核心素养视域下高中物理光学教学探讨.pdf

412023.08课程建设与教学改革研究 核心素养视域下高中物理光学教学探讨潘振东摘 要：新课标将光学模块由选考内容调整为高考必考内容，如何在“三新”改革的大背景下，将学科核心素养培养落实到光学教学中，成为一线物理教师思考和研究的重要问题。在光学教学中，通过教学内容的设计与安排，深入挖掘光学中的科学思维方法和育人元素，帮助学生形成物理观念，培养科学思维习惯，提高科学探究能力，养成科学态度和责任。关键词：物理核心素养；高中物理；光学教学中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1672-1438(2023)16-0041-03作者简介：潘振东，在读博士研究生，高级教师。东北师范大学教育学部，130024；东北师范大学附属中学，130021基金项目：吉林省教育科学“十三五”规划2020年度课题以培养学科核心素养为导向的高中物理实验教学的研究(编号：GH20662)。中国学生发展核心素养既是党的教育方针的具体化和细化，也是高中物理课程的教学目标1。光学部分的知识内容包含在人教版高中物理(选择性必修1)第四章以及高中物理(选择性必修3)第四章中。一方面，光学是物理学的重要分支。光与生活息息相关，是人类认识世界的桥梁。另一方面，自2017年起，全国各省市陆续启动普通高中的“三新”(新课程、新教材、新高考)改革，普通高中物理课程标准(2017年版2020年修订)(简称新课标)将光学部分从以往大部分普通高中都不讲授的选修内容，调整为高考必考内容。因此，无论从培养学生学科核心素养的角度还是学生参加高考需要的角度，光学的重要性都凸显出来。如何在“三新”改革背景下培养学生的学科核心素养，是教师在光学教学中需要重点关注的问题。本文以光学教学为例，为学生物理核心素养的培养提供可行性策略。一、培养学生的物理观念学生在高中物理(必修1)第三章的力学模块学习中已初步形成物理观念，但还不够全面和准确，光学教学可以帮助学生形成深刻且准确的物理观念和更完整的学科知识体系，让学生了解光学发展的过程，对光的本质有正确且深入的理解，能从物理学视角形成光的物理观念。1.树立物质观通过学习，学生认识到光是一种物质，明确了不只是人们看得见、摸得着的物体才是物质。光是客观存在的，本质上是一定频率的电磁波，是由电场和磁场构成的。光具有波粒二象性，干涉、衍射现象证明了光的波动性，康普顿效应及光电效应证实了光的粒子性。2.树立运动与相互作用观运动不仅仅是常见实物粒子的运动，同样，相互作用也不仅仅是重力、弹力、摩擦力、电磁力等作用。光学中同样也涉及运动和相互作用。例如，光子不能静止，光在不同介质中传播速度不同。通过康普顿效应的学习，学生知道光子具有动量，能够与其他微观粒子发生相互作用。其实反射、折射、散射也是光与其他物质发生相互作用的表现。3.树立能量观学生通过高中物理(必修2)第八章机械能守恒定律的学习，能够比较深刻地理解机械能守恒定律，能够体会守恒思想对分析问题、解决问题的重要意义。学生通过光学的学习能进一步形成全面的能量观念。其实光也具有能量。黑体辐射、光电效应、玻尔理论都证明，光具有能量且光的能量是量子化的，以上三个物理过程都遵守能量守恒定律。422023.08课程建设与教学改革研究 二、培养学生的科学思维教师在光学教学过程中不仅要进行知识的传授，还要将物理学科的思想及方法潜移默化地教给学生，有目的地培养学生的科学思维素养，促进学生的科学思维发展，提高学生的科学思维能力。光学部分包含许多科学思维方法，教师在教学过程中要有意识地挖掘、渗透，以科学思维方法作为主线，将物理知识联系起来。1.抽象思维这一思维在高中物理学习中非常重要，也是物理学习中最先接触到的思维方法。对实际复杂、难解的问题进行抽象和简化，抓住主要矛盾，忽略次要矛盾，才能建立理想化的物理模型。光学中的点光源、光线都是用理想化方法进行科学的抽象。高中物理中忽略物体大小只考虑质量抽象得到的质点、忽略杆的质量抽象得到的轻杆等都是理想化模型。2.逆向思维光学教学中介绍反射与折射原理时常利用光路可逆的方法，通过画光路图，让学生形成“倒过来想一想”的习惯，学会用逆向思维分析问题。设置相关习题，让学生通过练习更深刻地体会高中很多物理问题可以反过来思考，从未知到已知，从结果倒推原因，更容易理解和解决。逆向思维的使用频率较高，在高中物理(必修1)的力学模块常常用到，如分析竖直上抛、匀减速直线运动等相关物理问题。3.类比思维类比思维是将未知的事物与已知的事物进行归类比较，从而提出对未知事物的推测。在介绍杨氏双缝干涉实验时，通过托马斯杨猜测光具有波动性的实验让学生学会类比方法。托马斯杨19岁时学习医学，21岁时由于研究眼睛的调节机理，对光产生了兴趣，同时他爱好乐器，对声音很敏感。于是他猜测光会不会也和声音一样是一种波？由此有了现在学生熟知的杨氏双缝干涉实验，此实验证实了光的波动性的猜想。4.近似思维忽略次要矛盾，抓住主要矛盾，采用近似的手段处理问题的方法称为近似法。采用近似处理的方法可达到简化求解的目的。如在推导明暗条纹间距时用到近似法，当角很小时，用弧度表示的与它的正弦sin、正切tan近似相等。同样，在证明俯视情况下浸在水中物体的视深与实际深度的关系时，也可利用上述近似法分析。5.守恒思维自然界中有些物理量总会保持恒定不变。例如，光从一种介质射向另一种介质时，反射与折射同时发生，这个过程遵循能量守恒定律。原子跃迁时总是要吸收或辐射一定能量的光子，这个过程也遵循能量守恒定律。守恒的观点是分析物理问题的一个重要观点，高中阶段物理学习包含能量守恒定律、动量守恒定律、质量守恒定律、电荷守恒定律等。6.控制变量思想控制变量思想是在分析多因素影响的物理过程中常用的一种方法和手段。通过学习高中物理(选择性必修1)第四章第3节光的干涉，可理论推导出相邻两条亮条纹的间距为x=L/d。学生可以利用控制变量思想以实验探究条纹间距x与L，d，的关系，利用实验结果再验证理论推导的正确性。事实上，光学教学中涉及的科学思维方法还有很多，例如，辩证思维、质疑思维、分类思维、量变到质变的哲学思维等。这些科学思维方法不仅在物理学科学习过程中具有重要意义，在生产生活实践中也发挥着关键作用。三、培养学生的科学探究能力如何在物理教学中落实学生探究能力的培养，是当前物理学科研究的重点。实验是进行科学探究的有效途径，同时也肩负着培养学生科学探究能力的重任。教师应根据实验类型有目的地启发和引导学生，激发学生的探究兴趣，提高其自主探究能力。在课堂演示实验中，教师精心创设教学情境，通过精彩的实验现象、层层递进的引导，让学生在观察中发现问题、分析问题，提出合理的猜想，归纳总结后得出结论。例如在介绍光的干涉时，利用肥皂膜演示在白光照射下出现彩色条纹的现象，引导学生观察彩色条纹的移动，让学生思考：为什么出现水平的彩色条纹？在薄膜的哪侧观察条纹效果更好？条纹移动的原因是什么？又如，在介绍光的偏振时，借助“穿墙而过的球”的魔术进行探究，让学生思考：球真的432023.08课程建设与教学改革研究 能穿墙吗？墙是真的吗？玻璃管壁有什么特殊？偏振片对光的传播有什么影响2？通过设计问题，引导学生逐步深入思考，培养学生的探究意识。学生亲身参与实验更有利于提高探究能力。因此，教材中的必做分组实验成为开展探究性教学、锻炼学生科学探究能力的有效途径。光学部分有测量玻璃的折射率和利用双缝干涉测量光的波长两个必做分组实验。实验中要以学生为主体，保证学生有充足的探究时间，同时以教师为主导，引导学生在实验中掌握科学探究的步骤，享受实验乐趣和探究的成就感。课后实验则借助中国高中生物理创新竞赛(CYPT)的赛题，例如2019年第9题“酱油光学”、第13题“莫尔织物分析镜”；2020年第5题“甜蜜的海市蜃楼”、第11题“漂移的斑点”；2021年第9题“光须”；2022年第17题“隐形”，都属于光学内容。以2022年赛题“隐形”为例，现在大部分的隐形技术都要求有独特的技术和工具做支撑，那么简单的凸透镜如何实现隐形的效果？学生就这些实际的光学问题进行小组合作研究，设计探究方案、进行探究实验、分析实验数据、形成探究结论，然后交流总结探究情况，进行辩论性比赛。四、培养学生的科学态度与责任教师充分挖掘光学中的育人元素，润物细无声地加深学生对科学本质的认识，培养学生热爱科学和尊重科学的意识、严谨认真的科学态度、敢于创新的探索精神以及爱国情怀。1.培养学生热爱科学和尊重科学的意识生活中有很多神秘的光学现象，如海市蜃楼、日柱、幻日、布罗肯现象等。这些神秘现象都可以用光学完美解释。例如，布罗肯现象在中国被称为“佛光”，看似十分神秘，但其实是由于阳光照射云雾后发生反射，并经由云雾中的水滴，再发生折射与衍射，最后形成彩虹色光环，光环中有时还包括观察者自身的影子。介绍这些光学现象，有助于培养学生热爱科学和尊重科学的意识，反对封建迷信，学会用科学的眼光判断和分析事物。2.培养学生严谨认真的科学态度通过介绍光学领域的大国工匠事迹，培养学生严谨认真、精益求精、耐心专注的工匠精神和科学态度。如在讲到光导纤维时，介绍第三代“光纤人”李诗愈；在讲到薄膜干涉时，介绍高级验光技师蓝金康；在讲到激光时，介绍中国科学院上海光学精密机械研究所高级实验师沈良，他们都是在平凡的工作岗位上精益求精的典范。3.培养学生敢于创新的探索精神将曾经为我国光学发展做出巨大贡献的科学家的发明创造事迹融入课堂中，培养学生的创新意识和敢于创新的探索精神。例如“两弹一星功勋奖章”获得者、“中国光学之父”王大珩面对国外的技术封锁，从无到有，搭建起光学玻璃的熔制车间，主持研发了我国第一台激光器和第一台大型光测装备。4.培养学生的爱国情怀如在教学光的量子性时，介绍我国第一颗空间量子科学实验卫星“墨子号”；在教学电磁波的发射与接收时，介绍位于中国贵州的500米口径球面射电望远镜“中国天眼”，将其融入课堂，有助于激发学生的民族自豪感和自信心，加强爱国主义教育3。教师要在教学中厚植学生的爱国情怀，鼓励学生为祖国强大而不懈努力，培养学生的社会责任感。五、结语在光学教学中，要将物理核心素养的各要素落实到教学活动的全过程，让学生通过光学知识的学习形成正确且全面的物理观念，同时学习知识背后蕴藏的思想和方法，培养和提升科学思维素养。此外，通过物理实验培养学生的科学探究能力，通过挖掘光学中的育人元素，润物无声地培养学生正确、积极的科学态度与社会责任。参考文献1 教育部.普通高中物理课程标准(2017 年版 2020年修订)S.北京:人民教育出版社,2020:1-8.2 吕辰祎.创设教学情境落实核心素养:以“光的偏振”为例 J.物理通报,2021(Z1):100-103.3 王向贤.光学教学中的“课程思政”研究与实践J.物理与工程,2019(2):45-48.