顧 琦

(無錫市第一中學(xué)，江蘇 無錫 214000)

一直以來，物理課大多是以“客觀規(guī)律學(xué)習(xí)→實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證或測(cè)量→習(xí)題應(yīng)用(顯性的習(xí)題練習(xí))”，或者是“實(shí)驗(yàn)探究下規(guī)律的學(xué)習(xí)→實(shí)例應(yīng)用(隱形的習(xí)題練習(xí))”的面貌出現(xiàn)在教師和學(xué)生面前的.是否還可以做些新的嘗試呢？

1 高中物理核心素養(yǎng)對(duì)學(xué)生認(rèn)識(shí)科技的應(yīng)用提出了要求

利用玻璃磚“測(cè)定玻璃的折射率”，是學(xué)生在學(xué)習(xí)了折射定律后開展的實(shí)驗(yàn).常規(guī)教材中的安排就屬于“客觀規(guī)律學(xué)習(xí)→實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證或測(cè)量”這一類型.

無論是學(xué)生實(shí)驗(yàn)中采用的插針法，還是教師課堂演示實(shí)驗(yàn)中激光束的顯示，都是為了獲得光路，之后確定界面和法線，就可以找到折射角和入射角，然后運(yùn)用折射定律求出折射率.

那么，在實(shí)際生產(chǎn)生活中，折射率真的都是這樣測(cè)定的嗎？高中物理核心素養(yǎng)的提出，比以往更關(guān)注了物理規(guī)律在實(shí)際生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用.那么這個(gè)問題也就值得深究了.

2 STEM課程為學(xué)生認(rèn)識(shí)“從‘學(xué)科規(guī)律’到 ‘科學(xué)技術(shù)’的轉(zhuǎn)化”提供了可能

STEM課程《福爾摩斯探案之玻璃碎片的折射率分析》以一起兇殺案為背景，從法醫(yī)鑒定的角度出發(fā)，研究?jī)窗脯F(xiàn)場(chǎng)的玻璃碎片與嫌疑車輛破碎大燈玻璃之間的關(guān)系，從而確定或者排除嫌疑車輛.基于學(xué)生的學(xué)科基礎(chǔ)，以比對(duì)玻璃折射率為手段進(jìn)行研究.

“可以直接運(yùn)用折射定律來測(cè)定碎玻璃的折射率嗎?”當(dāng)筆者把這個(gè)問題拋給學(xué)生時(shí)，學(xué)生立刻提出了反對(duì)意見：“碎片太小”、“不易找到平整的兩個(gè)表面”、“即使玻璃片有平整表面，但厚度太小”.

的確，學(xué)生提出的情形，以及測(cè)量精度不高，都是實(shí)際測(cè)量中會(huì)遇到的不理想情況.

畢竟學(xué)科規(guī)律并不等同于科學(xué)技術(shù)，兩者之間還有很大的一步跨度.STEM課程將“科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)”等學(xué)科綜合應(yīng)用，所以，STEM課程就是讓學(xué)生來認(rèn)識(shí)“學(xué)科規(guī)律→科學(xué)技術(shù)”這樣一個(gè)大跨度“橋梁”的.

3 跨學(xué)科的STEM課程也向教師打開了學(xué)習(xí)之窗

STEM課程《福爾摩斯探案之玻璃碎片的折射率分析》提供的是觀察貝克線的方法.

什么是貝克線，其中有什么規(guī)律，物理原理又是什么，還有如何讓學(xué)生來理解其中的轉(zhuǎn)化過程？這門STEM課程，從一入手就體現(xiàn)出了不低的要求：物理教師自己先要身體力行的踐行“發(fā)現(xiàn)問題、分析問題，解決問題”的過程.

經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)檢索和資料查閱，筆者發(fā)現(xiàn)：“貝克線”由德國學(xué)者貝克最早發(fā)現(xiàn)，主要運(yùn)用在礦物、巖石、礦床及地球化學(xué)等專業(yè)的研究中.在顯微鏡下，升降物臺(tái)或鏡筒，貝克線會(huì)相對(duì)邊緣平行移動(dòng).具體為：下降物臺(tái)(或提升鏡筒)，貝克線相對(duì)邊緣向折射率大的介質(zhì)一方移動(dòng)；提升物臺(tái)(或下降鏡筒)，貝克線相對(duì)邊緣向折射率小的介質(zhì)一方移動(dòng).

測(cè)量方法是這樣的：在顯微鏡下觀察特定液體中玻璃粉末邊緣貝克線的移動(dòng)情況，就可以判斷玻璃與該液體折射率的大小關(guān)系，更換不同折射率的液體(在實(shí)際玻璃折射率測(cè)量系統(tǒng)中則是通過改變液體溫度來調(diào)整液體折射率)，從而不斷逼近玻璃折射率的準(zhǔn)確值.當(dāng)玻璃折射率與液體折射率相同時(shí)，貝克線就會(huì)消失.根據(jù)資料說明，該方法在白光下靈敏度可達(dá)0.001，單色光下可高達(dá)0.0005.精確度遠(yuǎn)高于平時(shí)課堂中玻璃磚的測(cè)量結(jié)果??！

圖1 顯微鏡下的玻璃碎片

不過，光看這些結(jié)論和書籍上的分析，都只能是紙上談兵，從理解內(nèi)容到能據(jù)此合理組織課堂教學(xué)還是存在不小的差距，所以還得親自動(dòng)手實(shí)踐.借來顯微鏡，在載玻片上用牙簽挑少許材料包里“已知車輛的前照燈”的玻璃粉末、再滴上折射率為1.45的液體、蓋好蓋玻片制成玻片標(biāo)本，放到載物臺(tái)上，選擇10倍物鏡，粗調(diào)、微調(diào)，在視野中找到一個(gè)比較明顯的玻璃碎片，如圖1.碎片邊緣的亮線就是“貝克線”，而邊緣上的黑線就是“邊界”，此時(shí)合焦，兩者幾乎重合了.提升、下降鏡筒果然看到亮線會(huì)移動(dòng)：當(dāng)鏡筒上升時(shí)，如圖2可以看到亮線(貝克線)往玻璃碎片內(nèi)側(cè)移動(dòng)(出現(xiàn)失焦模糊也是正常情況)；而鏡筒下降時(shí)，貝克線會(huì)往玻璃碎片外側(cè)方向移動(dòng)，甚至移動(dòng)到了邊界黑線外側(cè)，如圖3所示.

圖2 貝克線向玻璃片內(nèi)側(cè)移動(dòng)

圖3 貝克線向玻璃碎片外側(cè)移動(dòng)

比對(duì)所用材料的參數(shù)：液體的折射率為1.45， “車輛前照燈”玻璃的折射率參考值在1.47-1.49.的確玻璃粉末的折射率大于液體折射率，鏡筒上移，貝克線會(huì)向玻璃碎片內(nèi)側(cè)移動(dòng)；鏡筒下移，貝克線會(huì)向液體方向移動(dòng)，規(guī)律驗(yàn)證得很好.

4 學(xué)生在規(guī)律的尋找中感受學(xué)科原理的價(jià)值

STEM課程不只是讓學(xué)生來體驗(yàn)操作技術(shù)的，所以上述規(guī)律及其成因就讓學(xué)生自己來尋找吧.

在實(shí)際課堂中，筆者和學(xué)生們一起討論了一個(gè)基本模型：這里的光學(xué)現(xiàn)象會(huì)涉及折射的相關(guān)知識(shí)；楔形是玻璃碎片(粉末)的邊緣較為常見的情況，類似于梯形玻璃磚邊緣的形狀.

考慮到學(xué)生只掌握了一側(cè)介質(zhì)為空氣的折射規(guī)律，在課堂中，筆者將課本折射定律拓展為：n1sinα1=n2sinα2，即折射率大的介質(zhì)一側(cè)，光線與法線夾角較??；折射率小的介質(zhì)一側(cè)光線與法線夾角較大.

于是，學(xué)生就利用圖4模型進(jìn)行研究討論，他們有的是根據(jù)折射定律直接進(jìn)行判斷的，也有的是借助梯形玻璃磚和激光筆為工具進(jìn)行光路觀察和仿畫的.

圖4 玻璃碎片邊緣的兩種情況

很快，學(xué)生就確定了“n玻>n液”時(shí)的光路情形(圖5).

圖5 “n玻>n液”情況下的光路圖

如何解釋顯微鏡下觀察到的“亮線”呢？學(xué)生在圖5中發(fā)現(xiàn)，光束有的地方變得密集，有的地方變得稀疏，于是推測(cè)光線相交處看起來會(huì)比較亮.貝克線的基本成因就這么被學(xué)生找到了：密集的地方就是我們看到的貝克線的位置；稀疏的地方就是邊界的位置.

再結(jié)合顯微鏡筒升降的過程，學(xué)生不難發(fā)現(xiàn)圖6中，當(dāng)顯微鏡聚焦在F1平面的時(shí)候，貝克線的位置處在A、B處，而抬高鏡筒，聚焦到F2平面時(shí)，貝克線的位置就處在A′、B′處，這就有了“n玻>n液”條件下貝克線的移動(dòng)規(guī)律：隨著鏡筒抬高貝克線會(huì)向玻璃碎片內(nèi)部移動(dòng).

圖6 “n玻>n液”，聚焦平面上升，貝克線向內(nèi)收縮

有了“n玻>n液”的分析基礎(chǔ)，“n玻

圖7 “n玻

當(dāng)然，貝克線的成因可能還會(huì)涉及全反射現(xiàn)象，基于學(xué)生的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，這里也就淡化處理了.

從第一課堂的理論分析來看，學(xué)生間的差異還是比較明顯的，有的學(xué)生已經(jīng)能夠直接通過折射定律判斷光路了，而還有部分學(xué)生是要依賴玻璃磚和激光筆進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀察的.但是，無論哪種情況，通過這個(gè)討論過程，對(duì)折射定律都會(huì)或多或少有更清晰的認(rèn)識(shí).

5 STEM課讓學(xué)生感受各個(gè)學(xué)科間的融合

第二堂課上，學(xué)生利用生物課上所學(xué)的顯微鏡操作辦法，運(yùn)用觀察貝克線法，分別將“兇案現(xiàn)場(chǎng)的玻璃碎片”與折射率為1.45，1.47和1.49的液體進(jìn)行比對(duì)，最終測(cè)定“兇案現(xiàn)場(chǎng)的玻璃碎片”的折射率為1.48，同時(shí)測(cè)定“嫌疑車輛破碎大燈玻璃”的折射率也為1.48.

于是，一個(gè)帶有迷惑性的疑問又拋給了學(xué)生：“是否就此可以判定兇案現(xiàn)場(chǎng)的玻璃碎片就來自于嫌疑車輛？”學(xué)生們結(jié)合數(shù)學(xué)上學(xué)過的充分條件和必要條件的知識(shí)做出了判斷：如果兇案現(xiàn)場(chǎng)的玻璃碎片來自于嫌疑車輛，那么兩者折射率一定是一樣的，但是折射率相同并不能說明兩份玻璃來自于同一車輛，也可能是同款其他車輛掉落的.

的確，邏輯判斷告訴我們：當(dāng)兩者折射率相同時(shí)，只能作出“不能排除兇案現(xiàn)場(chǎng)的碎片來自于嫌疑車輛”的結(jié)論.因此，像玻璃碎片這類微量物證很多時(shí)候只能成為“類型證據(jù)”、還不足以成為“個(gè)體證據(jù)”.

STEM課程融合了科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等多個(gè)科學(xué)領(lǐng)域的學(xué)科知識(shí)，這堂課讓學(xué)生很好地體會(huì)到各學(xué)科間不是割裂的，在實(shí)際應(yīng)用中多領(lǐng)域的融合是更為常見的.

短短兩節(jié)課，學(xué)生們運(yùn)用物理規(guī)律，找到了一種地理領(lǐng)域(礦物研究)常用的方法，結(jié)合生物課所學(xué)的操作手法，為物證分析找到了一種技術(shù)手段；并據(jù)此對(duì)一起兇殺案件的物證進(jìn)行分析，做出邏輯判斷.課程形式很新穎，也有趣味性，學(xué)生收益頗多，老師的學(xué)習(xí)受益也不少.

當(dāng)然，這堂STEM課已經(jīng)具備了素材和大部分教學(xué)材料，教師只要進(jìn)行課程組織.但即使這樣，任課教師已經(jīng)跨越了幾個(gè)學(xué)科來組織融合.而若要全新開發(fā)一個(gè)STEM課題，這將對(duì)教師持久的好奇心，更廣的知識(shí)儲(chǔ)備，更深入的鉆研……有著更高的要求.不過，這也能讓教師不輕易被課本固化、被習(xí)題圈死；能讓學(xué)生看到學(xué)科的價(jià)值，更讓課堂教學(xué)發(fā)揮出勃勃生機(jī).