1、从“光的折射定律”探讨研究性教学设计的有关问题物理研究性教学把培养创新精神、研究能力和实践能力作为目标取向，根据科学研究的一般的基础的方法，通过连续观察、提出问题、进行实验、探索分析等过程，对教学内容进行研究性教学活动，掌握物理知识，培养学生科学态度和价值观、创新精神和创新思维及创新能力，提高实践操作、解决生活中与物理学习相关的实际问题的能力然而，应该看到，许多学生还不会探究，因此，与研究性学习相配合，研究性教学应该在物理教学中有其独特的地位研究性教学的设计主要围绕“学习策略”和“学习环境”两个方面进行本文通过“光的折射定律”来探讨研究性教学设计的有关问题1 从现象观察到科学实验，促使学生的现
2、有概念向科学概念发展（1）确立概念设置几个现象的观察，使学生通过这些观察并进行分析，提出“光的折射”的概念观察 1：在玻璃杯里倒入适量的水，放入一双筷子后，看上去似乎“折断”了观察 2：在空的白搪瓷杯子里放一枚五彩石，从上面斜着看，无法看到；然后往杯子里倒水，随着林中水面的升高，你不仅可以看到，而且会感觉到五彩石的位置发生了变化观察 3：取一个 大口玻璃杯，盛有适量水（其中加一点红汞显示光路），用手电筒（激光束）产生一束光照到水的表面，观察附近水面光路的变化现象的观察只是为学生确立“光的折射”概念提供一个感性认识，而科学概念的形成从经验事实出发需要构建逻辑数学结构，因此教师还应用光路图来表示光
3、的传播，进一步阐明“光的折射”概念（图 1）这也是把原始问题中的原型抽象成物理和数学逻辑结构模型，这往往是解决原始问题的关键（2）光的折射实验现象的观察和分析为我们建立了“光的折射”的概念，但是如果深入研究现象往往需要进行科学实验，有控制的实验观察、精确有效的计量是研究的必要手段在这里教师需组织学生进行折射实验（而不是在课后），同时可以引入物理学史中对光折射实验的情况帮助学生构建具有“逻辑数学结构”的折射定律例如，光折射实验最早可以追溯到古希腊据考证，约公元 140 年，天文学家托勒密专门做了“光从空气到水中发生偏折”的实验托勒密的实验装置如图 2 所示在圆盘中心 S 处装了两把可以旋转的尺子
4、，将圆盘的一半竖直插入水中，旋转两把尺子以确定入射光线和折射光线的方位，从而测出入射角和折射角将角度列成表（表 1）从这里我们可以看到没有深入的思考、分析，只有描述是无法形成物理定律的表 1 光线对应角度入射角 01020 30 405060 70 80折射角 08 125 225 2935405 455 502 从实验数据中归纳、概括、抽象，是发现物理规律的重要途径通过实验，人们可以深入观察一个现象，进行测量使我们得到了足够的实验数据；但是通过把有关的测量的数据列表进行分析，试图找出事物内在的、相联系的规律性，这是物理定律发展过程中的重要的步骤从以上实验数据一般无法找出我们所需的规律事实上，
5、物理学家在 1000 多年后才有现在表述的“光的折射定律”托勒密得出实验结果后，只是从数据的表面简单寻找比例关系，因此只能得出：折射角与入射角成正比（事实上，只在小角度情况下成立）1611 年开普勒对折射现象和透镜的原理作了广泛的研究，写成了折光学，正确地指出：只在小角度情况下，入射角与折射角成正比同时通过光的可逆性，从反面倒推得出结论，并通过实验发现了全反射现象同时他也未能得出更一般的、内在的规律折射定律的正确表述是 1621 年荷兰数学家斯涅耳从实验中得到的斯涅耳采用了与开普勒基本相同的实验方法他在分析实验数据中发现（但没有正式发表）， 图 3 中比值有如下关系：可以通过实验数据拟合得出
6、n，对于水， 。通过斯涅耳折射定律，我们可以预言光从空气进入水中如何“偏折”应该说，这是物理规律的最基本的应用，这也是物理规律的价值所在物理规律的产生需要运用多种数学方法：列表、图像、数学公式等等，而用一个简单的数学式（数学模型），准确地表达相关物理量的关系，是最简明的，最为理想的，因此，它成为人们追求的目标由此我们可以看到：一个物理定律的得出往往经历一个漫长、曲折的过程需要坚韧的创新精神，做前人没有做过的事因此，培养百折不挠的求真精神是教学的前提建立物理定律必须掌握丰富的数学知识，还需要必要的物理知识作为基础如果没有广博的知识，根本谈不上能力科学家之所以能在新的复杂的情况下抓住问题本质去处理
7、问题，关键在于广博知识的迁移。3 运用物理规律解释自然现象，拓展应用实例中学物理教学一直重视理论知识在解释自然现象和技术中的应用，以此来体现科学的价值，激发学生深入、自主学习的兴趣光的折射定律可以来解释许多自然界的光现象，同时也有许多实际的应用（1）为什么在游泳池边向池底望去，感觉池水并不深，等到下水后，才知道不是那么一回事？（2）后面学习中要介绍的放大镜、望远镜及照相机的镜头等，都使用了透镜透镜的功用主要是来自它对光的折射作用（3）全反射根据折射定律可以推论，光从光密介质射入光疏介质时，当入射角达到临界角（折射角达到 90）时，折射光线完全消失，只剩下反射光线（图 4），可以计算得结果如表
8、2 所示表 2n 13 14 15 16 17 18 19 205045423936343230眼睛长在头顶的鱼在水中（ 约 49， ）只需其向上看，就可以观察两岸上的情况全反射的应用很多，特别是光导纤维，医疗上的内窥镜，“信息高速公路”的通讯光纤等（4）色散白光（太阳光）经折射后变成各种颜色组成的彩色光谱“一束白光照过来，一条色带显出来”牛顿早在几百年前就已经做过了这是由于不同颜色的光折射率是不同的，红光折射率最小，紫光折射率最大（图 5）金刚石、水晶被切割磨成若干个面就是为了无论从哪个方向射来的光线，每一个面都使光色散，发出彩色的闪光光的色散还被用来作为“光谱分析”的工具（5）大气中的光学现象例如，教材上介绍的“海市蜃楼”、雨过天晴后的“彩虹”，实际上就是太阳光受到折射而产生的彩色光谱光线在空气中的水滴的表面受到折射，进入水滴以后，在水滴内表面又反射（图 6，其他反射、折射光线未在图中示出）天空中布满小水滴，在地面上的人看来，最上面的水滴射出的光是红光，这是因为红光折射后偏低，能到达人眼，由于其余颜色的光偏高，从观察者的眼睛上方通过，所以看不到事实上当我们看到彩虹时，不同颜色的光是从不同的水滴射来的（图 7）显然，物理的学问就在我们的身边、在我们的生活中
