇上，只有25.9%的飛行學員選擇“教員講授”、50%的學員選擇“互相討論”、24.1%的學員選擇“自學”。

(3) 相比于學習成績，飛行學員更看重的是專業(yè)能力的培養(yǎng)、體能的訓練。

48.2%的飛行學員的階段學習目標是“全面發(fā)展”，而想在學習上獲得好成績的只占12.1%，遠遠小于其他合訓學員50.2%的比例。飛行學員的就業(yè)前景相比于其他合訓學員更加明確，他們最關(guān)注的是與以后飛行工作聯(lián)系緊密的實操訓練，而對于基礎理論課的學習大都采取“隨大流”的態(tài)度。從這份調(diào)查結(jié)果中也可以看出，對于每個問題的回答，一般選擇的中間項的飛行學員最多，選擇兩頭的相對較少。比如問題“你的作業(yè)，通?！保w行學員選擇“當天完成”的有17.2%，“2～3天內(nèi)完成”的有47.2%，選擇“拖著等催再完成”的有8.6%；其他合訓學員選擇的比例依次是49.5%、40.2%、19.3%。這就說明，大部分飛行學員對學習采取中庸之道，只要能順利畢業(yè)即可。調(diào)查結(jié)果也顯示，43.1%的飛行學員在學習中經(jīng)?？紤]前途，70.7%的飛行學員畢業(yè)時只想獲得學位證，只有10.3%的飛行學員想繼續(xù)深造。

2 教學目標

2.1 知識掌握方面

(1) 能夠理解自然光、偏振光、部分偏振光的概念；能闡述“偏振”的意義；會用符號表示自然光、偏振光、部分偏振光。

(2) 了解偏振光的兩種產(chǎn)生方法：一是由反射和折射獲得偏振光；二是由晶體的二向色性產(chǎn)生偏振光。掌握布儒斯特定律，會用其分析玻璃片堆獲得偏振光的方法和外腔式氣體激光器的原理。

(3) 了解二向色性的概念，能闡述利用偏振片獲得偏振光的原理；能夠利用旋轉(zhuǎn)的偏振片區(qū)分自然光、偏振光、部分偏振光；掌握馬呂斯定律，了解立體電影的原理。

2.2 能力培養(yǎng)方面

(1) 會利用布儒斯特定律、馬呂斯定律解決具體題目，加深學員對基本概念、基本定律的理解。

(2) 會利用本節(jié)所學知識分析飛機、輪船上偏振窗的原理、照相過程中如何拍出理想的照片以及偏振光在定向?qū)Ш郊夹g(shù)中的運用，使學員了解偏振光知識在現(xiàn)代科技以及軍事上的應用，能綜合運用所學知識和技能解決一些實際問題。

(3) 通過開放式題目“光污染”，培養(yǎng)學員從實際出發(fā)提出問題、分析問題和解決問題的能力。

2.3 情感態(tài)度方面

通過將本節(jié)課的基本理論知識應用于實際應用的過程，培養(yǎng)學員的探索精神、創(chuàng)新意識。

2.4 教學重點和難點

(1) 教學重點：布儒斯特定律、馬呂斯定律及其應用。

(2) 教學難點：偏振光的檢驗方法。

3 教學內(nèi)容與時間分配

主要內(nèi)容時間分配問題引入3分鐘3個基本概念:自然光、偏振光、部分偏振光10分鐘“偏振”的概念7分鐘由反射和折射獲得偏振光———布儒斯特定律及其應用15分鐘偏振光的檢驗———仿真實驗(教員引導、學員分組討論)10分鐘課間休息馬呂斯定律及其應用10分鐘問題:如何用一塊偏振片發(fā)現(xiàn)偏振光(學員分組討論)注10分鐘偏振光的應用:立體電影、攝影技術(shù)、定向?qū)Ш?2分鐘偏振窗的設計與改進(教員引導、學員分組討論)10分鐘歸納總結(jié),布置作業(yè)3分鐘

注： 歷史上費曼在海邊利用海水反射的光，根據(jù)布儒斯特定律用一塊偏振片發(fā)現(xiàn)偏振光。我們的學院也坐落在海邊，從教室的窗戶就可以看到大海。

4 教學策略選擇與設計

本著課堂上以教員為主導、學員為主體的教學原則，本次課主要采取教員課堂講授、學員分組討論的形式。

4.1 方法與手段

針對本次課的教學目標和學員情況，為了更加符合學員的認知規(guī)律，筆者調(diào)整了教材上知識點的講解順序，按照“提出偏振光的概念、偏振光的產(chǎn)生、偏振光的檢驗、偏振光的應用”這條主線進行講解。在講解的過程中，不斷利用問題啟動學員思維，通過學員的分組討論，發(fā)揮每一位學員的主觀能動性。首先，以學員感興趣的身邊事物展開話題，設置懸念，激發(fā)學員的學習興趣，通過動畫演示、仿真實驗，突出重點，化解難點。注重物理知識在日常生活中以及軍事上的實際應用，使學員了解物理學習的重要性。最后通過開放式的作業(yè)，使學員帶著問題離開課堂，通過將本節(jié)課的基本理論知識應用于實際應用的過程，培養(yǎng)學員的探索精神、創(chuàng)新意識。

4.2 教學流程

(1) 引入新課

提出問題，“3D電影為什么會有立體感？我們看3D電影時為什么要戴上一副眼鏡？”激發(fā)學員的興趣，引入本節(jié)課的具體內(nèi)容。

(2) 講解3個基本概念：自然光、偏振光、部分偏振光

從自然光入手開始講解，對自然光的理解是掌握偏振光、部分偏振光的基礎，為了讓學員更好地理解自然光的概念，筆者采取了動畫演示的形式。本部分講解的重點是對于“偏振”的理解，所謂“偏振”，就是光波的振動方向?qū)鞑シ较虻牟粚ΨQ性。為了更好的解釋，筆者講述了物理學史上一個真實的小故事，說明光波是橫波，光矢量的振動方向?qū)獾膫鞑シ较騺碚f是不對稱性的。(早在19世紀初，1808年，馬呂斯偶然發(fā)現(xiàn)，把雙解石晶體繞著從玻璃上反射的光線旋轉(zhuǎn)時，透過晶體的光強會周期性地增強和減弱。這就說明光波是橫波，它對光線方向表現(xiàn)了不對稱性。假如光波是縱波，那么無論晶體怎么繞光線轉(zhuǎn)動，透過的光強是不會發(fā)生變化的。光的偏振現(xiàn)象證實了光的橫波性。)

(3) 由反射和折射獲得偏振光的方法

本部分重點內(nèi)容是解釋布儒斯特定律，筆者沒有按照傳統(tǒng)的方法由公式推導出來，而是由歷史上真實的實驗得出布儒斯特定律，讓學員把重點放在布儒斯特定律的應用上。通過一道例題，讓學員明白當光以起偏角由空氣進入玻璃時，它在玻璃中的折射角就是由玻璃進入空氣的起偏角，由此也證實了光路的可逆性。

例1 玻璃的折射率為1.5，空氣的折射率近似為1，當自然光從空氣射向玻璃而反射時，起偏角為多少？而當光由玻璃進入空氣時，起偏角又是多少？

根據(jù)例1的結(jié)論，講解由玻璃片堆獲得偏振光的方法(動畫演示)。又通過講解外腔式氣體激光器的原理，加深學員對布儒斯特定律的理解。

(4) 偏振光的檢驗

首先，為了拓展學員的知識面，教員先講解了二向色性的概念，并介紹幾種具有二向色性的物質(zhì)，而偏振片就是利用二向色性的原理制成的。自然光通過偏振片后，成為偏振光。如何區(qū)分自然光、偏振光、部分偏振光是本部分的重點，也是這節(jié)課的教學難點。教員采用了仿真實驗的方法解決了這個問題，通過仿真實驗的方式引發(fā)學員的興趣，變靜為動，揭示本質(zhì)，使抽象的問題化難為簡。通過分組討論，學員們自己總結(jié)出實驗規(guī)律：自然光透過旋轉(zhuǎn)的偏振片后，透過的光強不會發(fā)生變化；偏振光透過旋轉(zhuǎn)的偏振片后，透過的光強發(fā)生周期性變化，并出現(xiàn)消光現(xiàn)象；部分偏振光透過旋轉(zhuǎn)的偏振片后，透過的光強發(fā)生周期性變化，不會出現(xiàn)消光現(xiàn)象。

偏振光通過偏振片后，偏振化方向發(fā)生了改變，那光強變成多大呢？從而引出馬呂斯定律，并用例2加深對馬呂斯定律的理解。為了培養(yǎng)學員運用所學知識解決實際問題的能力，我讓學員分組討論，“如何用一塊偏振片來發(fā)現(xiàn)偏振光”。

例2 兩偏振片P1和P2正交放置．現(xiàn)有一束強度為I0的自然光垂直入射．試求：①從偏振片P2透射的光強I是多少？②在P1、P2兩偏振片之間放置另一偏振片P3，它與P1、P2的夾角分別為30°和60°，此時從偏振片P2透射的光強I是多少？

(5) 偏振光的應用

首先為了呼應開頭，教員先講解立體電影的原理。為了鞏固本節(jié)課所學習的知識，培養(yǎng)學員將基本理論知識應用于實際過程的能力，又介紹了偏振光在日常生活中的具體應用：攝影技術(shù)；并用播放視頻的方式介紹了偏振光在軍事上的應用，定向?qū)Ш?。為了貼合飛行學員的特點，引發(fā)他們學習物理的興趣，介紹了飛機、輪船上常用的“偏振窗”，并讓學員分組討論，解釋偏振窗的原理，提出改進措施。

(6) 歸納總結(jié)，布置作業(yè)

教員用3個字總結(jié)了本節(jié)課所學習的知識，即“三、二、一”。所謂“三”，是指3個基本概念，自然光、偏振光、部分偏振光；所謂“二”，是指兩個基本規(guī)律，布儒斯特定律和馬呂斯定律；這些總結(jié)成一句話，即光波是橫波，它具有偏振性。所總結(jié)的學習重點全部體現(xiàn)在板書上，在講解過程中，要保證幻燈片和板書的完美配合。

板書設計

課后作業(yè)：光污染的治理。通過將本節(jié)課的基本理論知識應用于日常實際的過程，培養(yǎng)學員的探索精神、創(chuàng)新意識。

隨著城市的快速發(fā)展，玻璃的應用越來越廣泛，光線已經(jīng)成為一種新的環(huán)境污染源，被稱為“光污染”。比如，有些建筑物用玻璃做外墻，在陽光的照射下，會發(fā)出刺眼的光，這就是光污染；夜晚汽車的大燈照得人睜不開眼睛，也是光污染。請同學們用今天學習的知識來治理一下光污染。

5 教學評價

目前，大學物理考核的主要形式還是學期末的閉卷考試。在期末考試時，考查的知識范圍比較窄，大部分題目為書上例題或課后題的翻版，許多考生往往考前臨時“抱佛腳”，希望通過背題僥幸過關(guān)，這樣，考試成績可能無法真實地反映出學員掌握知識的情況，也導致了平常上物理課時，學員不重視，出現(xiàn)發(fā)呆、打盹的現(xiàn)象。在本次課的講解過程中，教員采取綜合性的評價方法，科學評價學員學習效果。學期末大學物理的考核成績不僅包括最后的閉卷考試成績，還要有相當一部分比例的平時成績。平時成績包括課堂表現(xiàn)和課后作業(yè)兩部分。

課堂上，對于積極發(fā)言、回答正確的學員，提出表揚，平時成績加分；對于發(fā)呆、開小差的學員，平時成績減分。課后，根據(jù)學員作業(yè)的完成情況分為A、B、C、D 4個等級，計入平時成績。本次課堂上，學員聽講認真、互動良好，小組討論時，積極發(fā)言、氣氛活躍，充分發(fā)揮了每一名學員的主觀能動性，絕大多數(shù)學員能夠完成本次課的教學目標。

6 教學反思

物理學科本身是一門邏輯性非常強的課程，重視知識的內(nèi)在規(guī)律性、系統(tǒng)性和嚴謹性，有著大量繁瑣枯燥的理論分析和公式推導，許多學員認為“物理難學”；加之飛行學員自身的特點，不少學員認為物理課程所教授的知識與后續(xù)專業(yè)課的學習以及以后的飛行工作聯(lián)系不大，因此對物理課程的學習不太重視，學習物理的目的只是為了通過考試。在目前大學物理的課堂上，經(jīng)常會出現(xiàn)學員發(fā)呆、打盹的現(xiàn)象，這就要求我們教員要采取靈活多樣的教學方法手段，引發(fā)學員學習物理的欲望。通過這次光的偏振性課程的講解，筆者總結(jié)出以下幾條經(jīng)驗作法，不當之處，懇請專家不吝指出。

1) 教學過程要符合學員的認知規(guī)律

我們本次課的參考教材是《物理學》第6版(馬文蔚主編，高等教育出版社)。在教材上，教學內(nèi)容是這樣安排的：(1)自然光、偏振光，(2)偏振片、起偏與檢偏，(3)馬呂斯定律，(4)反射光和折射光的偏振，得到布儒斯特定律。如果課堂上按照這樣的順序講解，會顯得知識點間缺乏邏輯性，不利于學員理解掌握。在講課過程中，筆者調(diào)整了教材上知識點的排列順序，按照“提出偏振光的概念、偏振光的產(chǎn)生、偏振光的檢驗、偏振光的應用”這條主線進行講解。這樣講解，把原來看似零散的知識點用一條線串了起來，使課程內(nèi)容的安排具有邏輯性，更加符合學員的認知規(guī)律。

2) 利用問題啟動學員思維

教員要吃透教材，吃透學員，重視對學員問題意識的培養(yǎng)。結(jié)合教學過程精心設置出問題情境，使學員意識到問題的存在。當學員感到自己需要問個“為什么”“是什么”“怎么辦”的時候，他們的思維被啟動，意識也就越強烈，思維就越活躍、越深刻。本節(jié)課的教學過程就是一個不斷設問的過程。

問題情境引出內(nèi)容3D電影為什么會有立體感?看3D電影時為什么要戴上一副眼鏡?本節(jié)課的內(nèi)容———光的偏振性普通光源所發(fā)出的光一般都是自然光,如何獲得偏振光呢?偏振光的產(chǎn)生僅靠眼睛是不能區(qū)分一束入射的光是偏振光還是自然光,偏振光和自然光如何區(qū)分呢?偏振光的檢驗

3) 注重與現(xiàn)代教學手段的有機結(jié)合

本節(jié)課在講解過程中，穿插物理學發(fā)展史上真實發(fā)生的小故事，應用動畫、視頻、仿真實驗等多種表現(xiàn)形式，將一些枯燥、抽象、難以理解的概念、復雜的變化過程、形態(tài)各異的運動形式等直觀地顯示在學員面前。例如，在講解“自然光”的概念時，教員采用了Flash動畫的形式，將抽象的概念形象地顯現(xiàn)在學員面前，幫助學員理解記憶；在講解“偏振光的檢驗”時，采用了仿真實驗的方式，很容易引起學員的興趣和注意，增強學員的理解能力。

4) 避免“滿堂灌”的教學方式

現(xiàn)代科學表明，一個成年人注意力高度集中的時間約為15分鐘左右。如果一堂物理課只是教員在不斷地講解，很容易出現(xiàn)學員發(fā)呆、走神的現(xiàn)象，這就要求我們要采取多種教學形式，筆者在講解本節(jié)課時就采用了教員課堂講授過程中穿插學員分組討論的形式。例如，在講解“偏振光的應用”時，介紹了飛機、輪船上常用的“偏振窗”，并讓學員分組討論，解釋偏振窗的原理，提出改進措施。這樣做不僅可以避免學員發(fā)呆、走神的現(xiàn)象，還可以促使學員們主動思索，認真探究，讓每一個學員都參與到課堂教學中，營造出良好的課堂氛圍，真正體現(xiàn)出課堂上以教員為主導、學員為主體的教學原則。

5) 注重物理知識的實際應用

筆者在平時講課的過程中發(fā)現(xiàn)這樣一個現(xiàn)象，在講解最基本的物理原理，尤其是繁瑣的定律推導時，學員們最容易犯困走神；當講解具體的題目時，學員們的情況要好些；當講解物理知識的實際應用尤其是軍事應用時，是學員們最感興趣的時候。所以在講解本次課時，特別注重物理知識的實際應用。講解應用，不僅是為了激發(fā)學員的學習興趣，更是為了理解鞏固已學的物理原理。例如講解布儒斯特定律時，介紹了外腔式氣體激光器的原理；最后又集中講解了偏振光知識在日常生活中及軍事上的實際應用。通過講解物理原理的實際應用過程，使學員了解物理知識的重要性，培養(yǎng)學員從實際出發(fā)提出問題、分析問題、解決問題的能力。

附表： 調(diào)查問卷結(jié)果(共發(fā)出問卷252份，收回252份)

續(xù)表

[1] 東南大學等七所工科院校.物理學[M].6版.北京:高等教育出版社,2016.

[2] 程守洙,江之水.普通物理學[M].北京:高等教育出版社,1997.

[3] 韓仙華,蔣敏,王曉,等.大學物理教學設計[M].北京:國防工業(yè)出版社,2006．

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INSTRUCTIONAL DESIGN OF POLARIZED LIGHT

Li Hui Qu Liangsheng Wang Yuliang Wu Shiyong

(Department of Basic Sciences, Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai Shandong 264001)

This article introduces the instructional design of polarized light in six aspects, including teaching task analysis, teaching objectives, teaching content and time allocation, teaching strategy selection and design, teaching evaluation, and teaching reflection. Our design mainly took the form of classroom teaching and students’ group discussion. The teacher explained in accordance with the main line of “the concept of polarized light, the production of polarized light, the examination of polarized light and the application of polarized light”, focusing on the organic combination of teaching content and modern teaching means. Through the group discussion, each student’s subjective initiative was played and good classroom atmosphere was obtained. Hope our work can provide a reference for teachers’ learning and exploring.

teaching objectives; teaching evaluation; teaching reflection; method and means

2016-10-18

李慧，女，講師，主要從事物理教學科研工作，研究方向為凝聚態(tài)物理，346521161@qq.com。

李慧，曲亮生，王玉良，等. 光的偏振性教學設計[J]. 物理與工程，2017，27(3)：56-62.