基于學習進階的生活化物理實驗教學
——以“光的折射”為例

張 華 阮享彬

(1. 重慶市江津區(qū)教育科學研究所,重慶 402260; 2. 重慶市教科院,重慶 400010)

科技創(chuàng)新是國家發(fā)展、民族復興的核心動力,而物理實驗教學在培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和實踐能力方面具有獨特的育人功能．生活化實驗作為中學物理教學的重要組成部分,教學中卻存在教學功能定位不準等問題．西部某省市的調查顯示,87.3%的教師更關注實驗的完成度和知識的掌握程度,對學生思維層級發(fā)展關注不夠;6.2%的教師在教學中會引入生活化物理實驗,但主要作用僅僅是引發(fā)學生的興趣,對學生的認知缺乏連續(xù)的教學支撐點．新頒布的《高中物理課程標準》指出:“要利用日常用品改進實驗或開發(fā)新實驗,使實驗現(xiàn)象更明顯、直觀,開發(fā)出低成本高質量的實驗”．由此可見,生活化物理實驗教學與課標要求高度契合．

1 學習進階與生活化物理實驗教學

1.1 學習進階

學習進階是對學生在一個時間跨度內(nèi)學習和探究某一主題時,依次進階、逐級深化的思維方式的描述．學習進階致力于描述學生的思維發(fā)展過程,建立科學的認知發(fā)展模型,這就為教學序列的安排提供了學生學習概念的初始狀態(tài)和發(fā)展過程需要經(jīng)歷的不同層級,讓教學更科學、有序、高效．

1.2 基于學習進階的生活化物理實驗教學理論

生活化物理實驗教學是指基于學生的學習進階,從教學目的和學生思維層級出發(fā),結合教學內(nèi)容和學校實驗條件,選擇運用生活化物理實驗開展教學．

生活化物理實驗資源開發(fā)和教學實施的目標是為學生思維發(fā)展的一系列層級(階)提供貼近學生生活的生動的、易于接受的支撐點，包含以下3個特征:第一,生活化物理實驗的資源開發(fā)和教學實施要在明晰學生的學習進階的基礎上開展．第二,生活化物理實驗的資源開發(fā)和教學設計有明確的功能指向,不僅僅籠統(tǒng)局限于補充教學手段和引發(fā)學生興趣．第三,同一生活化物理實驗資源的功能具有多樣性,能夠在不同的概念教學過程中充當支撐點的作用．總之,生活化物理實驗的教學設計應該呈現(xiàn)層級性，并與學生思維發(fā)展層級相匹配．

2 生活化物理實驗教學理念下的“三環(huán)六段”教學策略

按照學習進階理論對生活化物理實驗教學進行匹配分類,形成生活化物理實驗教學策略(圖1),其教學過程大致包含三環(huán)節(jié)六階段:即認知起點——走進生活、情境激趣,引入教學內(nèi)容(觀察生活感知材料、初步分析形成認識);認知發(fā)展——生活實驗、科學探究,建構物理概念和規(guī)律(問題、證據(jù)、解釋、交流，抽象概括、形成結論);認知完善——回歸生活、深化拓展環(huán)節(jié),運用物理概念和規(guī)律(回歸生活、理解應用，課外拓展、完善認知)．生活化物理實驗靈活多變,可以根據(jù)教學內(nèi)容應用在物理教學的各個環(huán)節(jié),可以就其中一個環(huán)節(jié)應用,也可多個環(huán)節(jié)并用．

圖1 生活化物理實驗“三環(huán)六段”教學策略框架圖

3 案例分析

物理課堂教學當中,利用生活化實驗來加深學生對概念和規(guī)律的理解是物理教學的重要手段之一．下面以滬科版初中物理“光的折射”為例,分析“三環(huán)六段”教學策略的具體運用．

3.1 進階目標

通過實驗,掌握光的折射定律并應用光的折射規(guī)律解釋與其有關的一些自然現(xiàn)象．

3.2 進階起點的預設與診斷

學生學習某一概念或規(guī)律的進階起點,是建構該概念所必須的已有知識和關鍵能力,即學生關于該概念的前認知．教師開展教學前,應在全面了解學生的相關知識層次和能力水平的前提下,確定其學習進階的起點．教師根據(jù)教學經(jīng)驗和教學內(nèi)容的前后聯(lián)系,確定本節(jié)課前測題如下:

(1) 生活中許多物體可以發(fā)光,以下屬于光源的是

(A) 水母. (B) 螢火蟲.

(C) 月亮. (D) 發(fā)光的霓虹燈.

(2) 下列光現(xiàn)象中,屬于光的直線傳播的是

(A) 筷子在水中折斷.

(B) 陶罐在鏡中成像.

(C) 樹蔭下形成的圓形光斑.

(D) 重慶解放碑璀璨的光柱.

(3) 光的反射中,光路________(選填“可逆”或“不可逆”)．

圖2 光的反射

(4) 在如圖2中,請根據(jù)光的反射定律畫出物體A在平面鏡MN中的像A′．

前測題包含以下4個方面內(nèi)容:光的直線傳播、反射定律、平面鏡成像和光路可逆．通過測評發(fā)現(xiàn)，在知識水平方面,學生知道了光在同一種均勻介質中沿直線傳播,并可以通過光路等顯示出來;基本掌握了光的反射定律及其物理量，知道平面鏡成的像是虛像及光路可逆;在能力水平方面,學生形成了光路可逆的意識,理解了借助法線來確定反射定律中的入射光線、反射光線的幾何關系,具備了利用反射定律作圖的能力．

3.3 進階層級劃分與核心活動設計——“三環(huán)六段”教學策略

環(huán)節(jié)1.認知起點——走進生活,情境激趣.

(1) 觀察生活,感知體驗.

知識的引入,是一個認知定向的環(huán)節(jié),基本預設是學生處于學習進階的經(jīng)驗水平．在此環(huán)節(jié),需要創(chuàng)設新、舊知識的聯(lián)系．因此,必須適度引導,引發(fā)和前認知的沖突,啟發(fā)學生發(fā)現(xiàn)、思考問題．

在引入環(huán)節(jié),利用兩次叉魚展開教學．教師首先講述生活中叉魚的故事;接著利用自制器材,請學生甲到講臺展示——先瞄準,再叉魚,結果瞄得越準反而越叉不到魚(圖3);然后請學生乙利用激光筆,沿著甲學生在空氣中叉魚的路徑(為清晰顯示激光路徑,在空氣中用加濕器產(chǎn)生水霧,液體中加適量牛奶),這一次激光射到了魚．通過對比實驗,引起認知沖突,激發(fā)了學生興趣,引發(fā)學生探究的欲望,也有利于學生認知定向的達成．

圖3 叉魚實驗

(2) 分析現(xiàn)象,形成認識.

接下來探究光從空氣到水中發(fā)生的折射現(xiàn)象．請學生把激光筆光路的徑跡用光線畫出來,借此引出光的折射定義．然后對光的折射與光的反射進行類比,定義光的折射．由此看出,利用生活化物理實驗使學生更容易地建構起科學知識與生活經(jīng)驗、生活情境的橋梁,讓學生在真實情境的基礎上,幫助其建構新知識,使其順利達到學習進階的映射水平．

環(huán)節(jié)2.認知發(fā)展——生活實驗,科學探究,形成物理概念和規(guī)律.

(1) 問題、證據(jù)、解釋、交流.

教師通過引導學生開展生活化的物理實驗,目的是使學生在做實驗的過程中,充分感受建模的過程,有利于幫助學生深刻理解物理概念和規(guī)律．在生活化實驗過程中,通過提出問題、搜集證據(jù)、合作交流、解釋證據(jù),逐步培養(yǎng)學生的實驗操作及動手能力,使學生的觀察能力、思維能力不斷提高,同時學生的概念理解從映射水平上升到關聯(lián)水平．

通過分析學生畫的光路圖,發(fā)現(xiàn)光線的確發(fā)生了偏折,但偏折的方向跟角度都出現(xiàn)了不一致的現(xiàn)象．這就使學生產(chǎn)生了新的疑惑,究竟入射角和折射角的關系如何,這正是光的折射定律的內(nèi)容．

實驗中,利用生活化物理實驗器材開展分組實驗(圖4)．選用圓形塑料飯盒,裝半盒水,蓋上蓋子,做成一個半圓形“水磚”．用軟筆畫一條豎直的法線后,立起放在鐵架上,再用激光筆照射,就可以探究光的折射規(guī)律了．具體探究過程如下.

圖4 光的折射

提出問題:光的折射遵循怎樣的規(guī)律．

猜想假設:對比光的反射規(guī)律進行猜想.

設計和進行實驗(實驗表格見表1，表2):

表1 探究光的折射定律(實驗1)

表2 探究光的折射定律(實驗2)

這樣,通過隨手可見的生活器材探究光的折射定律,充分體現(xiàn)了生活化實驗直觀生動、形象具體的顯著特點,使學生產(chǎn)生熱愛學習物理的情感．并將抽象的物理學概念和規(guī)律具體化、復雜物理學概念和規(guī)律簡單化,使學生更容易接受．

(2) 抽象概括，形成結論.

物理概念和規(guī)律的形成,是一個比較復雜的過程,需要深度思維活動,轉變認知模式,達成概念和規(guī)律的科學建構．教師要隨時關注學生概念發(fā)展的現(xiàn)狀和問題,判斷學生的概念發(fā)展水平,沿著學生概念進階的途徑創(chuàng)設相關情境,引導學生通過觀察和思考發(fā)現(xiàn)和提出問題,突破原有認識的局限,用科學的思維方式研究和解決問題,生活化物理實驗有助于學生挖掘所蘊含的深刻的物理內(nèi)涵,形成結論,并轉化為頭腦中的科學認識,使概念理解順利達到關聯(lián)水平．本結論形成過程如下.

思考并回答下列問題,得到結論:

光折射時,折射光線、入射光線和法線是否在同一平面內(nèi)?

折射光線、入射光線是否位于法線兩側?

折射角和入射角大小關系?

入射角增大,折射角將如何變化?入射角減小呢?

當光線垂直射向介質表面時,傳播方向是否改變?

光折射時,光路是否可逆?

請把你的結論填寫在導學案中的分析論證部分．

環(huán)節(jié)3.認知完善——回歸生活,深化拓展,運用物理概念和規(guī)律.

概念的深層次理解,有賴于學生概念的形成程度．在初步建構概念的基礎上,選擇具體問題,可以是課內(nèi)讓學生解決問題,還可以布置學生自己動手做一些有趣的實驗,進一步提升和拓展對概念和規(guī)律的科學認識,從而使知識理解層級水平從關聯(lián)上升到系統(tǒng)和整合水平．

(1) 回歸生活,理解應用.

生活化實驗教學就是把抽象的學科知識還原于生活,使知識在實踐中得以驗證和完善．通過利用所學物理知識來解決生活實際問題和解釋生活現(xiàn)象,學生具有了主動學習的機會,在問題解決中注重與生活的聯(lián)系,學生在體驗和感悟中才會真正理解知識．

在叉魚實驗中,學生甲明明瞄準了,為什么沒有叉到魚?通過討論,學生就從實驗中親身感受到了虛像的位置,然后根據(jù)光路可逆,讓學生們畫光路圖(圖5),解釋虛像的形成原理．

圖5 叉魚光路圖

總之,在深化拓展階段,可利用光的折射定律解釋生活中的物理現(xiàn)象,如筷子折斷現(xiàn)象、硬幣重現(xiàn)等,利用餐盒探究出的光的折射定律,能夠解決學生多年的疑惑,說明物理學科有趣、有用,并享受學以致用的快樂．

(2) 課外拓展,完善認知.

學生學習物理的過程,應更多地加強物理與生活的聯(lián)系,讓學生從課內(nèi)走向課外,享受運用知識解決實際問題的樂趣．通過簡便易做的一些小實驗小制作,讓學生在課后開展實驗或者在生活現(xiàn)象類似的場景進行觀察,讓學生充分體驗主動探索、合作學習的過程,培養(yǎng)學生實踐能力和實驗創(chuàng)新能力．通過課內(nèi)、課外實驗的有機結合,培養(yǎng)學生解決實際問題的能力,有效促進學生對知識的整合．本節(jié)課的課外拓展內(nèi)容如下．

完成并解密小魔術:硬幣重現(xiàn)．

撰寫一篇關于“容易受騙的眼睛”的科技小論文．

在布置了課后小實驗后,可要求學生要上交小制作或者在家進行了實驗時利用攝錄設備進行視頻記錄,然后在課堂上進行展示,極大地促進了學生的積極性．通過課外拓展,生活化物理實驗真正走進了學生的生活,也在一定程度上加深了學生對折射定律的理解和應用,有助于學生完善對光的折射的認知．

總之,通過開展基于學習進階的生活化物理實驗教學,將物理知識融入到有關生活現(xiàn)象和解決具體的社會生活問題中,增強了物理與STSE的聯(lián)系，同時,有助于提升學生的實驗探究能力,幫助學生形成正確的物理觀念,提高科學思維和創(chuàng)新能力及學習物理的積極性和主動性,并有效激發(fā)學生的社會責任感．