【摘要】2014年教育部颁布的《关于深化课程改革落实立德树人根本任务的意见》，明确了培养学生核心素养是育人的重要目标，是推进课程改革深化发展的关键环节。新课程标准核心素养指标是根据社会和个人发展需要，结合当前教育存在的主要问题拟定的，物理学科的核心素养主要由“物理观念”、 “科学思维”、“科学探究”、“科学态度与责任”这四个方面构成，本文以高中物理“光的全反射”为例，阐述如何基于物理核心素养角度提升教学设计。
【关键词】物理学科；核心素养；课堂教学；光的全反射
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物理学是人类科学文化的重要组成部分，是技术进步的重要基础，引领着人类探索大自然的奥秘，深化着人类对自然界的认识。从经典的牛顿定律到现代的相对论和量子论，物理学的发展对人类社会的发展具有重要的意义，在物理学发展历程中，离不开物理学家们的科学方法、科学思想、科学态度和科学精神。现行高中课程标准注重以基础知识为主的科学素养，关注学生的科学素养，注重学生的物理观念、科学精神、科学态度、科学态度与责任的培养。在我国进行新一轮课程改革的关键时期，培养学生的核心素养无疑变得至关重要。下面笔者以教科版选修3-4“光的全反射”为例，依照物理核心素养要求，积极探索立足物理学科核心素养培养的课堂教学尝试。
一、立足物理学科核心素养培养的课堂教学尝试
本节课的教学过程由新课导入，教师演示光的全反射实验，学生探究光的全反射产生条件实验，及其应用四个环节构成，每一环节都体现了新课标物理核心素养中的物理观念，科学思维，科学探究和科学态度与责任。
（一）物理观念——物理核心素养的基础
物理观念主要包括物质观念、运动观念、相互作用观念、能量观念等，侧重三维目标中的知识与技能方面。物理观念不同于物理知识，它对物理知识具有引领作用，教师需要指导学生在物理学习中，不仅要学习由物理现象、物理概念、物理规律所构成的物理知识及结构，还要将蕴含于具体知识中的观念性认识在头脑中提炼升华，建构属于自己的物理体系，形成物理观念。学生只有亲身体验物理知识的形成过程，理解物理知识的内涵，才可以将物理知识转化为物理观念。
在新课导入中，教师先让学生观察两个小魔术，思考小魔术这种现象的产生原因，从而建构学生的物理观念。第一个小魔术：将一张画有鸡蛋的卡片放入水中，让学生观察现象，学生发现会出现鸡蛋变成小鸡的现象。操作步骤：在课前准备一份透明的塑料薄膜，在塑料薄膜上面画一个鸡蛋，在塑料薄膜的里面放有一张白纸，在白纸上画有一个小鸡，因为鸡蛋和小鸡同种颜色，所以在空气中只能看到鸡蛋，但是一旦将它放入水中，就会发现卡片上的鸡蛋变成了小鸡。这个小魔术应用了光的全反射。如图1所示。
图1 鸡蛋变小鸡魔术
第二个小魔术：学生们知道光在同种均匀介质中沿直线传播，现在用激光笔照射一个装满水的有孔的瓶子，水会沿着小孔向外喷出，将激光对准会发现，激光不再直线传播，而是跟着水弯曲着传播，也是应用了光的全反射知识。如图2所示。
图2 光沿“曲线”传播
接下来让学生回忆光的折射定律，光从一种介质射入另一种介质时光的传播方向通常要发生改变。光从空气射入介质时，折射角小于入射角，光从介质射入空气时，折射角大于入射角。这里，涉及了两种介质，在物理上，我们把两种介质中，折射率小的叫光疏介质，折射率大的叫做光密介质．从而让学生理解什么是光密介质与光疏介质。
这个引入中蕴含的物理观念主要有:
1、物质观念:学生通过思考回忆起初中学习的光的折射定律，从而更好的理解光密介质与光疏介质。
2、对客观事物的本质属性的认识：图片在空气中看起来是鸡蛋，但在水中看起来确是小鸡，光在水中弯曲传播，到底是什么造成了这样的现象，学生通过后续的学习会进行思考和分析，明白是由于光的全反射。
（二）科学思维——物理核心素养的中心
科学思维主要包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等思维方法。科学思维是物理核心素养的中心，传统的物理教学容易使学生形成思维定势，因此在物理课堂教学过程中，教师要抓住锻炼学生科学思维的各种机会，加强对科学思维的培养。对于科学思维的培养，主要体现在要求学生学会科学思维方法，对于物理问题有属于自己的观点，从不同的角度思考问题，同时也可以对不同的观点和结论提出质疑和批判;要求学生有使用科学证据的意识和评估科学证据的能力，可以基于科学证据对不同物理问题进行解释说明和分析预测。
这节课对学生科学思维的培养，主要体现在演示实验的部分，演示实验为光的全反射实验，为了让学生更清楚的观察到实验现象，我在讲桌上面放置了一个铁架台，在铁架台上面夹上一个烧瓶，在课前兑好稀释的很透亮的奶粉溶液，并在烧瓶中倒入半瓶奶粉溶液，在演示实验前，用打火机将香点好，并将香沿着烧瓶的口插入，将烧着的香冒出的烟都收集在烧瓶内，现在烧瓶内就是液体和气体相间，然后让学生注意观察实验现象，实验现象如图3所示，当用激光笔从气体射入液体中时，入射角始终大于折射角，当逐渐增大入射角时，折射角也会逐渐增大，但折射光线始终存在。当用激光笔从液体射入气体中时，入射角小于折射角，当入射角比较小的时候，既有折射光线，也有反射光线，逐渐增大入射角，反射光越来越强，折射光越来越弱，当增大到某一角度时，折射光线消失，只剩下反射光。在此基础上增大入射角，折射光线始终消失。通过这个实验现象，可以得出全反射的定义，光从光密介质射到光疏介质的界面时，全部被反射回原介质的现象叫做全反射。
图3 光的全反射演示实验
通过演示实验让学生形成并运用科学认识活动、对感性认识材料进行加工处理的方式与途径的理论体系，本实验达到了逻辑上要求严密的逻辑性，达到归纳和演绎的统一；在方法上要求辩证地分析和综合的思维方法。
（三）科学探究——物理核心素养的关键
物理学是一门以实验为基础的科学，学生学习物理的过程其实就是学生通过自身经历观察、实验探究等活动，发现问题，解决问题，建构知识、形成观念的过程。在物理实验探究过程中，要求学生拥有探究意识，能够提出物理问题，发现物理规律；具有设计实验探究方案，获取和处理证据和信息的能力，可以正确实施实验探究方案后得出结论并做出解释；要求学生可以收集并分析信息，对实验探究过程和结果进行交流、评估和反思。
科学探究主要体现在学生实验上，学生分组实验探究光的全反射条件，刚刚的演示实验证明，光是在不同介质的分界面上发生全反射，光从水射向空气可以发生全反射现象，空气到水不能发生全反射现象，那从什么介质到什么介质还可以发生全反射呢？需要学生自己探究。为学生提供以下实验器材，激光笔，扇形玻璃砖，让学生通过激光笔使光从空气照向玻璃砖内，和从玻璃砖射向空气中，让学生注意观察实验现象，实验现象如图4所示，并注意归纳光的全反射的产生条件。学生实验后可以得出产生全反射的条件：一是需光从光密介质射向光疏介质；二是入射角必须等于或大于一定的角度，我们把这一角度叫做临界角。临界角随介质的不同而不同。我们把光从某种介质射向真空或空气时使折射角变为90度时的入射角，称作这种介质的临界角。设光从折射率为n的介质射向真空（或空气），由于临界角C是折射角等于90度时的入射角，根据折射定律有：光从（光疏到光密）
现让光从光密到光疏，根据光路可逆，则上式将变成：
==> 
图4 学生探究光的全反射条件实验
通过这个学生实验，学生可以更好的理解光的全反射的概念以及产生条件，亲自探究出实验结果会加深印象。在学生探究实验的过程中体现出科学探究的过程。
（四）科学态度与责任——物理核心素养的灵魂
科学态度与责任是物理学科从价值层面要培养的核心素养，是物理核心素养的灵魂，主要指对待科学的态度与价值观。在这一层面需要学生在认识科学本质、理解科学·技术·社会·环境(STSE)的关系的基础上逐渐形成的对科学和技术应有的正确态度以及责任感。
1、 海市蜃楼
（1）海面上发生海市蜃楼的原因
夏天，在气压恒定的海面上，空气密度随高度增加而减小，对光的折射率也随之减小，从而形成一具有折射率梯度的空气层。当光线通过此空气层时，将发生偏转。如图5所示。
图5 海面上海市蜃楼因
若人在较高处，看到的蜃景是由折射形成的正立虚像；若人在较低处，看到的蜃景是由折射和全反射形成的倒立虚像。
（2）沙漠中发生海市蜃楼的原因
夏天，气压恒定的沙漠中，太阳着在沙地上，接近沙面的热空气层比上层空气的密度小，折射率也小。从远处物体射向地面的光线，进入折射率小的热空气层时，入射角逐渐增大，也可能发生全反射，从而形成蜃景。如图6所示。
在炎热夏天的柏油马路上，也有类似这样的蜃景出现，从远处看，路面显得格外明亮光滑，就象用水淋过一样。
图6 沙漠上海市蜃楼
2、 光导纤维——光纤通讯
一种利用光的全反射原理制成的能传导光的玻璃丝，由内芯和外套组成，直径只有几微米到100微米左右，内芯的折射率大于外套的折射率，当光线射到光导纤维的端面上时，光线就折射进入光导纤维内，经内芯与外套的界面发生多次全反射后从光导纤维的另一端面射出，而不从外套散逸，故光能损耗极小。
如果把光导纤维聚集成束使其两端纤维排列的相对位置相同，这样的纤维束就可以传送图像，如图7所示。
利用光导纤维可以弯曲传光、传像，可制作各种潜望镜，医用内窥镜等。
图7 光导纤维
3、 全反射棱镜
我们把横截面是等腰直角三角形的玻璃砖叫做全反射棱镜。如图所示的等腰直角三角形表示了全反射棱镜的横截面，光线在棱镜中发生全反射，光路会发生改变，从直角边入射，光线会被改变90度，从斜边入射时，光线被改变180度。如图8所示。
图8 棱镜对光路的控制
用灯光来照射自行车尾灯，通过引导学生观察并分析，从而得出自行车尾灯对光的反射原理。如图9所示。
图9 自行车尾灯对光的反射
通过介绍光的全反射的应用，增进学生对物理学习的热爱。培养学生社会责任感，实现真正的素质教育。
二、教学反思
(一)科学思维方法的教育达成
在落实核心教学内容的基础上，学生自主探究光的全反射条件的实验部分就是为了培养学生科学的思想方法设计的，这一环节学生完成的比较理想，教师充分调动学生的积极性，使学生能够积极参与到教学活动中，通过学生实验也可以培养学生的实验、观察、分析和总结能力，通过探究光的全反射的实验过程，体验从猜想到验证的科学探究过程。
(二)核心教学内容的达成
通过回忆光的折射，让学生理解光密介质与光疏介质，教师通过做光的全反射演示实验，使学生观察并理解光的全反射的含义，学生在亲自动手探究光的全反射的产生条件的过程中，可以更好的理解光的全反射内容及产生条件。教学过程环环相扣，提升学生解决实际问题的能力。通过问题的设计，学生的探讨，能使学生更清晰理解物理知识的发展过程，对构建学生开放的知识体系有较大的帮助。探究性实验的设置，联系实际，注重学生的动手操作，亲身体验实验，紧扣本节主题内容要点，通过教师的多层次设问，学生积极发言，使学生能扎实的理解本节教学内容，形成物理观念。
(三)科学态度与责任目标的达成
通过对光的全反射在日常生活中的应用以及应用光的全反射知识讲解生活中的现象，使学生更好地理解光的全反射内容，提高学生学习物理的兴趣，培养学生的科学素养，培养学生科学探究的态度。激励学生勤奋学习为我国科学技术事业做出贡献，学生热爱祖国的情感得到激发，并且也体现了科学·技术·社会·环境之间的联系，更好地完成了STSE教育。
三、对教师的启示
(一)教师要加强对教材的理解
教师需要学会从学生发展的核心素养角度对教材的结构安排、功能策略、课程目标等方面进行解读，建构教师自己的的教学体系，并将自己的思维策略融入到具体的教学设计中，在实践中探索提高。
(二）教师要注意教学反思
教育是一种特殊的实践性的活动，其发展离不开教师的反思。教学反思是教师提高教学质量，改进教学实践的重要环节，因此培养学生核心素养也需要教师可以在反思过程中关注学生的思维活动、认知结构等方面的发展，对教学实践、教学活动不断地改进和创新，完善教学设计。在设计本节课时，我研读了新课标，按照新课标的要求设计本节内容，本节课的主要特色以培养学生科学素养为目的，在用小魔术进行导入的环节生动形象富有吸引力，对光密光疏介质的介绍，使学生回忆起之前讲解的光的折射的知识，接下来学生进行光的全反射演示实验，使学生观察光的全反射实验现象，并启发学生猜想产生光的全反射的条件，并且让学生亲自动手探究出产生光的全反射的条件。学生懂得光的全反射涵义及产生光的全反射的条件之后，再讲解光的全反射应用。整个教学过程既符合新课标的教学目标，也体现了新课程的理念，为课后的自主性学习打下基础，也能促进学生的交流与合作，培养学生团体协作精神。通过本节课的教学，达到了预期目标，学生了解了科学为人类带来的便利，更会关注科学的发展，增强了用科学服务于人类的使命感和责任感。
文末小贴士
01作者介绍
鞠晨晨，北京市大兴区第一中学高中物理教师，国家级物理名师工作室成员，全国物理学会会员，全国实验教学能手，全国科学影像节优秀指导教师北京市物理名师工作室成员，北京市物理学会会员代表，北京市优秀科技辅导员，大兴区学科带头人，大兴区兼职教研员，大兴区五四青年标兵。近6年连续担任《五年高考三年模拟》和《三年高考两年模拟》编委。
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