用幾何畫板創(chuàng)設(shè)“光的反射”教學(xué)情境*

周新雅 王惠玲 周 行

(江西師范大學(xué)物理與通信電子學(xué)院 江西 南昌 330022)

在中學(xué)物理課堂教學(xué)過程中，創(chuàng)設(shè)有效的教學(xué)情境對(duì)激發(fā)學(xué)生問題意識(shí)、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力具有十分重要的促進(jìn)作用．“鏡面反射”和“漫反射”是初中物理經(jīng)常考查的內(nèi)容之一，筆者曾經(jīng)親歷這一問題的講解，深深體會(huì)到在白天或強(qiáng)光照射的情況下其光路難以真實(shí)、直觀地被顯現(xiàn)出來的，因此難以有效揭示它們之間的本質(zhì)聯(lián)系和區(qū)別．部分學(xué)生雖然可以憑借熟記教材中關(guān)于“鏡面反射”和“漫反射”的表述，根據(jù)作圖對(duì)一些自然現(xiàn)象進(jìn)行分析，但是這種記憶往往是暫時(shí)和淺顯的，利用紙筆作圖分析始終是靜態(tài)的，難以幫助他們達(dá)到真正理解，一旦遭遇具體的問題時(shí)，極易陷入各式各樣的誤區(qū)之中，致使判斷失誤．因此迫切需要為這一知識(shí)點(diǎn)創(chuàng)設(shè)更為有效的教學(xué)情境．

“幾何畫板”恰好是一款易學(xué)易用、數(shù)理性極強(qiáng)，能為廣大數(shù)學(xué)、物理教師提供通用的數(shù)學(xué)、物理學(xué)習(xí)環(huán)境的袖珍軟件，它的突出特點(diǎn)之一就是可以即時(shí)演示動(dòng)態(tài)的幾何關(guān)系，當(dāng)使用鼠標(biāo)選定目標(biāo)拖動(dòng)設(shè)定的控制對(duì)象時(shí)，繪制的圖形就可以跟隨其活動(dòng)起來，在活動(dòng)過程中保持給定的幾何關(guān)系，動(dòng)感十足、魅力無窮，深受同學(xué)們喜愛．同時(shí)還具有“矢量圖的體積小、清晰度高、放大不模糊、易拆分和組合、組建圖形庫資源”等突出優(yōu)點(diǎn)[1]．基于這一特點(diǎn)，可以被用來模擬物理現(xiàn)象，化靜態(tài)為動(dòng)態(tài)，顯現(xiàn)出傳統(tǒng)的粉筆板畫和現(xiàn)代的PPT課件所不能達(dá)到的演示效果．下面以“鏡面反射”和“漫反射”為例，利用幾何畫板創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境．

1 利用幾何畫板創(chuàng)設(shè)“光的反射定律”情境

1．1 傳統(tǒng)的粉筆板畫和PPT課件之不足

在進(jìn)行光的反射定律教學(xué)時(shí)，當(dāng)完成光路實(shí)驗(yàn)以后，教師通常會(huì)在黑板上畫出光路圖．僅用黑板展示，同學(xué)們只能看到反射光線和入射光線分居法線兩側(cè)，它們的角度需要用量角器測(cè)量才能知道其大?。@個(gè)圖始終是靜止的，只能讓學(xué)生看到一束靜態(tài)光的反射現(xiàn)象，無法感受到當(dāng)入射光線改變以后，反射光線的變化情況．

還有些教師會(huì)利用PPT課件展示光路圖，這時(shí)雖然可以利用“擦除”式動(dòng)畫，將入射光線射入的過程和反射光線射出的過程展現(xiàn)出來，但是想要體現(xiàn)反射角等于入射角，那就相對(duì)比較麻煩了，或許只能在法線處做一條垂線段與入射光線和反射光線相交，利用兩線段長度相等來證明兩角度相等．

1．2 可以帶來令人意想不到的顯示效果

利用幾何畫板輔助展示光的反射定律，如圖1所示，其自帶的度量角度功能就可以大顯身手，它既可以直接在反射角和入射角的位置標(biāo)出準(zhǔn)確的角度值，還可以做到使其變化實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)對(duì)應(yīng)顯現(xiàn)．也就是當(dāng)用鼠標(biāo)移動(dòng)圖1中的A點(diǎn)，在改變?nèi)肷涔饩€的入射方向的同時(shí)，反射光線也隨之動(dòng)態(tài)改變．更令人驚奇的是在顯示入射角的實(shí)時(shí)角度的同時(shí)，也可以讓學(xué)生同步看到反射角的角度始終跟隨入射角發(fā)生變化，并與入射角保持?jǐn)?shù)值上相等．

圖1 光的反射定律

運(yùn)用幾何畫板動(dòng)態(tài)展示，還可以讓學(xué)生清楚地看到光的反射的動(dòng)態(tài)變化的立體畫卷(如圖2所示的對(duì)應(yīng)的入射光線與反射光線所組成的錐面)，而不僅僅局限于呈現(xiàn)從一邊入射再從另邊射出的一條(束)的靜態(tài)光路圖．

圖2 光的反射定律沿錐面動(dòng)態(tài)顯示

2 創(chuàng)設(shè)“鏡面反射”情境

利用粉筆加黑板或PPT講解鏡面反射時(shí)，通常只能展示一張靜態(tài)的鏡面反射的圖片，且只能展示一種狀態(tài)．

在白天，明亮的教室里，“鏡面反射”往往客觀現(xiàn)實(shí)地發(fā)生在同學(xué)們眼前的黑板上，黑板有時(shí)本身就因“反光”而讓教室里的一些位置的同學(xué)看不見黑板上的字，如圖3所示.教師若再想利用板畫來解釋清楚“鏡面反射”常常心有余而情境不足．

圖3 黑板部分“反光”時(shí)發(fā)生的鏡面反射和漫反射

利用幾何畫板展現(xiàn)起“鏡面反射”情境來(如圖4所示)那是小菜一碟，平行入射的光在這里可以得到淋漓盡至的體現(xiàn)．當(dāng)教師用鼠標(biāo)改變?nèi)肷涔饩€的角度時(shí)，反射光線也會(huì)同時(shí)跟著改變．入射光線是平行的，反射光線依舊也是平行的．當(dāng)入射光線不平行時(shí)，反射光線也不平行．它能忽靈忽現(xiàn)地模擬出用粉筆寫的字因“反光”而讓一些角度的同學(xué)看不見上面字的現(xiàn)象，有利于揭示其本質(zhì)．

圖4 鏡面反射

幾何畫板可以讓學(xué)生看到動(dòng)態(tài)的鏡面反射圖像，它不僅僅只是一張靜止的圖片，而且還可以任意改變?nèi)肷涔饩€的入射角度，讓同學(xué)們觀察到平行出射的反射光線跟著改變的情景，著實(shí)能帶給學(xué)生生動(dòng)有趣的教學(xué)情景，增強(qiáng)寶貴的學(xué)習(xí)熱情．

3 創(chuàng)設(shè)“漫反射”情境

利用粉筆加黑板或PPT講解漫反射時(shí)，常常是靜態(tài)的，它不能體現(xiàn)當(dāng)平行入射的光線改變角度時(shí)，反射光線如何發(fā)散變化，也不能體現(xiàn)當(dāng)鏡面的凹凸程度發(fā)生改變的時(shí)候，反射光線又會(huì)如何變化．

利用幾何畫板展現(xiàn)漫反射情境時(shí)(如圖5所示)，雖然入射光線是平行的，可是反射光線卻是朝向各個(gè)方向的，很容易讓學(xué)生看到這是由于反射面朝向不同．當(dāng)用鼠標(biāo)選中入射光線，改變?nèi)肷涔饩€的方向，這時(shí)，可以看到反射光線也會(huì)跟著改變，還是朝向各個(gè)方向的．利用幾何畫板創(chuàng)設(shè)漫反射情境，可以讓學(xué)生看到動(dòng)態(tài)的漫反射過程，這可是傳統(tǒng)的方法在應(yīng)對(duì)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象解釋時(shí)最無助的地方．

圖5 漫反射

4 創(chuàng)設(shè)情境區(qū)別“鏡面反射”和“漫反射”

4．1 傳統(tǒng)方法僅能彰顯簡單的情境區(qū)別

光的反射可分為鏡面反射和漫反射，兩者都遵循光的反射定律，但這兩者有什么區(qū)別呢？在人教版2012版中主要是通過圖6中的兩幅圖來說明的：鏡面反射如圖6(a)所示，若入射光線是平行光線，則反射光線也是平行光線；漫反射如圖6(b)所示，凹凸不平的表面會(huì)把平行入射的光線向著四面八方反射，不再是平行光線．

圖6 人教版2012版教材插圖

在一般通用教材中，在此僅僅展示出一種簡單情景下的區(qū)別，而學(xué)生往往又會(huì)迷信書本，誤認(rèn)為發(fā)生鏡面反射和漫反射時(shí)，入射光一定要是平行光，因而不利于后續(xù)的教學(xué)．但在實(shí)際生活中，人們碰到情景要比這復(fù)雜得多．

例如站在平面鏡前“能看見鏡中自己的像同時(shí)還能看見墻上掛著的畫”、在同一間教室里“有些學(xué)生能看見黑板上的字而有些學(xué)生卻看不見”等現(xiàn)象，在這些現(xiàn)象中就存在著入射光線有些是不平行的，反射光線也大多都是不平行的．在這種既有平行光又有不平行光的照射下，即便都是發(fā)生鏡面反射，它們的反射光線也是不平行的，如圖7所示.

圖7 不平行光入射時(shí)發(fā)生的鏡面反射

如圖7(a)所示，在同一個(gè)鏡面上的A，B兩處，分別產(chǎn)生的鏡面反射的入射光束和反射光束就是不平行的；

如圖7(b)所示，在同一個(gè)鏡面上的同一處，分別產(chǎn)生的鏡面反射的入射光束和反射光束也是不平行的．

因此依據(jù)教材上提供的 “平行光線入射時(shí)反射光線是否平行”是不利于對(duì)現(xiàn)實(shí)生活中的真實(shí)現(xiàn)象作出準(zhǔn)確的判斷，對(duì)此也需要?jiǎng)?chuàng)設(shè)相應(yīng)情境有效揭示“鏡面反射”與“漫反射”的根本區(qū)別．

4．2 創(chuàng)設(shè)情境顯現(xiàn)二者的互變

若在漫反射的圖像下方設(shè)置一條水平輔助線如圖8所示.利用幾何畫板的即時(shí)移動(dòng)且不改變幾何關(guān)系的特點(diǎn)，將漫反射的反射面逐一移到水平輔助線上．在移動(dòng)過程中，學(xué)生就可以實(shí)時(shí)看到反射光線和入射光線隨著反射面的移動(dòng)而改變．當(dāng)反射面變?yōu)樗矫鏁r(shí)，反射光線由原來射向各個(gè)方向，變成了射向同一個(gè)方向的平行光線．最后顯示出所成的反射現(xiàn)象和鏡面反射竟然奇跡般的一模一樣．

由此可見，從研究活動(dòng)的一個(gè)相對(duì)完整的周期看,是以發(fā)現(xiàn)問題和提出問題為起點(diǎn),以解決問題并提出新問題為終點(diǎn)的一種理性探究過程[2]．經(jīng)過這樣的動(dòng)態(tài)過程展示，學(xué)生會(huì)很容易就明白，“漫反射”跟“鏡面反射”其實(shí)都遵循光的反射定律．漫反射的形成原因其實(shí)是因?yàn)樗目此瓢纪共黄降拇植诜瓷涿?，卻處處都在遵循著光的反射定律緣故，現(xiàn)象的本質(zhì)被揭示得一覽無遺．

圖8 漫反射和水平輔助線

5 創(chuàng)設(shè)“自行車尾燈的反射”情境

學(xué)習(xí)了鏡面反射和漫反射，貫徹“從物理走向社會(huì)”的原則，在生活中，自行車尾燈的應(yīng)用，就是利用的鏡面反射的原理，如圖9所示．怎樣放大顯示其結(jié)構(gòu)和更加方便講解其原理又可以用到幾何畫板創(chuàng)設(shè)的情境．

圖9(a)是自行車，特別注意它的尾燈.圖9(b)是尾燈反射面的放大圖.圖9(c)是利用幾何畫板創(chuàng)設(shè)的教學(xué)情境.

圖9 自行車尾燈

利用幾何畫板創(chuàng)設(shè)的情境教學(xué)時(shí)，可以改變光的入射方向，因?yàn)閮蓚€(gè)反射面的夾角是90°，所以當(dāng)光從不同角度射向自行車尾燈時(shí)，它反射的光跟入射光的方向都是平行的．通過這個(gè)過程，學(xué)生可以看到具體的光路圖，更能明白其中的原理．利用幾何畫板的第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，可以改變兩個(gè)反射面的夾角，當(dāng)夾角不為90°時(shí)，反射光線就和入射光線就會(huì)不平行了．利用幾何畫板展示這兩個(gè)過程，學(xué)生更容易明白自行車尾燈能夠?qū)⑷肷涔庋刂瓉矸较蚍瓷涞脑?，讓學(xué)生在動(dòng)態(tài)過程中學(xué)習(xí)，更能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣．

合理利用幾何畫板創(chuàng)設(shè)情境，能夠讓學(xué)生感受到鏡面反射和漫反射的動(dòng)態(tài)情景，可以提高教學(xué)效率，吸引學(xué)生的興趣，得到最佳教學(xué)效果．在以后的教學(xué)中，可以充分利用幾何畫板教學(xué)，推進(jìn)現(xiàn)代教育技術(shù)的發(fā)展．