用可視化教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)

宋勇 楊思鋒 熊榮領(lǐng) 劉娟

摘要：在“光的折射”一節(jié)教學(xué)中，我們通過(guò)自制教具來(lái)放大實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，還原思維過(guò)程，展示習(xí)題情境，實(shí)現(xiàn)在真實(shí)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上將物理觀念、科學(xué)思維和科學(xué)探究的教學(xué)可視化，促進(jìn)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)培育目標(biāo)的達(dá)成。

關(guān)鍵詞：真實(shí)實(shí)驗(yàn) 可視化 自制教具 核心素養(yǎng)

物理教學(xué)必須以實(shí)驗(yàn)為主要載體，通過(guò)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)演示和探究，揭示物理規(guī)律，形成物理觀念，達(dá)到培育學(xué)生核心素養(yǎng)的目標(biāo)。如今在信息技術(shù)手段迅速融合課堂教學(xué)的新形勢(shì)下，各種仿真模擬實(shí)驗(yàn)代替了真實(shí)的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在設(shè)計(jì)好的實(shí)驗(yàn)視頻或者動(dòng)畫(huà)里，觀察由別人演示的實(shí)驗(yàn)，這種教學(xué)很難讓學(xué)生獲得真實(shí)的物理體驗(yàn)。因此，我們倡導(dǎo)在真實(shí)實(shí)驗(yàn)的背景下，研究將物理教學(xué)可視化的策略。在人教版八年級(jí)上冊(cè)“光的折射”一節(jié)的教學(xué)中，我們?cè)O(shè)計(jì)了多元的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，自制了多種實(shí)驗(yàn)教具，力圖將物理觀念可視化，增強(qiáng)物理現(xiàn)象的可視化程度，實(shí)現(xiàn)規(guī)律應(yīng)用的可視化，從而提升教學(xué)效率，培養(yǎng)核心素養(yǎng)。

一、引入環(huán)節(jié)的可視化教學(xué)策略

本節(jié)課最常用的引入是給學(xué)生展示一幅筷子在水里“彎折”的圖片（如圖1），我們認(rèn)為，這種引入會(huì)給學(xué)生帶來(lái)一種對(duì)于折射的錯(cuò)誤“前認(rèn)識(shí)”。這是因?yàn)榭吹綇澱鄣目曜悠鋵?shí)是筷子所成的虛像，并且筷子在水里的形狀與光折射時(shí)的光路（如圖2）從形狀上看是相反的。這種引入方式，有可能會(huì)讓學(xué)生誤解光的折射光路也跟筷子在水里的彎折相同。

為了降低學(xué)生對(duì)折射現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)難度，增強(qiáng)教學(xué)引入環(huán)節(jié)的可視化效果，我們?cè)O(shè)計(jì)了井底之蛙觀察井外天空的教學(xué)活動(dòng)：利用底部透明的容器代表枯井，容器底部有一攝像頭代表青蛙的眼睛，在距容器頂部某高度水平放置一張描繪有星空的圖片，攝像頭可以將圖片拍攝后實(shí)時(shí)展示在大屏幕上（如圖3）。往容器中加入水后，攝像頭拍到的范圍將變大，屏幕上看到的星星變多了（如圖4）。這種視覺(jué)上的沖擊瞬間讓學(xué)生充滿了好奇和疑惑，引發(fā)學(xué)生的思考：是什么原因讓青蛙看到的范圍變大了呢？

接下來(lái)，教師引導(dǎo)學(xué)生嘗試畫(huà)出兩種情況下的光路圖（如圖5、圖6）。在沒(méi)有加水時(shí)，看到的范圍是A1A2，運(yùn)用光的直線傳播原理可以畫(huà)出A1O和A2O兩條光路。這一過(guò)程也是在復(fù)習(xí)光的直線傳播原理。在加入水之后，看到的范圍變成了B1B2，由于光在空氣和水中都是沿直線傳播的，引導(dǎo)學(xué)生分別作出光在空氣中的光路B1C1、B2C2及光在水中的光路C1O、C2O，這樣，學(xué)生自主地作出了光從空氣到水中的光路B1C1O和B2C2O，顯然，在C1和C2處，光路發(fā)生了偏折。這一環(huán)節(jié)中，學(xué)生在運(yùn)用已有知識(shí)（光的直線傳播原理）的同時(shí)發(fā)現(xiàn)了新問(wèn)題（光在空氣和水的分界面處發(fā)生了偏折現(xiàn)象），教師啟發(fā)學(xué)生思考：光從空氣射入水中時(shí)，發(fā)生了怎樣的變化？讓學(xué)生初步感知光的折射現(xiàn)象。

以上教學(xué)過(guò)程基于真實(shí)的實(shí)驗(yàn)，通過(guò)學(xué)生自主探究將光的折射現(xiàn)象展現(xiàn)在學(xué)生面前。這種可視化的設(shè)計(jì)，抓住了折射的本質(zhì)，便于學(xué)生形成正確的物理觀念。

二、演示實(shí)驗(yàn)和分組實(shí)驗(yàn)的可視化策略

本節(jié)課的教學(xué)重點(diǎn)是教師演示折射現(xiàn)象和學(xué)生分組探究折射規(guī)律。為了提升可視化程度，我們利用自制的實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行教學(xué)活動(dòng)的設(shè)計(jì)，力圖實(shí)現(xiàn)物理觀念培養(yǎng)的可視化、學(xué)生科學(xué)思維素養(yǎng)培養(yǎng)的可視化，讓物理規(guī)律不再抽象，落實(shí)培養(yǎng)學(xué)科核心素養(yǎng)的目標(biāo)。

環(huán)節(jié)一：利用“光的折射”演示儀（圖7），放大演示實(shí)驗(yàn)的可視化效果

制作材料：激光筆（強(qiáng)光、線光源）、鐵質(zhì)硬板、亞克力磚。

制作方法：將兩塊半圓形鐵質(zhì)硬板依靠合頁(yè)連接，組裝成一組可折轉(zhuǎn)光屏，直徑為1米，同時(shí)標(biāo)注角度和圓半徑線，形成圓形光屏;折射介質(zhì)使用的厚度1厘米的半圓形亞克力磚，直徑為39.5 cm，一面打磨為粗糙面，方便顯現(xiàn)光路。

常規(guī)教學(xué)時(shí)，采用演示折轉(zhuǎn)光屏可使光屏上沒(méi)有折射光路，但“在光屏上看不到折射光路”并不能得出“折射光線與入射光線以及法線在同一平面內(nèi)”的結(jié)論，本教具的設(shè)計(jì)采用“光屏折轉(zhuǎn)”但玻璃磚仍與入射光在同一平面內(nèi)的做法，通過(guò)演示操作的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)左右兩塊光屏在同一平面內(nèi)時(shí)，折射光和入射光的傳播路徑均可在光屏上呈現(xiàn)（圖7），但當(dāng)兩光屏不在同一平面內(nèi)時(shí)，右邊光屏上便看不到折射光的傳播路徑，由于玻璃磚依然與左邊光屏處在同一平面內(nèi)，因此，在玻璃磚上依然可見(jiàn)折射光。以此可以說(shuō)明光在折射時(shí)，折射光線與入射光線以及法線在同一平面內(nèi)，這種對(duì)照實(shí)驗(yàn)的可視化設(shè)計(jì)便于學(xué)生形成正確的物理觀念。

以上這種放大實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的設(shè)計(jì)，讓學(xué)生在“三線共面”的學(xué)習(xí)中，通過(guò)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)獲得直觀的感受，從而對(duì)“共面”的理解更加深刻。

環(huán)節(jié)二：利用“多功能光學(xué)探究裝置”，提升學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)的可視化效果

制作材料：激光筆（強(qiáng)光、線光源）、鐵質(zhì)硬板、有機(jī)玻璃磚、水槽。

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖8所示，缺點(diǎn)是只能改變?nèi)肷涔獾姆较颍荒芴骄空凵涔饩€、入射光線和法線之間的關(guān)系，而且只能探究光從空氣射入一種介質(zhì)的情況。為了能讓學(xué)生完整探究光的折射規(guī)律，我們自制了“多功能光學(xué)探究裝置”，其光屏用兩塊鐵質(zhì)硬板（依靠合頁(yè)連接）制成，通過(guò)改變激光筆的方向，可以改變?nèi)肷涔獾姆较?。光屏上?biāo)注圓形和對(duì)應(yīng)角度，便于測(cè)量入射

角和折射角的大小，同時(shí)光屏的右側(cè)可以向后折轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)“折射光線、入射光線以及法線是否在統(tǒng)一平面內(nèi)”的探究。當(dāng)前側(cè)放置水槽時(shí)，可以探究光從空氣射入水中的折射規(guī)律，如圖9、10所示。要研究光從空氣進(jìn)入到玻璃時(shí)，可以換用半圓形有機(jī)玻璃磚，利用磁鐵將其吸附在光屏上，如圖11、12所示。

環(huán)節(jié)三：利用“叉魚(yú)光路演示器”（圖13），實(shí)現(xiàn)科學(xué)思維過(guò)程的可視化

制作材料：水槽（亞克力板制成）、塑料小魚(yú)、激光筆、塑料圓筒、細(xì)長(zhǎng)桿、加濕器、鐵架臺(tái)等。

制作及使用方法：魚(yú)缸底部?jī)?nèi)測(cè)固定一塑料小魚(yú)，小魚(yú)的頂部開(kāi)口，魚(yú)缸底部外測(cè)裝有激光筆，魚(yú)缸上方右側(cè)利用鐵架臺(tái)裝一塑料圓筒，裝入適量水后，調(diào)節(jié)激光筆和圓筒的角度，使激光筆發(fā)出的光從小魚(yú)的開(kāi)口處穿過(guò)，經(jīng)折射后能穿過(guò)圓筒。另配有一細(xì)長(zhǎng)桿，可穿過(guò)圓筒到達(dá)水中魚(yú)缸底部。

本器材是為了還原“看到魚(yú)”的光路和“叉不到魚(yú)”的過(guò)程。位于魚(yú)缸底部的激光筆發(fā)出的光路AOB代替我們觀察到魚(yú)時(shí)，魚(yú)“發(fā)出”的光路，如圖14，通過(guò)加濕器可以使這條光路非常明顯，這是人“看到魚(yú)”的光路。在B位置沿光路OB的方向固定一圓管，通過(guò)此圓管可以接收到魚(yú)發(fā)出的光路OB，即可看到魚(yú)。然而，由于光在O處發(fā)生了偏折，加上人的錯(cuò)覺(jué)，認(rèn)為魚(yú)位于順著B(niǎo)O方向上的D位置（實(shí)際為魚(yú)的虛像位置），故沿BOD的方向是叉不到魚(yú)的。我們用細(xì)桿沿圓管插入水中到達(dá)D位置，用來(lái)模擬“叉不到魚(yú)”的過(guò)程，如圖15所示。

利用這個(gè)教具進(jìn)行對(duì)比演示，使看到魚(yú)的光路和叉不到魚(yú)的過(guò)程展現(xiàn)在學(xué)生面前，還原了物理規(guī)律在生活中的應(yīng)用過(guò)程，幫助學(xué)生完成分析推理過(guò)程，實(shí)現(xiàn)科學(xué)思維素養(yǎng)培養(yǎng)的可視化。

三、習(xí)題情境的可視化策略

在本節(jié)課的鞏固環(huán)節(jié)，我們?cè)O(shè)置了如下課堂練習(xí)：

圖16為一個(gè)玻璃制成的三棱鏡，請(qǐng)畫(huà)出光從空氣射入三棱鏡又射回空氣的光路圖。

本題旨在檢測(cè)學(xué)生在學(xué)過(guò)折射知識(shí)以后，會(huì)不會(huì)根據(jù)折射規(guī)律進(jìn)行兩次折射光路的判斷。學(xué)生完成作圖后，為幫助學(xué)生理解其對(duì)光路的作用，再利用圖17的真實(shí)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，幫助學(xué)生理解三棱鏡對(duì)光線的作用，為今后學(xué)習(xí)光的色散進(jìn)行合理的鋪墊。這種將習(xí)題情境進(jìn)行可視化展示的手段，讓枯燥的解題變成有趣的探究，提升了學(xué)生運(yùn)用物理觀念解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

物理學(xué)是一門(mén)實(shí)驗(yàn)學(xué)科，初中生往往缺少理性思維的能力，通過(guò)真實(shí)實(shí)驗(yàn)的可視化教學(xué)手段，能讓學(xué)生在感性認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上更深入地理解物理觀念，也更能體現(xiàn)物理學(xué)科的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)物理觀念、科學(xué)思維及科學(xué)探究的可視化，從而更好地實(shí)施學(xué)科核心素養(yǎng)的培育。

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責(zé)任編輯：黃大燦

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