馬文婧 鄭宇晴 張軼炳

摘 要：采用探究實驗指導(dǎo)書進行實驗探究的形式對《光的偏振》一節(jié)進行教學(xué)，探究指導(dǎo)書的方法繼承了高中物理課程標準的思想，旨在培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力、動手能力和創(chuàng)新能力。探究指導(dǎo)書由實驗準備、儲備知識、探究過程、工作單（問題卡片）幾部分組成，整個探究過程教師基本不再給予指導(dǎo)，全程由學(xué)生自己根據(jù)探究指導(dǎo)書完成探究實驗，教師根據(jù)課堂觀察和工作單分析學(xué)生的探究情況。

關(guān)鍵詞：探究指導(dǎo)書；偏振；橫波；縱波

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2018）11-0028-6

培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的習(xí)慣，發(fā)展學(xué)生探究的能力既是高中物理課程標準的要求，也是培養(yǎng)創(chuàng)造性人才的必要條件。為培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究素養(yǎng)，現(xiàn)提倡采用探究教學(xué)的模式，國外有“學(xué)習(xí)環(huán)”模式、“5E”模式、預(yù)測機制學(xué)習(xí)環(huán)模式、四階段學(xué)習(xí)環(huán)模式、元認知學(xué)習(xí)環(huán)模式等多種探究式教學(xué)模式。國內(nèi)有以學(xué)生思維探究為主的探究式教學(xué)模式和以學(xué)生實驗探究為主的探究式教學(xué)模式[1]，“一制二式”的教學(xué)模式[2]，“自主學(xué)習(xí)”課堂教學(xué)模式[3]等多種以探究式學(xué)習(xí)為主的教學(xué)模式。但這些教學(xué)模式多是在課堂中調(diào)整某幾個教學(xué)環(huán)節(jié)，使整節(jié)課中具有一部分自主探究的內(nèi)容。而探究指導(dǎo)書式的教學(xué)模式，是學(xué)生使用教師提前準備好的探究實驗指導(dǎo)書，獨立進行探究實驗，根據(jù)指導(dǎo)書的引導(dǎo)，將自己已知的知識與新知識建立聯(lián)系，將新知識整合、內(nèi)化到頭腦中。整個探究過程結(jié)束后，教師根據(jù)學(xué)生完成的工作單情況來判定學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。這樣的探究方式不僅可以培養(yǎng)學(xué)生的探究性學(xué)習(xí)能力，還可以在期末評價中加上過程評價，不以期末考試成績作為判定成績的唯一標準，激勵學(xué)生認真完成每一次探究學(xué)習(xí)，從而達到培養(yǎng)探究能力和自主學(xué)習(xí)能力的目的。

1 探究指導(dǎo)書的設(shè)計

1.1 指導(dǎo)書的設(shè)計理念

基于探究指導(dǎo)書式的實驗探究就是教師事先編寫探究實驗指導(dǎo)書，學(xué)生根據(jù)探究指導(dǎo)書上步驟的引導(dǎo)，自己完成整個探究過程。探究過程中教師不會主動給予學(xué)生指導(dǎo)，全部的教學(xué)活動以學(xué)生為主體。這樣的教學(xué)模式，就需要教師編寫一份適合學(xué)生使用的探究實驗指導(dǎo)書。在制定探究實驗指導(dǎo)書時，要注意探究指導(dǎo)書應(yīng)該照顧到各個知識和技能層面的學(xué)生，儲備知識是為了方便查閱已經(jīng)學(xué)過的且與實驗相關(guān)的知識，閱讀部分是為了讓學(xué)生進一步理解與本實驗相關(guān)的概念或者現(xiàn)象。既然老師不能給予口頭指導(dǎo)，那么需要引導(dǎo)的內(nèi)容就得寫在探究指導(dǎo)書里。一些閱讀資料放在探究指導(dǎo)書里也可以培養(yǎng)學(xué)生閱讀物理資料的能力，這種方式可以讓學(xué)生體驗科學(xué)家做探究的過程，增強學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，增加學(xué)習(xí)的主動性。

物理是一門以實驗為基礎(chǔ)的科學(xué)，實驗在物理教學(xué)中有至高無上的地位，運用探究實驗進行教學(xué)，不但可以深化對物理概念的理解，更可以增強學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力?？茖W(xué)探究是新課程規(guī)定的學(xué)習(xí)目標，也是新課程極力倡導(dǎo)的一種有助于培養(yǎng)學(xué)生問題意識和創(chuàng)新能力的學(xué)習(xí)方法[4] 。在物理教學(xué)中采用科學(xué)探究的方式可以更好地培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。美國《國家科學(xué)教育標準》將科學(xué)探究界定為：科學(xué)家們用以研究自然界并基于此種研究獲得的證據(jù)提出種種解釋的多種不同途徑，也指學(xué)生們用以獲得知識、領(lǐng)悟科學(xué)的思想觀念、領(lǐng)悟科學(xué)家們研究自然界所用的方法而進行的各種活動[5]。在美國教材中，其中很多內(nèi)容都不是教師直接給學(xué)生講知識，而是采用這種探究指導(dǎo)書的形式進行教學(xué)。大量研究表明，探究教學(xué)在學(xué)生的詞匯知識、概念理解、批判性思維、探究能力和對科學(xué)的認識以及對科學(xué)的態(tài)度方面有積極的效果[6]。

探究指導(dǎo)書的教學(xué)方式是遵循布魯納的發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)觀，布魯納認為學(xué)習(xí)的目的不在于掌握瑣碎的知識，而是在獲取、追求知識的過程中學(xué)會怎樣學(xué)習(xí)。這樣，當學(xué)生在正規(guī)學(xué)校教育結(jié)束之后，將會獨立地向前邁進[7]。使用探究指導(dǎo)書的教學(xué)方式對學(xué)生的評價分為兩個方面，一是探究指導(dǎo)書中設(shè)計一些環(huán)節(jié)：“與你的老師討論你的問題”，這時學(xué)生可以舉手示意老師過來，跟老師談他們的想法或答案，老師根據(jù)他們談話的內(nèi)容給予現(xiàn)場打分。二是工作單評價，每個學(xué)生都有一個記錄卡片，上面有已經(jīng)設(shè)計好的一些問題，要求學(xué)生邊實驗邊回答，下課就交。這兩種方式結(jié)合也能減輕教師的評價負擔，所以探究指導(dǎo)書中的問題設(shè)計是非常關(guān)鍵的。科學(xué)設(shè)計的問題是可以評價學(xué)生完成探究后的學(xué)習(xí)目標達成程度的。問題設(shè)計包括了對知識目標、方法目標及技能目標的完成，問題設(shè)計應(yīng)與探究過程相適應(yīng)。所以在設(shè)計探究指導(dǎo)書時，設(shè)計者必須清晰地知道這節(jié)課需要學(xué)生達成的總目標和階段目標。

本文以高中人教版物理教材中《光的偏振》一節(jié)為例，使用探究指導(dǎo)書進行教學(xué)。

1.2 探究指導(dǎo)書設(shè)計流程

探究指導(dǎo)書設(shè)計流程如圖1所示，確定探究目標和準備實驗儀器為課前教師準備環(huán)節(jié)，教學(xué)過程的主要部分是學(xué)生自主探究過程，這一過程分為多個步驟，針對每一環(huán)節(jié)，有相對應(yīng)的問題，使學(xué)生以指導(dǎo)書為引導(dǎo)，將思緒理清，逐步進行思考、實驗，回答問題，最后達到學(xué)會新知識的目的。拓展實驗內(nèi)容是對本節(jié)課的知識更進一步理解?？紤]到學(xué)生會出現(xiàn)回答問題的疲勞感，工作單的問題設(shè)計不宜太多，一般不超過10個。

2 探究實驗過程

圖2是基于核心素養(yǎng)的思想確定的探究目標，物理核心素養(yǎng)主要由“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責任”四個方面的要素構(gòu)成。物理核心素養(yǎng)對三維目標的發(fā)展主要體現(xiàn)在知識目標、方法目標和技能目標，每一個教學(xué)目標都有相應(yīng)的探究過程，相應(yīng)的過程有相對應(yīng)的問題，問題與目標相對應(yīng)。圖2為目標、過程、問題的對應(yīng)圖，也是整個探究實驗過程的匯總。

2.1 探究目標

①認識縱波、橫波，會用圖示法表示縱波、橫波；

②能用彈簧通過狹縫總結(jié)出偏振的概念；

③通過網(wǎng)絡(luò)資料查詢，了解偏振片的構(gòu)造特征；

④觀察自然光通過一個偏振片，并結(jié)合偏振片的構(gòu)造特征，說出為什么自然光通過一個偏振片以后，觀察到光線變暗了；

⑤能通過兩個偏振片的實驗，推理出光波是一種橫波；

⑥查閱資料，了解什么是雙眼視覺；

⑦用偏振原理解釋立體電影的原理。

2.2 學(xué)生自主探究過程

實驗儀器的準備：教師為學(xué)生準備有一定重量的繩子，幾個長條紙盒，波動彈簧若干，縱波、橫波演示儀，偏振片組。準備記錄卡片，將需要回答的答案寫在記錄卡片上。

過程1：學(xué)生需要有一定的儲備知識，要知道橫波和縱波的定義、圖示及特性，小組成員查閱學(xué)過的內(nèi)容，復(fù)習(xí)機械波中橫波和縱波的定義，說一說什么是波的傳播方向，什么是質(zhì)點的振動方向，并用圖示法表示出來。

問題1：縱波、橫波的定義（定義中請使用術(shù)語，如傳播方向、振動方向）。

過程2：看一下這個圖形（縱波、橫波示意圖，如圖3所示），你認為哪個代表傳播方向，哪個代表振動方向，橫波的傳播方向和振動方向之間有什么關(guān)系，縱波的傳播方向與振動方向成什么關(guān)系。

過程3：橫波及縱波的圖示。

物理學(xué)中常用圖示模型直觀地表示某些物理性質(zhì)。我們可以用圖示法表示橫波和縱波，平行于表面的振動可用上下箭頭或左右箭頭表示，垂直于表面的振動可用黑點表示，其疏密程度也反映振動的強弱（如圖4所示）。

問題2：回答圖4（a）（b）（c）三個圖中哪個是橫波，哪個是縱波。

過程4：探究橫波的偏振特性。

教師提供實驗器材：一根粗的繩子或者塑料管，一根彈性較好的金屬波動彈簧，一塊開長方形孔的硬紙板，孔的短邊與波動彈簧直徑近似，長邊大約為波動彈簧直徑的兩倍（如圖5所示）。

①想辦法用繩子制造出橫波來，觀察繩子產(chǎn)生波的傳播方向和振動方向。可以考慮把繩子的一端固定，用手均勻地上下甩動，隨著甩動，波就傳播出去了。注意：為什么要均勻甩動，想想甩動的快慢與周期、頻率的關(guān)系，甩動幅度與振幅的關(guān)系。（老師可以現(xiàn)場提問）

②將波動彈簧放在桌面上，雙手拉開彈簧一段距離，用手固定彈簧的一端，另一只手沿與彈簧伸長方向垂直的方向均勻、往復(fù)、持續(xù)地抖動彈簧，讓彈簧產(chǎn)生橫波波形，注意抖動幅度不要超過紙板縫的二分之一長度。

③讓彈簧波通過圖中紙板的縫，調(diào)整紙板的方向，你會發(fā)現(xiàn)當縫長邊與振動方向平行時，波形完全可以通過；當縫短邊與振動方向平行時，波被阻隔。注意：如果彈簧現(xiàn)象不明顯，可以用繩子產(chǎn)生橫波，用彈簧是為了和下面的縱波作比較。

④用波動彈簧產(chǎn)生一個縱波，與產(chǎn)生橫波不同的是，我們用手沿彈簧的中軸線方向不停地推拉彈簧，彈簧沿軸向會有疏密變化，推拉方向就是波的振動方向，軸向是傳播方向，波的振動方向與傳播方向相同，形成縱波。讓彈簧通過紙板，調(diào)整紙板的方向，你會發(fā)現(xiàn)彈簧產(chǎn)生的縱波波形能全部通過狹縫，不受縫寬度的影響。

比較橫波和縱波，若從對稱性的角度來說，哪種波相對傳播方向是對稱的。

物理學(xué)上說，偏振是橫波所具有的特性，“偏”包含著怎樣的含義，你能給偏振下個定義嗎？

問題3：給偏振下個定義，并用振動示意圖來說明橫波具有偏振性，縱波具有對稱性。與老師討論你的定義。

過程5：上面的研究發(fā)現(xiàn)，只有橫波才具有偏振特性。那么，光波是什么波呢？請?zhí)岢瞿愕募僭O(shè)，并用實驗驗證你的假設(shè)。

①閱讀材料——太陽光圖示

太陽光和生活中用的光都認為是自然光源，自然光源的特性是由光源的發(fā)光機制決定的，光源發(fā)光時一秒鐘會發(fā)出109個光子，每個光子發(fā)出一列波，每一列波都有一個振動方向，從統(tǒng)計平均的角度來看，光源發(fā)出的光在各個方向都有振動，這就是自然光。自然光的平面圖如圖6所示，圖中傳播方向垂直紙面，振動方向相對傳播方向?qū)ΨQ。

若將自然光中所有的振動投影在兩個相互垂直的方向，并旋轉(zhuǎn)90°，此時傳播方向沿z軸。振動方向的兩個投影，一個是平行于紙面的方向，用“？圮”表示；一個是垂直于紙面的方向，用“.”表示?！?？圮”和“.”的疏密及數(shù)量表示光的強弱，疏密及數(shù)量相同說明兩個方向的光強相等，說明振動相對于傳播方向是對稱的，如圖7所示，這就是自然光的光學(xué)圖示表示法。也可以看出是由“？圮”方向和“.”方向兩個振動的合成。

問題4：觀察圖7，投影在兩個相互垂直方向上的光，每個方向所占光的強度是整個自然光強度的幾分之幾？

②閱讀資料——偏振片的功能

可以使自然光變成偏振光的光學(xué)元件叫偏振片（Polarizer）。人造偏振片有多種，其中一種制定方法是將具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的聚乙烯醇高分子化合物薄膜作為片基，把它浸入碘液中，經(jīng)過硼酸水溶液還原穩(wěn)定后，再把它定向拉伸 4～5 倍，使大分子定向排列。這種偏振片稱為 H-- 偏振片。其偏振高，可達 99.5%，適用于整個可見光范圍，應(yīng)用范圍也廣；缺點是強度差，不能受潮，易退偏振等。光通過偏振片后只讓與拉伸方向平行的光通過，這個方向就是偏振片的透振方向。

問題5：寫出偏振片的構(gòu)造特征，什么是偏振片的透振方向。

過程6：實驗驗證光波是橫波。

實驗儀器：一個光源（燈泡）、兩個偏振片、一個光具座。

①先讓光源通過一個偏振片，通過觀察發(fā)現(xiàn)，光源產(chǎn)生的自然光通過一個偏振片以后，觀察到光線變暗了。結(jié)合偏振片的構(gòu)造特征及自然光的描述，猜想理想情況（偏振片沒有吸收）下，自然光通過一個偏振片以后，只讓一個方向的光通過。

問題6：自然光通過一個偏振片以后，發(fā)生了什么變化，透過光的光強是入射光光強的幾分之幾？仿照圖7畫出透過偏振片以后的振動圖形。

（與老師討論你的答案。）

②我們可以從圖7看到自然光沿著傳播方向的振動是對稱的，而通過一個偏振片以后還對稱嗎？如何檢驗？

③將第一個偏振片固定，旋轉(zhuǎn)第二個偏振片，反復(fù)操作，是否會觀察到第二個偏振片轉(zhuǎn)到一個特殊位置時幾乎不透光，根據(jù)偏振片的特性，你怎么解釋這個現(xiàn)象。你認為橫波和縱波哪種波才會發(fā)生這種現(xiàn)象？

問題7：用光的振動圖示法推論實驗中為什么會出現(xiàn)消光現(xiàn)象，并由此說明光波是什么波。

（與老師討論你的結(jié)論。）

過程7：偏振的應(yīng)用。

①查閱資料——雙眼視覺

雙眼視覺（binocular vision）是指雙眼協(xié)調(diào)、準確、均衡地同時工作，使某一物體反射的光線成像在視網(wǎng)膜，形成兩個有輕微差異的物象，通過視覺通路傳送至大腦，在皮質(zhì)高級中樞進行分析、整合、加工，形成一個有三維空間深度感完整印象的過程。這也是立體視覺（stereopsis 也稱空間視覺、深度覺）形成的過程，有的學(xué)者將立體視覺獨立描述，這里則將其涵蓋在雙眼視覺形成的不同階段內(nèi)。

試著閉上一只眼，去觸摸放在前面的筆尖，雙眼睜開再去接觸筆尖，你會發(fā)現(xiàn)只有雙眼睜開才能準確碰到筆尖。這就是雙眼立體視覺。

②立體電影的原理

回憶一下你曾經(jīng)看過的立體電影，是不是需要一副特殊的眼鏡，這個眼鏡事實上就是兩個透振方向相互垂直的偏振片，看電影時拿下眼鏡看一下放映屏幕，會有兩幅重疊的畫面，結(jié)合雙眼視覺的原理，你是否知道，這兩幅重疊的影像是怎么拍出來的？

問題8：結(jié)合前面學(xué)的原理設(shè)想一下立體電影影像的拍攝與一般電影拍攝的區(qū)別。

當然，現(xiàn)在的立體眼鏡和立體電影已經(jīng)進展了很多，立體電視也已經(jīng)出來。但不管怎么發(fā)展，都是利用了人的雙眼視覺，兩個眼睛視網(wǎng)膜接收來自不同方向的兩幅影像，由腦神經(jīng)合成為立體圖像。

從上面的實驗，你是不是能得出光波的一種特性，就是這種波動性，才使得光能夠發(fā)生干涉、衍射。以后在學(xué)習(xí)量子力學(xué)時還會揭示光的另一個特性：光的粒子性。

【拓展】 傳感器實驗

剛剛我們在過程5中探究光波是橫波時，旋轉(zhuǎn)第二個偏振片并透過第二個偏振片觀察物體，我們發(fā)現(xiàn)物體由出現(xiàn)到消失再到出現(xiàn)，那就說明自然光通過第一個偏振片后成為光強只有自然光強度一半的線偏振光，線偏振光再通過旋轉(zhuǎn)的第二個偏振片后光強度有強弱變化，那么變化的規(guī)律是什么呢？

實驗設(shè)備：激光光源，可以旋轉(zhuǎn)的偏振片，光傳感器，電腦（如圖8所示）。

實驗過程：（1）保持光源、兩個偏振片、傳感器共軸；（2）調(diào)節(jié)兩個偏振片透振方向夾角為0°；（3）保持一個偏振片不動，另一個由0°—90°—180°—270°—360°勻速轉(zhuǎn)動，觀察實驗結(jié)果并繪制波形圖（如圖9所示）。

問題9：設(shè)由第一個偏振片出來的光的光強是I1，由第二個偏振片投射出來的光的光強為I2，兩個偏振片之間的夾角為α，觀察圖中實驗記錄的波形圖，你試著寫一下光通過第二個偏振片后光強I2的變化規(guī)律。

2.3 工作單問題對應(yīng)知識學(xué)習(xí)情況

學(xué)生在完成探究實驗后，將工作單提交，教師可根據(jù)工作單的完成情況來判斷學(xué)生對知識的掌握情況，并完成對本節(jié)課的評價。每一個問題都有對應(yīng)的知識點，問題完成較好，說明對該知識點學(xué)習(xí)較透徹；完成較差，說明對該知識點還有欠缺。對于學(xué)生普遍掌握較差的部分應(yīng)進行重點講解，以下是每個問題所對應(yīng)的知識點。

問題1：鞏固橫波、縱波的知識，能完成該題說明學(xué)生知道橫波、縱波的概念。

問題2：能完成該題說明學(xué)生已經(jīng)認識橫波、縱波的圖示，能用圖示法表示橫波、縱波。

問題3：能完成該題說明學(xué)生能完成實驗并總結(jié)出實驗規(guī)律，理解偏振這一概念。

問題4：能完成該題說明學(xué)生學(xué)會了看自然光的圖示。

問題5：能完成該題說明學(xué)生能通過自己閱讀知道偏振片的構(gòu)造及透振方向。

問題6：能完成該題說明學(xué)生能用圖示法畫出光的振動方向。

問題7：能完成該題說明學(xué)生能通過推理，得出光波是橫波這一概念。

問題8：能完成該題說明學(xué)生有推理、總結(jié)能力，會應(yīng)用前面所學(xué)習(xí)的內(nèi)容。

問題9：該題屬于拓展實驗，能完成該題說明學(xué)生對于本部分知識學(xué)習(xí)較好，能根據(jù)圖像推理出光強變化規(guī)律。

3 結(jié) 語

基于探究實驗進行教學(xué)，使學(xué)生增加了對物理的學(xué)習(xí)興趣，增強了動手能力，有助于培養(yǎng)推理和整合能力。得出結(jié)論后的成就感也會使學(xué)生更有自信。學(xué)生自己經(jīng)歷科學(xué)家的探究歷程，不但是對新知識的一個深刻的理解，也是對舊知識一個良好的復(fù)習(xí)。本節(jié)課的探究實驗，是一個完全不需要教師說話的課程，學(xué)生只需自己根據(jù)探究指導(dǎo)書，就可以完成對《光的偏振》一節(jié)的學(xué)習(xí)，充分發(fā)揮了學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性，培養(yǎng)了良好的自學(xué)能力。但是，這種教學(xué)方式也存在一定弊端，這樣的探究式課堂，要比講授式課堂所需的時間更多。所以為了權(quán)衡時間問題，在教學(xué)過程中，可以采用講授式教學(xué)和探究式教學(xué)相穿插，二者相輔相成。

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（欄目編輯 鄧 磊）