張婷

［摘 要］基于核心素養(yǎng)發(fā)展的學習進階教學，需要準確地對教材和學情進行分析，在此基礎上設計相應的教學流程；創(chuàng)設實驗情境，促進學生形成物理觀念，培養(yǎng)學生的科學思維能力；引導學生應用物理知識解決實際問題，提升學生的科學探究能力；開展問卷調查，對教學效果進行分析。文章以“全反射”教學為例進行分析探討。

［關鍵詞］學習進階；核心素養(yǎng)；全反射；教學設計

［中圖分類號］ ? ?G633.7 ? ? ? ?［文獻標識碼］ ? ?A ? ? ? ?［文章編號］ ? ?1674-6058（2023）11-0060-04

學習進階（Learning Progressions，簡稱LPs）也稱學習進程，是對學生在一個時間跨度內學習或研究某一個主題時，依次進階、逐級深化的思維方式的描述，也指學生在一段時間內學習某一核心概念時所遵循的思維發(fā)展路徑［1］。北京師范大學的郭玉英教授及其團隊提出了更為具體的學習進階層級模型［2］（如圖1），給一線教師的物理教學提出了指導性建議，也為學生對某一個核心概念的學習提供了詳細的路徑。本文以人教版物理選擇性必修第一冊第四章第二節(jié)“全反射”為例，遵循學生的認知規(guī)律并結合物理學科的特點，利用學習進階理論開展實際教學，提升學生的物理學科核心素養(yǎng)。

一、教材分析

“全反射”是對折射定律的進一步理解和應用，本節(jié)的重點是理解全反射的概念和掌握發(fā)生全反射的條件，要求學生通過實驗情境建構全反射的物理模型，能對全反射的實驗現象進行分析和推理，具備科學解釋全反射棱鏡和光纖通信的能力。

二、學情分析

學生前面已經學過折射定律、反射定律，了解了光在均勻介質中是沿直線傳播的，具備學習全反射概念的基礎和能力，即使如此，由于全反射具有特殊性和復雜性以及學生對其有不同的認知，因此本節(jié)課的內容對學生來說還是比較困難的，具體體現在以下幾個方面。

（1）生活中遇到全反射的光現象很常見，但學生對其背后隱藏的道理難以理解，所以學生對本節(jié)內容比較陌生，需要通過演示實驗、學生實驗、課后小實驗等發(fā)現發(fā)生全反射的條件，再上升為理論，最后達到應用的目的。

（2）現階段，學生的思維尚處于形象思維和感性思維階段，需要向抽象思維和理性思維發(fā)展，教師要根據學生的認知規(guī)律，打破“光在均勻介質中沿直線傳播”的思維慣性，提供更多的實驗器材，精心設計教學內容，降低學習難度，以此幫助學生跨越概念理解的“臺階”。

（3）學生實驗操作的意愿很強，但正確操作實驗器材的能力比較薄弱，對觀察到的實驗現象和得出的實驗數據不能準確地形成合理的結論，并且對于科學探究的過程和結果也不能進行科學解釋。教師需要提供相對容易操作的實驗器材，制訂切實可行的科學探究方案，引導學生處理和分析實驗數據，并養(yǎng)成對探究結果進行交流和反思的習慣。

三、教學目標

《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》對“全反射”的內容要求是：知道光的全反射現象及其產生的條件；初步了解光纖的工作原理、光纖技術在生產生活中的應用［3］。

四、基于學習進階層級模型的設計流程

按照學習進階理論的五個發(fā)展層級制訂“全反射”的教學方案，通過讓學生參與一系列實驗探究活動，培養(yǎng)學生的科學思維能力，具體設計流程如表１所示。

五、基于學習進階層級模型的教學過程

（一） 層級1：經驗

教師在學生面前展示水流導光實驗（如圖2），并利用流出的水（呈綠色）做平拋運動的軌跡，讓學生觀察到綠色激光順著平拋運動軌跡傳播為曲線的現象，再引導學生近距離觀察實驗現象（如圖3）。

師：同學們，你們還記得光沿直線傳播的條件嗎？

生：同種均勻介質。

師：你們看，這是一個透明的玻璃缸，老師在缸里放了一些清水，現在打開缸外面的綠色激光筆，可以看到什么現象呢？

生：光在水中沿直線傳播。

師：那有沒有可能光在同種均勻介質中走彎路呢？

學生（紛紛搖頭，意見統(tǒng)一）。

師：接下來打開水缸上面的活塞，仔細觀察，出現什么現象？（如圖2）

生：??？彎了？

師：這是什么原因呢？光為什么會走彎路呀？請同學們近距離觀察一下。（如圖3）

生：哦？還是直線，是反射？

師：我們看到的光其實并沒有走彎路，只是在水和空氣的界面上不斷地反射，好像被牢牢地困在水中，出不來，這是為什么呢？看來光在水和空氣之間的傳播還發(fā)生了我們不知道的現象。

設計意圖：通過粗看實驗和近看實驗，創(chuàng)設懸疑，激發(fā)學生對全反射概念的好奇，暗示了全反射產生的條件，為后面深入研究全反射做好鋪墊。新的物理概念對學生來說是陌生的，往往需要借助以往所學的知識或者生活經驗來理解，在教學過程中教師可以創(chuàng)設與以往的知識和經驗相矛盾的實驗，激發(fā)學生的學習興趣［4］。

（二）層級2：映射

利用光從水射向空氣和光從空氣射向水的兩組對比實驗（如圖4），構建全反射概念與實驗條件的映射關系，在實驗過程中形成與全反射概念相關的特征。

師：在光從水射向空氣的實驗中。隨著入射角的增加，反射光線和折射光線的亮度發(fā)生了什么變化？對應的能量怎么變化？

生：反射光線越來越亮，反射光的能量逐漸增強，折射光線越來越暗，折射光的能量逐漸減弱。

師：當折射角等于90°時，折射光完全消失，此時反射光的能量等于入射光的能量，這種現象就叫作全反射。

師（繼續(xù)提問）：光從空氣射向水，能不能發(fā)生全反射呢？

生（提出猜想）：根據折射定律，光從空氣射向水時，入射角大于折射角，很可能入射角先到達90°，所以不能發(fā)生全反射。

演示實驗（驗證猜想）：當光從空氣射向水時，證明學生的猜想是正確的。

設計意圖：通過兩個對比實驗，使學生認識到全反射現象發(fā)生與不同介質的折射率有一定的關系，讓學生對新概念由好奇轉向研究，并在新的實驗情境中進行合理猜想，最后對猜想進行推理和論證。

（三）層級3：關聯

引導學生構建具體關系。教學中，教師可以讓學生通過分組實驗，自主探討全反射產生的條件。

學生實驗：進行兩組對比實驗，記錄并分析實驗數據（如表2），嘗試從得到的數據中總結物理規(guī)律，得出全反射的產生條件。

師：結合上面的實驗，為什么有時能看到全反射，有時又看不到全反射呢？請同學們結合教材上的表格（表格中列舉的是生活中常見材料的折射率），討論一下發(fā)生全反射需要哪些條件。

生1：需要兩種不同的介質。

生2：要讓光從光密介質射向光疏介質。

生3：要讓光從折射率大的介質射向折射率小的介質。

師：光從光密介質射向光疏介質就一定會發(fā)生全反射嗎？

生4：不一定，還要看角度，入射的角度也有要求。

設計意圖：通過不同的實驗情境加深學生對全反射概念的認知；通過抽絲剝繭分析引導，讓學生抓住全反射條件的本質，再結合親身經歷的實驗，領悟全反射的條件，讓全反射概念不再抽象和空洞。

（四）層級4：系統(tǒng)

組織學生尋找本質關系。教學中，教師可以引導學生推導光發(fā)生全反射的臨界角公式。

啟發(fā)學生利用光路可逆思想，如圖5所示，由全反射與折射率的定義計算光由水射向空氣中發(fā)生全反射時的臨界角，當入射角為[θ1=90°]時，折射角[θ2]即為臨界角C，再根據折射定律：

[n=sinθ1sinθ2] ? ? ? ①

得到公式：

[sin C=1n] ? ? ? ?②

引導學生親自動手計算幾種介質的臨界角并分析其大小與折射率[n]的關系，得出結論：不同的介質，由于折射率不同，臨界角也是不同的，介質的折射率越大，發(fā)生全反射的臨界角越小。

設計意圖：利用折射定律理論推導出臨界角公式，既促進了學生對臨界角公式的理解，也為進一步抽象出臨界角概念奠定了基礎。

設計學生活動的目的是為了讓學生主動參與課堂教學活動，讓學生成為課堂主人，同時增加學生自主探究臨界角公式的感性體驗，這樣設計的教學流程，符合學生的認知規(guī)律，為學生系統(tǒng)認識全反射概念提供了路徑。

（五）層級5：整合

按照學習進階層級模型，需要學生對物理概念進行整合應用，通過創(chuàng)設實際遇到的問題，引導學生應用所學知識和規(guī)律解決問題，提升學生理論聯系實際的能力。

1.回到最初的懸疑實驗——光在水中為什么走了彎路？

在教學過程中，為了掌握學生對全反射的理解情況，教師引導學生回到最初的懸疑實驗——光在水中為什么走了彎路？引導學生應用所學知識解決實際問題，從而培養(yǎng)學生解決實際問題的能力。

師：為什么最開始的實驗中水流可以導光呢？

生1：水就是光密介質，空氣就是光疏介質。

生2：還要滿足光在水中的入射角大于或者等于臨界角。

師：光在水和空氣界面不斷發(fā)生全反射，那么有沒有可能利用全反射把光引導到需要的地方？

生：有可能。

師：但是水流不好控制，有沒有什么替代的物質？

生：玻璃？

師：普通的玻璃易碎，因此，可以用一種特殊的有機玻璃制成導光物體——光纖。

設計意圖：通過水流導光實驗，讓學生深刻感受發(fā)生全反射的條件，同時構建情境化問題：水流不好控制，有沒有什么替代的物質？激發(fā)學生的好奇心，讓學生產生學習的需要和動力，積極尋找現實生活中的全反射模型（如圖6），為光纖通信的應用埋下伏筆。

2. 光纖通信

生活中由于光的傳播速度快，可以把聲音信號等數據轉換成光信號傳播出去，但是光的傳播容易受到障礙物的阻礙而不能順利到達接收器，把這一生活中常見的問題放進課堂教學中，要求學生利用所學的全反射知識解決實際問題。

在全反射教學中，學生通過教師提供的實驗裝置（如圖7）感受光在光纖（有機玻璃）中發(fā)生全反射，傳播聲音信號，進而感受全反射在生產生活中的應用，加強學生對“物理知識改變生活”的感悟。

六、教學效果分析

以學習進階的發(fā)展層級為路徑開展教學后，發(fā)現學生更容易對教學內容感興趣，課堂教學中學生參與交流的行為達到了教師預想的目的。為了進一步研究學生掌握課堂知識的情況，在教學結束后，筆者向全班50名學生發(fā)放調查問卷，回收有效問卷50份，統(tǒng)計分析結果如表3所示。

問卷調查結果表明，大部分學生對本節(jié)課的知識內容已經了解，并且能熟練操作實驗儀器，對課后作業(yè)——光纖技術的原理，少部分學生認為了解得還不夠深入?？梢?，大部分學生在學習進階教學實踐中，理解了全反射知識，提升了實驗操作能力，提高了學習興趣。

學習進階理論要求教師在課前主動了解學生的認知水平，在課中能及時有效地了解學生認識科學概念的不同階段和不同程度，明確應該在哪些方面進行教學。學習進階理論是一座連接學生思維水平和課堂教學實踐的橋梁，教師應以學習進階理論層級模型為指導，遵循學生的認知規(guī)律，精心創(chuàng)設情境，科學組織教學過程，從而促進學生物理學科核心素養(yǎng)的發(fā)展。

［ ? 參 ? 考 ? 文 ? 獻 ? ］

［1］ ?楊凱，李成金.學習進階在教學中的應用［J］.教師，2019（5）：63-64.

［2］ ?何春生，郭玉英.基于學習進階的課堂教學設計與實踐：以“功”為例［J］.物理教師，2016（10）：23-26，31.

［3］ ?中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準：2017年版2020年修訂［S］.北京：人民教育出版社，2020.

［4］ ?郭慶.基于學習進階理論的探究實驗教學研究［J］.物理教學探討，2020（10）：21-24.

（責任編輯 易志毅）