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光的偏振性教學(xué)設(shè)計(jì)

2019-08-20 06:35李小芳
物理通報(bào) 2019年8期
關(guān)鍵詞:偏振光偏振教學(xué)

李小芳

(中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 山西 晉中 030600)

目前,大部分高校在《大學(xué)物理》課程的教學(xué)中仍采用傳統(tǒng)教學(xué)方式,而且由于學(xué)時(shí)的限制,教學(xué)中關(guān)于物理知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用涉及很少,導(dǎo)致大部分學(xué)生認(rèn)為學(xué)習(xí)物理沒有用處,普遍缺乏學(xué)習(xí)興趣.針對(duì)上述現(xiàn)狀,本文以“光的偏振性”為例[1~4],嘗試尋求一種更加有效的教學(xué)方法,從偏振現(xiàn)象的實(shí)際應(yīng)用出發(fā),將理論知識(shí)講授與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合,利用各種信息資源和信息技術(shù)支持學(xué)習(xí),以期達(dá)到良好的教學(xué)效果.教學(xué)中強(qiáng)調(diào)對(duì)學(xué)習(xí)過程的評(píng)價(jià),將是否積極參與教學(xué)活動(dòng),是否能應(yīng)用所學(xué)知識(shí)來解決實(shí)際問題作為考核標(biāo)準(zhǔn),激發(fā)學(xué)生內(nèi)在的學(xué)習(xí)動(dòng)力.

1 教學(xué)背景分析

1.1 教學(xué)任務(wù)分析

參考教材:《物理學(xué)》(馬文蔚,高等教育出版社,第六版).

授課內(nèi)容:第十一章第九節(jié)“光的偏振性 馬呂斯定律”.

授課對(duì)象:本科二年級(jí)第一學(xué)期非物理專業(yè)學(xué)生.

授課學(xué)時(shí):45 min.

1.2 先修課程分析

學(xué)生在學(xué)習(xí)本教學(xué)內(nèi)容之前,已經(jīng)初步掌握了機(jī)械波,光的干涉及光的衍射的相關(guān)內(nèi)容,且在初中的時(shí)候也已經(jīng)接觸過偏振的基本概念,為本節(jié)課的學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ).

1.3 授課學(xué)生分析

獨(dú)立學(xué)院學(xué)生學(xué)習(xí)基礎(chǔ)參差不齊,有的學(xué)生物理基礎(chǔ)較好,而且接觸過偏振片等光學(xué)儀器,授課之前已經(jīng)對(duì)課程有一些理解;有些學(xué)生高等數(shù)學(xué)基礎(chǔ)薄弱,對(duì)微積分不熟悉,將微積分知識(shí)應(yīng)用到物理中后,學(xué)習(xí)起來感覺吃力;有些學(xué)生光學(xué)基礎(chǔ)薄弱,對(duì)光的理解不足;有些學(xué)生思維活躍,對(duì)實(shí)用性課程很感興趣,但是注意力依賴于教師的授課方式.

2 教學(xué)目標(biāo)

2.1 知識(shí)目標(biāo)

(1)理解光的偏振現(xiàn)象;

(2)掌握自然光、偏振光、部分偏振光的表示方法和區(qū)別;

(3)掌握馬呂斯定律以及利用偏振片辨別自然光、偏振光、部分偏振光的方法;

(4)理解相機(jī)濾光及3D電影的原理;了解沙蟻導(dǎo)航定位原理.

2.2 能力目標(biāo)

(1)通過本課的學(xué)習(xí)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的思維方法以及合作學(xué)習(xí)的能力;

(2)引導(dǎo)學(xué)生用已學(xué)的偏振原理來解釋一些實(shí)際問題的應(yīng)用,提高學(xué)生靈活運(yùn)用物理知識(shí)解決實(shí)際問題的能力.

2.3 素質(zhì)目標(biāo)

(1)通過學(xué)習(xí),使學(xué)生具有一個(gè)合理的、開放的物理知識(shí)結(jié)構(gòu)和背景,并能以此為基礎(chǔ),去接受、理解當(dāng)代科技的新概念、新技術(shù);

(2)學(xué)生可以運(yùn)用本節(jié)內(nèi)容中學(xué)到的科學(xué)思維方法,來解決以后學(xué)習(xí)、工作和生活中遇到的相關(guān)問題.

2.4 教學(xué)重難點(diǎn)

(1)教學(xué)重點(diǎn)

掌握偏振光辨別方法以及馬呂斯定律;能夠利用所學(xué)偏振知識(shí)解釋相關(guān)的實(shí)際應(yīng)用.

(2)教學(xué)難點(diǎn)

關(guān)于自然光分解為兩個(gè)相互垂直的光振動(dòng)的理解;運(yùn)用所學(xué)的偏振原理去正確地解釋大家所熟悉的生活現(xiàn)象.

3 教學(xué)資源設(shè)計(jì)

教學(xué)資源的媒體類型、簡(jiǎn)介、來源以及使用方式如表1所示.

表1 教學(xué)資源

4 教學(xué)方式與方法

根據(jù)學(xué)生的學(xué)情特點(diǎn)和心理特點(diǎn),對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行適當(dāng)取舍和設(shè)計(jì).從偏振的實(shí)際應(yīng)用出發(fā),引導(dǎo)學(xué)生積極主動(dòng)地學(xué)習(xí),激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣;利用多媒體、圖片、視頻、動(dòng)畫、藍(lán)墨云班課App等信息資源和信息技術(shù),使學(xué)生能夠生動(dòng)具體地理解知識(shí),從而突破教學(xué)重難點(diǎn);將理論知識(shí)講授與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合,創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)情境,增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識(shí);最后引導(dǎo)學(xué)生用所學(xué)的偏振知識(shí)去解釋生活中的實(shí)際應(yīng)用,既可以活躍課堂氣氛,又加深了學(xué)生對(duì)概念的理解,讓學(xué)生明白“生活處處有物理”.

5 教學(xué)過程設(shè)計(jì)

5.1 教學(xué)流程圖及時(shí)間安排

圖1所示為教學(xué)流程圖及時(shí)間安排.

圖1 教學(xué)流程圖及時(shí)間安排

5.2 教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

5.2.1 新課導(dǎo)入

播放科幻電影《蟻人2》中的片段:主人公找不到實(shí)驗(yàn)樓,螞蟻軍團(tuán)為其導(dǎo)航.進(jìn)而向?qū)W生介紹:螞蟻有超強(qiáng)的定位導(dǎo)航功能,即使在沙漠這種既無參照物,又無氣味可循的環(huán)境中螞蟻也可以做到準(zhǔn)確定位.介紹完畢后向?qū)W生提問:“螞蟻為什么能夠做到超強(qiáng)定位?生物的這種導(dǎo)航原理是否可以用在現(xiàn)代導(dǎo)航技術(shù)中?”從而引出新課.

設(shè)計(jì)意圖:播放視頻,提出問題,引起學(xué)生思考,且仿生的偏振導(dǎo)航是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù),實(shí)用性很強(qiáng).將此作為導(dǎo)入能夠吸引學(xué)生的注意,起到良好的引入效果.

5.2.2新課教學(xué)

利用繩子產(chǎn)生的機(jī)械波和一條狹縫介紹偏振的定義,引導(dǎo)學(xué)生理解偏振是橫波固有的,光是橫波,因此光有偏振現(xiàn)象.

教師向?qū)W生提問:“太陽光、手機(jī)屏幕發(fā)出的光、鏡面反射的光有什么不同?”從而過渡到光具有不同偏振態(tài),引出自然光、偏振光、部分偏振光的概念及表示方法.再使用圖示分解法讓學(xué)生明白自然光和部分偏振光的各個(gè)光矢量可以分解到兩個(gè)相互垂直的方向上,且自然光沒有優(yōu)勢(shì)方向,而部分偏振光有優(yōu)勢(shì)方向.

設(shè)計(jì)意圖:從生活中常見的光出發(fā),給他們提供一個(gè)似乎跟自己認(rèn)知相沖突的知識(shí),吸引學(xué)生注意力,為后面的知識(shí)做鋪墊.

5.2.3 理論解析

(1)偏振片:起偏與檢偏

教師向?qū)W生提問:“如何利用自然光獲得線偏振光呢?獲得偏振光之后又如何檢測(cè)它呢?”引出起偏器和檢偏器.介紹偏振片,并將實(shí)驗(yàn)器材偏振片發(fā)給學(xué)生進(jìn)行傳閱.接下來教師進(jìn)行提問:“偏振片的獲得方式?”,在回答該問題時(shí),偏振片傳遞到哪位同學(xué)手里,哪位同學(xué)進(jìn)行解答.通過讓學(xué)生觀察器材,引導(dǎo)其答出偏振片的獲得方式,并能夠指出偏振片上標(biāo)記的偏振化方向.

了解偏振片后,分析自然光通過偏振片的透射光光強(qiáng)及偏振態(tài),提出問題:“線偏振光通過偏振片后,透射光是什么偏振態(tài),光強(qiáng)大小為多少?”從而引出馬呂斯定律.

設(shè)計(jì)意圖:傳閱提問可以提高學(xué)生的注意力,活躍課堂氣氛.在學(xué)生了解偏振片之后,循序漸進(jìn),引出馬呂斯定律,使課程每個(gè)知識(shí)點(diǎn)之間聯(lián)系更緊密.

(2)馬呂斯定律

設(shè)計(jì)意圖:使用信息化教學(xué)平臺(tái)藍(lán)墨云班課App來輔助教學(xué),對(duì)搶答的學(xué)生都給予相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)值獎(jiǎng)勵(lì),大大調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性.Flash動(dòng)畫的播放加深了學(xué)生對(duì)馬呂斯定律的理解.

5.2.4 理論深化:偏振光的檢測(cè)

(1)播放視頻:臺(tái)燈發(fā)出的光經(jīng)過偏振片,偏振片旋轉(zhuǎn)一周光強(qiáng)不變.

圖2為臺(tái)燈發(fā)出的光經(jīng)過偏振片,偏振片旋轉(zhuǎn)一周的視頻截圖.

圖2 視頻截圖:自然光檢測(cè)

學(xué)生分組討論:產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因并得出結(jié)論.

得出結(jié)論:

1)由于自然光在各個(gè)方向上都有光振動(dòng),可以看成任意兩個(gè)相互垂直的光振動(dòng)的合成,且無優(yōu)勢(shì)方向,因此,旋轉(zhuǎn)偏振片時(shí)透射光光強(qiáng)不變.

2)若通過偏振片的透射光光強(qiáng)不變,則入射光為自然光.

(2)播放視頻:電腦屏幕發(fā)出的光經(jīng)過偏振片,偏振片旋轉(zhuǎn)一周消光兩次.

圖3為電腦屏幕發(fā)出的光視頻截圖,圖4和圖5分別為電腦屏幕發(fā)出的光經(jīng)過偏振片,偏振片旋轉(zhuǎn)一周得到的第一次消光與第二次消光視頻截圖.

圖3 視頻截圖:線偏振光檢測(cè)

圖4 視頻截圖:線偏振光檢測(cè)第一次消光

圖5 視頻截圖:線偏振光檢測(cè)第二次消光

學(xué)生分組討論:產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因并得出結(jié)論.

得出結(jié)論:根據(jù)馬呂斯定律,若通過偏振片的透射光強(qiáng)變化,且有兩次消光,則入射光為線偏振光.

(3)播放視頻:天空反射的日光經(jīng)過偏振片后,偏振片旋轉(zhuǎn)一周,光強(qiáng)變化,無消光.圖6為天空反射的日光的視頻截圖.

圖6 視頻截圖:部分偏振光檢測(cè)

圖7為天空反射的日光經(jīng)過偏振片后,偏振片旋轉(zhuǎn)一周,光強(qiáng)變化但無消光的視頻截圖.

圖7 視頻截圖:部分偏振光檢測(cè)光強(qiáng)變化,無消光

學(xué)生分組討論:產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因并得出結(jié)論.

得出結(jié)論:

1)由于部分偏振光在各個(gè)方向上都有光振動(dòng),可以看成任意兩個(gè)相互垂直的光振動(dòng)的合成,但部分偏振光有優(yōu)勢(shì)方向,因此,旋轉(zhuǎn)偏振片時(shí)透射光光強(qiáng)變化,但無消光.

2)若通過偏振片的透射光強(qiáng)變化,但無消光,則入射光為部分偏振光.

(4)播放視頻:電腦屏幕發(fā)出的光(線偏振光)經(jīng)過兩個(gè)偏振片P1和P2,旋轉(zhuǎn)P2,觀察線偏振光通過P1后的出射光與線偏振光本身的不同.

圖8為電腦發(fā)出的光經(jīng)過兩個(gè)偏振片的視頻截圖.

圖8 視頻截圖:線偏振光經(jīng)過兩個(gè)偏振片

學(xué)生分組討論:產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因并得出結(jié)論.

得出結(jié)論:根據(jù)馬呂斯定律,線偏振光經(jīng)過偏振片P1后出射光仍為線偏振光,但振動(dòng)方向與偏振片的偏振化方向相同,與入射光不一定相同.

說明:學(xué)生在課前已經(jīng)按ABBC(成績(jī)等級(jí))的組合分好.課上教師提問時(shí)隨機(jī)挑選小組成員來回答問題,如果被挑選的成員回答不上來或者回答不充分,小組內(nèi)其他成員可進(jìn)行補(bǔ)充.該小組成員回答完畢后,其他小組成員可進(jìn)行質(zhì)疑.

最后教師總結(jié):辨別生活中自然光、線偏振光和部分偏振光的方法.

圖9為教師總結(jié)的課件截圖.

圖9 課件截圖:偏振光的檢測(cè)方法

設(shè)計(jì)意圖:由于人眼無法區(qū)分偏振態(tài),通過視頻可以讓學(xué)生深刻體會(huì)到光具有不同的偏振態(tài),使知識(shí)生動(dòng)具體,便于學(xué)生理解,從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣;教學(xué)過程中,采用分組討論,“合作、質(zhì)疑”的教學(xué)模式,不僅活躍課堂氣氛,而且培養(yǎng)學(xué)生的合作學(xué)習(xí)能力,深化和拓展學(xué)生的思維.回答問題時(shí)隨機(jī)挑選組員在一定程度上可以避免部分學(xué)生“搭便車”,增強(qiáng)學(xué)生的集體榮譽(yù)感.

5.2.5 學(xué)以致用

(1)照相機(jī)的濾光鏡和太陽鏡

圖10為照相機(jī)鏡頭前不加偏振片拍攝的有反射光干擾的櫥窗,圖11為相機(jī)鏡頭前加偏振片消除反射光干擾后拍攝的櫥窗,其中偏振片的作用是濾掉不必要的反射光.

圖10 有反射光干擾的櫥窗

圖11 相機(jī)鏡頭前加偏振片消除了反射光干擾

學(xué)生分組討論:利用偏振的知識(shí)分析相機(jī)濾光鏡的原理.

教師總結(jié):玻璃櫥窗反射的光為部分偏振光,部分偏振光在各個(gè)方向上都有光振動(dòng),可以看成任意兩個(gè)相互垂直的光振動(dòng)的合成,且有優(yōu)勢(shì)方向.相機(jī)濾光鏡為偏振片,當(dāng)濾光片的通光方向與部分偏振光的優(yōu)勢(shì)方向垂直時(shí),可以消除反射光的干擾.

(2) 3D電影原理

圖12為雙鏡頭攝像機(jī).

圖12 雙鏡頭攝像機(jī)

講解前,讓學(xué)生做一個(gè)小游戲,伸出一個(gè)手指放于正前方,先只用右眼去觀測(cè),再只用左眼去觀測(cè),反復(fù)操作,這時(shí)學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)手指在左右跳動(dòng).學(xué)生對(duì)其感到好奇,從而引出人眼立體成像原理.

學(xué)生了解立體成像原理后,分析討論立體電影模仿人的視覺原理如何拍攝畫面,如何利用線偏振光放映,如何讓觀眾帶上偏振片眼鏡看到立體效果影像的原理.

圖13為3D電影放映與觀看方式示意圖.

圖13 3D電影放映及觀看方式

(3)沙蟻的導(dǎo)航原理及仿生偏振光導(dǎo)航

簡(jiǎn)單講解沙蟻如何利用其復(fù)眼結(jié)構(gòu)對(duì)天空偏振光進(jìn)行感知,從而確定方向.并讓學(xué)生了解一下仿生偏振光導(dǎo)航技術(shù).

設(shè)計(jì)意圖:教學(xué)過程中加入小游戲,可調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性.“學(xué)以致用”環(huán)節(jié),采用圖片、視頻等方式呈現(xiàn),深入淺出地進(jìn)行分析講解,使物理規(guī)律貼近生活,同時(shí)也使學(xué)生印象深刻,牢固掌握.相機(jī)濾光鏡原理的講解也可以為下一節(jié)“反射光和折射光的偏振”的內(nèi)容做鋪墊,最后沙蟻的導(dǎo)航原理及仿生偏振光導(dǎo)航的介紹,不僅使得教學(xué)內(nèi)容前后呼應(yīng),而且可以使學(xué)生了解相關(guān)的科學(xué)技術(shù).

5.2.6 課堂小結(jié)

利用思維導(dǎo)圖總結(jié)本節(jié)課知識(shí)點(diǎn),如圖14所示.

圖14 課堂小結(jié)

設(shè)計(jì)意圖:采用思維導(dǎo)圖總結(jié)知識(shí)點(diǎn),可圖文并茂,不僅鞏固所學(xué),且理清了知識(shí)點(diǎn)之間的內(nèi)在聯(lián)系,構(gòu)建了知識(shí)網(wǎng)絡(luò).

5.2.7 作業(yè)布置

利用藍(lán)墨云班課App進(jìn)行作業(yè)布置.

(1)知識(shí)應(yīng)用:學(xué)生使用藍(lán)墨云班課App下載視頻“照妖鏡”,利用偏振和液晶的知識(shí)解釋其中蘊(yùn)含的道理.

(2)在線測(cè)試題

設(shè)計(jì)意圖:通過知識(shí)應(yīng)用和在線測(cè)試鞏固和檢驗(yàn)所學(xué)知識(shí).使用藍(lán)墨云班課App布置作業(yè)便于教師記錄及統(tǒng)計(jì)平時(shí)成績(jī).

6 學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)

采用能力與知識(shí)并重的多元化考核體系,加大了平時(shí)成績(jī)的比重,注重過程考核,激勵(lì)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí).本節(jié)課由3部分成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)構(gòu)成,分別為課堂表現(xiàn)(60%)、拓展應(yīng)用(30%)及課后在線測(cè)試(10%),課堂表現(xiàn)主要包括活躍課堂氣氛、回答問題、搶答、小組討論等.

以上3項(xiàng)成績(jī)都使用藍(lán)墨云班課App進(jìn)行記錄,保證學(xué)生隨時(shí)了解自己平時(shí)成績(jī)的動(dòng)態(tài).

7 教學(xué)反思

(1)以學(xué)習(xí)者為中心 注重能力培養(yǎng)

課程引導(dǎo)學(xué)生積極主動(dòng)地學(xué)習(xí),加強(qiáng)了生活實(shí)踐和應(yīng)用,盡力將物理與我們的生活實(shí)踐、科學(xué)技術(shù)的發(fā)展相聯(lián)系,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣.

(2)充分利用各種信息資源和信息技術(shù)支持學(xué)習(xí)

信息化多媒體平臺(tái)的引入極大地豐富了課堂教學(xué),提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的參與度,激發(fā)學(xué)生內(nèi)在學(xué)習(xí)動(dòng)力,從而提高學(xué)習(xí)效率.

(3)強(qiáng)調(diào)對(duì)學(xué)習(xí)過程的評(píng)價(jià)

將學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中是否積極參與教學(xué)活動(dòng),是否能應(yīng)用所學(xué)知識(shí)來解決實(shí)際問題作為考核標(biāo)準(zhǔn),激發(fā)學(xué)生的主觀能動(dòng)性.

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