抓“两线”,激思维,显“味道”——基于“光的反射”的教学设计及反思

卢义刚

(江苏省六合高级中学附属初级中学,江苏 南京 211500)

“光的反射”是初中物理光学部分的重要内容,苏科版物理将这部分知识安排在8年级,是在学习了光的一些简单知识之后,引导学生思考光在传播过程中遇到障碍之后会发生怎样的变化,且在变化过程中应遵循什么样的规律.学习这部分知识既能促进对平面镜成像的理解,又实现学习光的折射现象的过渡,是集物理现象、概念、规律于一体的一节课.探究光的反射定律实验又是学生必做的9个探究型核心实验之一,也是首个规律探究,既是本节课的重点,也是难点,特别是“法线”的建立,当然也包括学生的实验设计与操作能力.为了让学生体验科学家探究的一般过程,使探究活动更加有效,在教学设计中笔者从实验器材、环节设计、问题提出等方面进行了创新,试图通过自制的实验器材让学生亲身体验反射规律的探究过程,化抽象为直观,为学生提供丰富的感性素材,促进学生对光反射的理性认识,诠释“格物致理”的物理内涵.

尝试教育理论主张“先试后导、先行后知”,即在教学过程中不要把知识直接告诉学生,而是让学生先试一试,自己努力去获取知识.在实践中积累活动经验,寻求解决问题的办法,在体验中发展勇于尝试的精神.本节课笔者设计了光的反射、探究光的反射定律、学以致用3个主要教学环节,以问题为抓手,用问题链作为思维铺设的阶梯,力求最大限度地培养学生自主探究和思维能力,打造“问题+探究”思维式课堂.除了专业术语、图标规范、表述标准等教师必须教授的内容外,其它尽量以学生的自主实验、探究学习为基础,以小组合作学习、讨论交流为形式,让学生自主思考问题、探究问题、解决问题.以培养学生创新精神和实践能力为重点,把学生从教育的客体真正转化成为学习的主体,从而提高课堂教学效率,促进学生的全面发展.当然,教师的主导地位不可或缺,教师要合理预设学生的思考方向、思维盲区,成为学生探究科学知识的领路人.

1 知识呈现的逻辑线

1.1 创设情境,认知反射现象

图1 被遮挡的光路

课本中的“引入”有一定的指导意义,但对于已经在课前预习了相关内容后的学生来说已经有了新的渴望.为了更好调动学生的学习积极性,笔者对“引入”进行了修改,设计了“比一比:激光笔被遮挡后,借助一种器材使光控车轮再次转起来”作为情境引入(如图1),充分利用初中生的心理特点,用富有挑战性的游戏激发学习兴趣,引发探究的欲望.在让学生画模拟光路和介绍实验成功经验时,学生在不知不觉中理解了光的反射现象,构建了光的反射概念,并意识到反射光线的方向和入射光线方向、平面镜的位置有关,似乎遵循一定的规律.

1.2 构建模型,揭开法线面纱

新课标指出,义务教育物理课程应该让学生通过观察、操作、体验等方式,经历科学探究的过程,认识物理概念和规律,学习科学的方法.这充分说明科学探究在形成物理概念、规律及学习科学方法中的重要性.

图2 光的反射

在备课的过程中,对实验器材的取舍,笔者思考了很久,通常我们会用平行光激光笔让光线贴在光屏上进行探究.这种平行光激光笔其实是一个面光源,这会导致探究共面问题的时候,如果将板子翻折到前面,还是会看见反射光线;那如果改用线光源的激光笔,学生在操作的时候比较难以让光线紧贴在光屏上.为此,笔者设计了利用线光源射入到装有水的烧杯底部的平面镜上的学生分组探究活动,利用牛奶显示光路(如图2),学生操作起来方便,实验现象明显直观,并通过将3组不同的入射光、反射光用红黄蓝3色竹签插在泡沫上,将不同情况的反射模型同时直观的呈现出来,既具体又形成整体现象(如图3).

图3 光的反射模型

图4

在“法线”引入的问题处理上,笔者没有直接给出概念,而是利用学生活动形成的反射模型(3组不共面),通过用面板去靠对应的每组竹签.[1]让学生去观察,去发现,去描述,通过归纳得出“反射光线、入射光线在同一平面内,且该平面与平面镜垂直”;在追求物理的简约美中,利用臻美法感受到为了方便研究反射现象,我们需要引入一条辅助线去替代平面镜简单描述3者之间的位置关系.我们再次利用模型寻找共性,最终找到这些不同面的共同“轴线”(如图4),[2]即建立一个过入射点与镜面垂直的辅助线模型,从而引入法线.当我们在两组反射模型上分别插入代表法线的竹签后(三组不共面和共面),不仅很容易猜想到3线共面的关系,还感受到“反射光线、入射光线关于法线的对称美”(如图5),从而进一步联想到光的反射定律不仅包含“线的位置关系”,还应有“角的大小关系”,为后面的进一步探究铺设了思维阶梯.

图5

这样设计的目的是因为笔者认为科学探究不是一击即中的,不能从已知规律表述出发进行探究,而应从规律的发现过程来设计活动方案.任何规律的认识都有一个摸索的过程,只有在教学过程中让学生经历这种“摸索”过程,才能让学生有能力去解决新的问题.同时学习者的“摸索”能力和其综合水平有关,不能脱离学情来进行拔苗助长,应该选用与学生“最近发展区”相适应的方案.

1.3 再现模型,共面问题清晰

教学中,通过教具、课件等演示搭建直观模型,把抽象的知识具体化、形象化,既能降低学生的学习难度,使学生透彻理解所学知识,又能提高学生的学习兴趣,更重要的是培养学生的科学思维,掌握研究问题的方法.

由于初中生缺乏立体几何的知识,所以他们对三线的空间关系很难想象,难以准确描述.所以笔者用竹签和泡沫再次给学生搭建立体的反射模型,摆放出法线和入射光线的位置,让学生摆放反射光线的位置,再追问“你怎么确定出反射光线的位置在这里?”“有没有可能反射光线在这里呢?”“两种模型有什么区别?哪种更接近真实的情况?”“如果想验证,你需要什么器材?对这个器材有什么要求?”等等一连串的问题(如图6).实验探究的过程都是围绕着所探究的问题展开的,有了正确、具体的探究问题,才能使学生探究过程具有明确的方向,使探究能沿着合理的方向一步一步地走下去.在学生利用分组器材探究中,笔者仔细巡查,将一些实验的错例拍成图片及时上传,让学生们进行适时评价和矫正,以保证每一组实验都能成功,在实验结束后,请一组上台展示讲解,再一次进行实验巩固,最终共同总结出3线的位置关系.[3]

图6 寻找反射光线

1.4 借助对称,拟清两角相等

在探究角度关系时,通常在教学中我们会直接告知学生这个实验是要测哪两角,实验要做3次,可为什么要测指定的两角?为什么要做多次实验呢?可能学生并不能完全领悟其中的道理.在上课过程中,有的学生说是可以测和平面镜的夹角,实验多次是为了测量的更准确,说明他们对选择两角及探究型实验多次测量的目的并不明确,所以在这个教学环节中笔者通过模型,让大家感受“对称美”,意识到对称不仅是“线的位置”,也包含“角的相等”,从而抛出“哪两角相等”?是和平面镜的夹角,还是和法线的夹角?再结合降低难度和后续学习,从而强调是和法线的夹角;然后通过让学生自己设计表格,思考实验的次数,明白多次实验的意义,从而培养学生的证据意识.在规律自然得出后,笔者通过光的反射演示仪再次进行实验验证,同时抛出新问:光的反射定律得出的证据充分吗?再次激发学生主动思考,不迷信权威,敢于质疑,培养证据意识的严密性.

1.5 巧回情境,应用巩固定律

光的反射定律得出后,利用3道作图题的当堂训练,通过学生的讲解,总结出光的反射作图必须先做出法线,不仅再次强调了法线的作用:它是代替平面镜“法律”所规定的线,有了它方可研究线的位置关系和角的大小关系,同时也对光的反射定律进行了再巩固.接着,通过对黑板上原先获胜学生所画的光的反射光路图进行检验,发现他无法证明“两角相等”,从而抛出经典的作图题:画出点光源S发出的一条入射光线经平面镜反射后,正好经过A点的光路图,从而将光的反射定律应用推到新的高度.最后,通过“再比一比:哪组能更快地让光控轮胎转起来”的活动,让学生思考得出两种方法:“入射光线方向不变,改变平面镜位置,从而改变反射光线方向”和“平面镜位置不变,改变入射光方向,从而改变反射光线方向”,进一步要求大家比较这两种方法的异同,从而总结提炼出两种方法的一致性:都是通过改变入射角的大小,从而改变反射角,改变反射光线的方向;在此基础上,提出新思考:有没有更好更快的方法通过反射使“光控车轮”转起来?激发学生新思考,既是勾起对平面镜成像背后的规律思考,也是巧妙引入光反射中的“光路可逆”特点.

1.6 再创情境,追问设疑留白

图7 光路可逆

在本节课临结束时,笔者首先呈现了“两个相对的反射光路叠加现象”(如图7),在学生沉默中让他们思考“光的反射还有什么特点?”再利用大平面镜遮挡投影布幕一部分,发现其它地方的字迹、图像依旧,而平面镜上什么都没有,让学生再思考:看到什么?为什么? 通过再创情境,激发学生好奇心和学习兴趣,进一步主动深入思考,为下节课做好思维铺设,从而实现“旧问已解,新问又至”的螺旋式上升的学习模式.

2 学生认知的规律线

2.1 引起

通过创设情境和问题串,激发学生的好奇心和求知欲,任务驱动他们主动思考、主动参与、主动探究.[4]本节课一开始就设置情境“比一比:激光笔被遮挡后,借助一种器材使光控车轮再次转起来”,引起学生思考、参与、比赛、评价;然后通过模拟画光路图,分享成功经验,逐步梳理出“反射光线、入射光线和平面镜之间存在某种位置关系”,从而引出本节课的重点内容:探究光的反射定律.通过问题“什么情况下反射光线和入射光线重合呢?当入射光线偏离重合位置一定角度后,反射光线方向怎么变呢?你能描述出反射光线、入射光和平面镜的位置可能有什么关系吗?” 引起学生对活动探究的兴趣,并主动思考、建模来慢慢揭开“法线”的面纱,并在此基础上从“线的位置关系”到“角的大小关系”进行逐步探究,采用归纳法总结出光的反射定律,一路走来,循序渐进,自然生成.

2.2 维持

在一节课内,为了使学生始终保持高昂的学习热情和积极主动参与的态势,笔者除了采取一个情境创设和4个问题驱动外,还在课堂上开展了多种形式的学生活动,本节课共安排了4个探究、两次比赛和多次学生个人展示等活动;同时,在教学设计中笔者将知识转化为问题,问题转化为情境活动,让学生们在情境活动中尝试解决问题,并在解决问题中实现知识的获取.由于有了问题的任务驱动和不同的活动开展,整节课中学生都处于“做中学”“悟中学”的忙碌状态,大家在好奇心、求知欲及兴趣的引领下,主动参与,积极思维,小组合作,个人展示,相互评价,质疑举证,始终处于高效的学习状态,让学习在课堂上真正发生,体现了课堂真正的主人是学生.

2.3 促进

一节课越到最后越会低效,教师力竭,学生疲惫,可往往一节课越到最后越是精华所在之处.本节课笔者在最后设计中为了进一步促进学生的学习进入“深水区”,采取了一系列的渐进措施:首先设置“学生练习”来进一步巩固内化光的反射定律;其次应用光的反射定律来对学生的原先所画光路图进行检验,并抛出新的思考;再者通过“再比一比”,重回课首情境,总结提炼创新方法;最后通过两个现象,抛出新问,激发新疑,留足思考,为后续学习巧做铺垫.所有的这些,最终实现了学生在最后阶段始终保持高昂的学习状态,使整节课自始至终严然一体,自然高效.

在本节课的教学设计上笔者始终抓住“两条线”:知识呈现的逻辑线和学生认知的规律线,不折腾,按规律进行设计与教学,捕捉学生的最近发展区[5].在新、旧知识的衔接处,在承上启下的过渡处,在思维的转折处等创设思维悬念,抛出适宜于学生的开放性问题,把学生引入多疑、好奇的世界.当学生突破了最近发展区时,又及时撤掉原有的脚手架,[6]让学生通过自己的努力以及与他人的合作,不断突破认知瓶颈,达到更高水平上的认知平衡.同时,笔者始终坚守物理学科的特点“实验+思维”,通过大量的实验来解决一个个问题,通过思维逐步提炼出物理规律,课堂上充分体现了物理学科应有的“味道”.

反思本次教学实施,有两个需要我们关注和解决的问题:一是学生实验前的讨论必须要充分,教师不能“想当然”.如在探究“三线共面”的实验中,尽管前期铺垫已很到位,可实际操作时,仍发现有部分学生不知采取什么步骤来验证,也不清楚用何种现象来举证“三线共面”;又如在探究“两角相等”的实验中,也有个别小组在实验过程中没有将平面镜与纸面垂直放置,导致纸上只有入射光线,没有反射光线,无法测量反射角,自己不知所措.这些都说明实验前的讨论并不如教师所想,我们不能“想当然”.二是学生实验后的自我展示讲解必须要及时,教师要关注“个体”.在探究“三线共面”实验结束时,笔者及时请一小组代表上讲台进行实验展示和讲解,及时帮助解惑;在探究“两角相等”活动结束时,及时让问题小组向全班阐述自己的实验困惑,大家在讨论中帮助他们释疑等等.这样我们不仅关注到全体学生的学习状况,更能关注到个体的发展,符合不同学生间的差异性现状,符合学生的认知规律.

总之,任何一篇优秀的教学设计都必须抓住“两条线”:知识呈现的逻辑线和学生认知的规律线,同时还要彰显学科的特有品质,体现学科应有的“味道”,方可以实现课堂既丰富多彩,又具有科学性、艺术性和高效性,使之成为提升学生科学思维能力的“肥沃土壤”.