运用光学原始问题培养学生能力的思考

在中学物理光学的教学中，很多物理教师都强调光路图的画法，有的教师甚至告诉学生学会画光路图是学好光学知识的最根本方法。这种思想也体现在中考和高考的命题中，如在中考、高考的试卷中，光学问题很多是以作光路图的形式来出现的。不错，强调画光路图对于学生掌握光学知识是重要的，它可以使学生形象地掌握光学知识，加深对光学概念的理解。但它是否能真正培养学生的能力就值得我们深思了。笔者认为要想真正提高学生的能力必须改变这种教学方式，应该让学生通过解决生活中的原始物理问题来培养学生的能力。下面我们从几个光学问题来展开讨论。
　　
　　首先，我们来看两道题目。
　　
　　题目1．发出白光的细光源AB，长度为L0，竖直放置，上端A恰好在水面以下，如图1所示。现考虑光源AB发出的靠近水面法线(图中虚线)的细光束经水面折射后所成的像，由于水对光有色散作用，若以L1表示红光成的像的长度，L2表示蓝光成的像的长度，则有
　　

　　题目2．地面上的人看水中的鱼，看到鱼的像比鱼离水面近。水面下的潜水员看天上的鸟，看到鸟的像比鸟离水面远。这是为什么?
　　
　　这两个题目从形式上看完全是迥异的，但实际上都可以根据光的折射定律加以解决，题目1中作出的光路示意图如图2所示。
　　
　　水面下方的点光源S发出光线，进入空气的两条折射光，分别记为1和2，则折射光1和2反方向延长相交于S’比点光源S离水面近，即可说明“地面上的人看水中鱼，看到的像比鱼实际离水面的距离更近。”同理。对题目1线光源下端点B所成的虚像B’应离水面更近，那么线光源所成的像的长度L’必小于L，蓝光频率高于红光，从水面到空气折射率更大，偏折更厉害，所成虚像长度更小，所以有L2<L1<L0。
　　
　　这两个题目的物理条件和表达方式不同，但其所用的物理知识、遵循的物理规律是完全相同的。但题目1是应试教育的一种形式，是用物理知识去解答习题，而题目2则是让学生用书本上的物理知识去解决生活中的原始物理问题。这两个问题出发角度不一样，强调的教育思想也截然不同，对培养学生解决实际问题能力的效果就更不相同。
　　
　　对于这种现象，物理教育专家早有觉察。早在1983年，赵凯华教授就指出：“在我们的教学中，同一问题，既可以把原始的物理问题提交给学生，也可以由老师把物理问题分解或抽象成一定的数学模型后再交给学生。习惯于解后一类问题的学生，在遇到前一类问题时，往往会不知所措。”可以说，用原始物理问题来代替物理习题对培养学生的能力具有很重要的现实意义。
　　
　　构成原始物理问题的背景信息往往来源于现实生活中或客观存在的物理现象，是对现实生活真实的反映。保持着现实生活中的的“原汁原味”。由于这样的特点，学生在解决此类问题时就要注意物理条件及其相互关系的隐蔽性和知识运用的迁移性。就像前面在对题目1和题目2分析的那样。在原始物理问题中，问题与什么物理知识发生联系，应该用什么物理概念和规律，采用什么物理模型解决问题，并不是一目了然的，需要学生对问题条件及其相互关系进行综合考虑，深化、活化对物理概念、规律的理解，进行抽象和概括、推理和联想。并将已经掌握的知识和方法进行有效迁移，才能解决问题。另外，原始物理问题都是生活中“活”的现象，可以激发学生的学习兴趣，使学生养成爱观察、爱思考的好习惯，培养学生用课堂上学到的物理知识去解决实际问题的能力。
　　
　　第14届全国初中应用物理知识竞赛试题中有这样一道题目：小汽车的前挡风玻璃有一定的倾斜度，而卡车、公交车等大型车辆的挡风玻璃却几乎是竖直的。请用光学知识分析小汽车前挡风玻璃这样安装的原因。
　　
　　这道题目从生活中的一个实例给出了问题，它主要是考查学生利用光学知识解决实际问题的能力。我们知道小汽车前挡风玻璃倾斜安装是为了保证小车夜间行驶的安全，当后面车辆射来的光，照射到前挡风玻璃后斜向下反射；当车内景物被照亮时，通过前挡风玻璃所成的像在驾驶员前面的斜上方，这样，车内驾驶员都不至于因为反射光而受到干扰。这道题目并没有从画光路图的角度来提出问题，而是直接给出了一个生活中的实例，这样就可以把学生从单纯的物理知识拉到现实中来，锻炼他们用物理知识解决实际问题的能力。
　　
　　在生活中，光学原始物理问题是很常见的。例如，近视眼和“老花眼”的光学原理、小孔成像现象、家庭防盗门上的“猫眼”原理等等。在生活中，我们要善于发现，善于总结，让学生通过解决光学原始物理问题来激发学生学习的兴趣，培养学生的能力。在国外，有很多国家都把这种原始物理问题作为教学的重点，像英国和澳大利亚推行的一种基于真实生活背景的物理学习。英国在高中或大学一年级开设了一种SLIPP(TheSupportLearninginPhysicsProject)课程，开设了8个学习领域：在现代音乐厅听古典音乐和流行音乐(音乐中的物理学)；交通和运输安全(运动中的物理学)；攀岩、跳板跳水和水下潜水(体育运动中的物理学)；做饭(食物中的物理学)；太空探险(空间物理学)；移动电话的发展和使用(场物理学)；地球可承受的生命(环境物理学)；河流有多快、管子要多长(流体物理学)等等。
　　
　　因此，在实际的物理教学中要逐渐用原始物理问题去培养学生的能力，不要让学生沉迷在书山题海中，而走不出来。分析新课程标准下的物理教材会发现，新的物理教材一改传统教材知识间的逻辑顺序，尽力突破学科本位的观念，注重生活中的现象及经验，努力体现出要在生活中学习物理知识，“从生活走向物理”。通过原始物理问题学习物理知识，是还物理教学本来面目的一个重要途径，是实现培养学生能力的一个根本方法。