用實驗探究縮短與概念的思維距——“光的折射”教學設計及反思

湯建國

（溧陽市上沛中學，江蘇 溧陽 213361）

本文基于實驗探究下開展的物理概念教學，本文針對蘇科版8年級物理上冊中“光的折射”教學設計的一些設想和思考.

1 現(xiàn)象引入探究，避免概念空降

概念“空降”會使學生出現(xiàn)對概念理解形成“空心”，從而感知概念是神秘的、突兀的.很多時候正是因為學生對概念缺乏深刻的認同，造成了學生對概念的掌握不夠牢固，一旦面臨新的或較復雜的問題情境，就會不自覺地產(chǎn)生“認知背叛”.

圖1

“光的折射”教學中，筆者先從生活現(xiàn)象引入學生探究實驗，讓學生從生活中發(fā)現(xiàn)問題：（1）觀察“折射斷筆”.提供一杯水，讓學生利用手邊的筆、直尺等學習工具放入杯中，引導學生從上面、側(cè)面對水杯中的筆或尺進行觀察，并描述實驗現(xiàn)象.引發(fā)學生思考，筆、直尺怎么會出現(xiàn)“折斷”現(xiàn)象呢？（2）“模擬叉魚”.在泡沫塑料白板上畫上魚，白板放入水中，讓學生用竹針對準水中白板上的魚（看到的）叉下（如圖1），通過分組實驗，學生比賽，實際體驗，看誰能叉準？激發(fā)學生興趣，增強學生對“光進入另一種介質(zhì)中偏折”現(xiàn)象的感性認識.當學生用尖針去叉看到的魚，發(fā)現(xiàn)總是叉不到，吃驚之余，產(chǎn)生認知沖突.上述現(xiàn)象是怎樣引起的？能否用以前學的知識解釋？激發(fā)學生對探究光折射知識的內(nèi)心需求.

2 舊知順化新知，剖析概念內(nèi)涵

順化是把新學習的物理概念和物理規(guī)律整合到原有認知結(jié)構(gòu)的模式之中，當學生原有認知結(jié)構(gòu)與物理問題中新模型相遇對比時，使學生腦中形成認知的認同或質(zhì)疑，引發(fā)科學探究的求知欲，重建對概念的認識，使認知結(jié)構(gòu)得到豐富和擴展.教學過程中，教師應幫助學生以舊知識順化新知識，使學生掌握新知識，順利實現(xiàn)知識的遷移.

學習“光的折射”前，學生認知結(jié)構(gòu)里對“光的反射”知識已有一定的理解和掌握，教學中，筆者通過引導學生回憶“光的反射”相關(guān)概念，來遷引光折射的基本概念：折射光線、折射角、光的折射定義.而光的折射概念是光從一種介質(zhì)斜射入另一種介質(zhì)時，傳播方向會發(fā)生偏折的現(xiàn)象.教學中如果只是讓學生“知道”和“記住”了“什么是光的折射”，那只是在概念的“外圍”，即對概念的記憶和本義的理解，并沒有真正觸及“光的折射”概念的“核心”.光的折射概念的關(guān)鍵是“斜射”、“入”、“偏折”.其中的“入”是與反射的“返回”著重對應區(qū)別.

圖2

課堂教學中筆者組織學生實驗探究：（1）用激光將一束光線斜射入空杯底，杯底出現(xiàn)光斑.保持入射光線不變，請另一位學生向杯中慢慢加水.觀察水槽底部光斑的位置是否發(fā)生變化？（2）用激光演示器演示光的折射現(xiàn)象，讓學生看到光在界面反射和進入水中折射的路徑.并請學生用筆在白紙上大致畫出所看到的現(xiàn)象.通過實驗情景讓學生看清光斜射后會進入另一種介質(zhì)，并發(fā)生了偏折現(xiàn)象，光的反射也是“斜射、偏折”，但不是“進入”而是“返回”原來介質(zhì)中.光的折射現(xiàn)象的本質(zhì)就會通過此環(huán)節(jié)得到很好的呈現(xiàn)（如圖2）.然后引導學生通過回憶舊知入射光線、反射光線、法線、入射角、反射角，為學生認識和理解“折射光線、折射角、光的折射”概念做足思考輔墊.光的折射概念的建立使學生對光折射規(guī)律的“定性”研究成為可能，促進了光的折射知識在學生思維中的認知發(fā)展.

3 探究概念外延，揭示折射規(guī)律

物理概念是物理學習過程中思維活動的起點和終點.運用物理概念尋找物理規(guī)律，拓展概念外延，最終通過物理規(guī)律的探究來鞏固概念，實現(xiàn)對概念本質(zhì)特征思維的螺旋上升.

課堂中學生在掌握了光的折射概念的基礎上，筆者讓學生根據(jù)光路圖及光的反射，猜想光的折射規(guī)律？意圖讓學生通過對比光的反射規(guī)律建立有依據(jù)的猜想及探究.

學生很自然地提出了“折射光線、入射光線和法線的位置關(guān)系”及“折射角和入射角的大小關(guān)系”的猜想和探究.為使實驗探究參與面廣，效果好.課堂著重精心設計了4組探究實驗.

圖3

（1）圍繞“折射光線、入射光線和法線的位置關(guān)系”，課堂設計了水杯和K T板（如圖3，中間帶縫，可以轉(zhuǎn)動），學生通過激光筆斜射，發(fā)現(xiàn)“折射光線和入射光線在法線兩側(cè)”，通過轉(zhuǎn)動半面K T板，學生很清晰看到轉(zhuǎn)動后的K T板上的折射光路消失，證明了“折射光線、入射光線和法線在同一平面內(nèi)”.

（2）圍繞“光從空氣斜射入水（玻璃）中”，“光從水（玻璃）斜射入空氣中”，折射光線向哪里偏折？筆者讓學生用玻璃磚放在紙上對應玻璃磚位置做實驗（如圖4）.并指導學生通過幾何知識：兩點決定一直線確定光路，記錄下觀察到的光從空氣到玻璃再到空氣中的傳播路徑圖.光從空氣垂直射入水（玻璃）中”，光線怎樣（如圖5）？交流實驗探究結(jié)果.

圖4

圖5

學生通過幾何方法在白紙上畫出光從空氣到玻璃，再從玻璃中射出到空氣中的傳播路徑（如圖6），該實驗的設計同時解決了“光從空氣中斜射入玻璃”和“光從玻璃斜射入空氣中”現(xiàn)象，達到了一舉兩得的成效.使學生很明顯看到：光從空氣中斜射入玻璃或其他介質(zhì)時，折射光線向法線偏折（折射角小于入射角）.光從玻璃或其他介質(zhì)斜射入空氣中時，折射光線遠離法線偏折（折射角大于入射角）.

圖6

圖7

（3）如圖7，指導學生把玻璃放在白紙上，改變幾次入射光的方向，用不同色筆畫出觀察結(jié)果，仔細觀察并對比現(xiàn)象，深入剖析折射角隨入射角變化的規(guī)律.

（4）圍繞“光折射時光路是否也可逆”的疑問.課堂組織學生從光反射時光路可逆，去猜想光的折射時光路可能也是可逆的，并提出設計方案.

圖8

學生設計（如圖8）：把玻璃磚放在原白紙上，讓光從玻璃磚下面沿剛才所畫線反向射入，看最后出射光路與原入射光（從上面時）是否重合，達到了預期的探究效果.

通過上述4組探究實驗，展示折射概念的外延，使學生順利地對折射規(guī)律有了深刻的理解和掌握.

4 回應課堂起點，深化概念應用

課堂最后環(huán)節(jié)，為使光的折射概念在學生的思維中形成螺旋上升，筆者利用課件動畫呈現(xiàn)了“魚的虛像形成的原因”.引導分析并說出叉準魚的“奧妙”是什么？并再次讓學生進行“模擬叉魚”，進一步激發(fā)學生的熱情，體驗成功的喜悅.組織學生分組實驗，觀察玻璃磚后的鋼筆“錯位”，讓學生再次體驗折射使眼睛產(chǎn)生的錯覺.播放了“海市蜃樓”、天空出現(xiàn)的“三日同輝”等影像資料，讓學生領(lǐng)略折射現(xiàn)象不僅會使眼睛“受騙”，有時還會產(chǎn)生一些很美的奇觀.

5 課堂問題反思，著力改進提升

反思1：本課重在“探究”，意在概念，初二學生盡管有的思維和實驗探究能力較強，但畢竟是少數(shù)，且課堂又是面對全體，大部分學生的物理思維能力和實驗探究能力較欠缺.所以課堂的探究沒能放得太寬泛，特別是探究光的折射規(guī)律時，由于學生的實際操作水平和表達能力有差異，課堂中可采用生生指導、師生指導共同完成，為后面用光的折射規(guī)律解釋生活中的折射現(xiàn)象提供更多的方便.

反思2：課堂中用光的折射規(guī)律解釋折射現(xiàn)象時，如從水中看岸上的樹，折射斷筆，向水中叉魚等生活實例，教師應該組織學生通過自主嘗試畫折射光路圖的方法，加深對光折射規(guī)律的理解，從而揭示折射現(xiàn)象的神奇奧秘，而不是教師通過課件簡單演示完成，這是課堂教學中遺憾之處.