基于實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)與優(yōu)化的課堂深度學(xué)習(xí)
——以“探究光的反射定律”為例

薛 梅

（南京師范大學(xué)附屬中學(xué)新城初級中學(xué) 江蘇 南京 210019）

課堂中學(xué)生活動表面化、思維淺層次的學(xué)習(xí)狀態(tài)將會影響學(xué)生對物理概念的理解和應(yīng)用，要改變這種學(xué)習(xí)狀態(tài)，關(guān)鍵是改進(jìn)課堂教學(xué)設(shè)計(jì)，從課堂教學(xué)的起點(diǎn)提升課堂教學(xué)的質(zhì)量，促進(jìn)學(xué)生學(xué)科思維能力的養(yǎng)成.本文以初中物理“探究光的反射定律”為例［1］，展示基于“深度學(xué)習(xí)”相關(guān)理論的教學(xué)設(shè)計(jì).

1 分析教材

傳統(tǒng)的學(xué)生實(shí)驗(yàn)器材如圖1所示，平面鏡水平放置，一塊標(biāo)有刻度的金屬板豎直地立于平面鏡上，并卡在凹槽內(nèi)，無法折疊.演示用器材設(shè)計(jì)相對好些，金屬板B可以繞接縫ON向前或向后翻折，來探究反射光線、入射光線和法線是否在同一平面內(nèi).

圖1 光的反射傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)器材

（1）平時(shí)依據(jù)教材內(nèi)容設(shè)計(jì)學(xué)生活動，存在以下問題

1）金屬板面與平面鏡垂直放置，課本上是直接告知的，學(xué)生并不理解為什么，所以當(dāng)金屬板面與平面鏡鏡面不垂直時(shí)，入射光束貼著金屬板入射時(shí)，認(rèn)為反射光束依然在金屬板上.

2）法線是實(shí)驗(yàn)前信息快遞告知的，學(xué)生對法線的作用理解并不深刻，描述結(jié)論經(jīng)常將法線丟了.

3）入射光方向只能在金屬板所在的平面內(nèi)改變.

4）當(dāng)金屬板B向后折時(shí)，金屬板B上看不到反射光束，認(rèn)為反射光束消失了.

（2）引發(fā)了筆者對于課堂教學(xué)有效性的4點(diǎn)思考

1）要實(shí)現(xiàn)的教學(xué)目標(biāo)是什么？

2）怎樣設(shè)計(jì)活動對于實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)效果更佳？

3）學(xué)生能從活動中學(xué)到什么？

4）該學(xué)習(xí)活動要發(fā)展學(xué)生哪些方面的技能？

2 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

物理實(shí)驗(yàn)是觀察、操作和思維互為影響的活動過程，實(shí)驗(yàn)教學(xué)不是研究有多少知識點(diǎn)，而是研究在知識點(diǎn)上有多少思維點(diǎn)，這就要求教師能有意識地引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握思維點(diǎn)，讓學(xué)生學(xué)會思考.為了促使學(xué)生深度思維升階，筆者對“探究光的反射定律”實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了如下改進(jìn).

2.1 學(xué)生自制并改進(jìn)實(shí)驗(yàn)器材

改進(jìn)器材1：如圖2（a）所示，透明的塑料罐子，罐內(nèi)底部用雙面膠固定一個(gè)小平面鏡，蓋子上用電烙鐵或大釘子開小孔，用夾子夾住一小段蚊香放入瓶中.

圖2 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)器材1

操作方法：如圖2（b）所示，點(diǎn)燃蚊香放入瓶中，幾秒后用激光筆從上方斜射入一束光.

改進(jìn)器材2：如圖3所示，利用平面鏡、燕尾夾、紙板、量角器、美工刀自制光的反射器.用夾子固定紙板豎直立于水平放置的平面鏡上，紙板可以自由地繞ON轉(zhuǎn)動到與鏡面垂直的不同平面.紙板右側(cè)面剪出弧形，上半部可以向后折，下半部固定不動.

圖3 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)器材2“探究三線共面”

操作方法：一束激光貼著左邊紙板射向鏡面上的O點(diǎn)，右邊紙板的上半部分向后折，折的部分看不到反射光束，留下的部分依然能看到.

2.2 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.2.1 創(chuàng)設(shè)情境 喚醒深度思維

創(chuàng)設(shè)情境：如圖4所示，學(xué)生利用自制的器材操作實(shí)驗(yàn)，讓光從不同方向斜射向同一入射點(diǎn)，觀察現(xiàn)象，轉(zhuǎn)動觀察的角度，當(dāng)轉(zhuǎn)到某個(gè)角度時(shí)會發(fā)現(xiàn)反射光束與入射光束重合了.

圖4 觀察反射光線、入射光線共面現(xiàn)象

師：你發(fā)現(xiàn)反射光線和入射光線在位置上有什么關(guān)系？

生：如圖5所示，學(xué)生嘗試用竹簽在花泥上模擬反射光線和入射光線并講解.通過以上實(shí)驗(yàn)觀察說明反射光線和入射光線在同一個(gè)平面內(nèi).

圖5 建立共面的空間概念

師：你覺得反射光線和入射光線所在的這個(gè)面與鏡面是什么關(guān)系？

生：讓入射光貼著紙板入射，當(dāng)紙板平面與鏡面垂直時(shí)，能顯示出入射光束和反射光束，當(dāng)紙板平面與鏡面不垂直時(shí)，發(fā)現(xiàn)紙板上只有入射光束，從而說明反射光線和入射光線所在的這個(gè)平面與鏡面垂直.

設(shè)計(jì)意圖：課本上紙板面與鏡面垂直是直接告知的，但是對抽象思維處于較低水平的初學(xué)物理的學(xué)生來說，只有通過實(shí)驗(yàn)這一橋梁，在豐富的感性材料基礎(chǔ)上，再用竹簽在花泥上，模擬光反射模型，能在學(xué)生頭腦中建立光反射的空間概念，使學(xué)生對光反射現(xiàn)象的認(rèn)識從感性上升到理性.

2.2.2 模型建構(gòu) 滲透思維方法

創(chuàng)設(shè)情境：如圖6所示，動畫顯示反射光束和入射光束所在的3個(gè)與鏡面垂直的面.

圖6 建立法線

師：你發(fā)現(xiàn)什么？

生：通過觀察，學(xué)生發(fā)現(xiàn)三面共線，且這根線與鏡面是垂直的.

師：我們將這根線稱為法線.

設(shè)計(jì)意圖：經(jīng)歷了上述法線建立的過程，讓學(xué)生明白鏡面的法線不只是數(shù)學(xué)上的“輔助線”作用，它實(shí)際的作用是用來確定反射光線和入射光線的空間位置關(guān)系的，有法線所在的這個(gè)平面一定是跟鏡面垂直的.

3 反思創(chuàng)新 引領(lǐng)深度學(xué)習(xí)

3.1 探究活動后的兩個(gè)思考題

課堂的探究活動結(jié)束了，但是我們應(yīng)該思考學(xué)生還能有更好的思維發(fā)展嗎？引導(dǎo)學(xué)生“反思創(chuàng)新”，則是進(jìn)行深度學(xué)習(xí)的高階思維訓(xùn)練.在完成光的反射定律的探究活動后，筆者給學(xué)生留了兩個(gè)思考題：

（1）如果沒有法線你會如何描述反射定律？

（2）你覺得法線的建立有什么好處？

3.2 在思考題回答中引領(lǐng)學(xué)生深度學(xué)習(xí)

學(xué)生思考后以文字形式回答.筆者認(rèn)真分析了學(xué)生的深度思考，總結(jié)如下：

3.2.1 思考題（1）的回答

1）光反射時(shí)，反射光線與入射光線在與鏡面垂直的同一平面內(nèi).

2）光反射時(shí)，反射光線與入射光線分居于兩光線夾角平分線的兩側(cè).

3）光反射時(shí)，反射光線與鏡面的夾角與入射光線與鏡面的夾角相等.

4）入射光線與鏡面的夾角和反射光線與鏡面的夾角相等且θ≤90°.

5）特殊情況：垂直入射時(shí)，反射光線、入射光線與鏡面的夾角都為θ=90°，反射光線、入射光線合為一線.

3.2.2 思考題（2）的回答

1）法線是反射光線和入射光線夾角的角平分線，引入法線的作用是為了引入兩角相等做必要的鋪墊，為了更好地探究反射角與入射角的關(guān)系.

2）可以讓人們知道反射光線與入射光線確定的平面與鏡面是垂直關(guān)系.

3）法線的引入，可以更好地確定反射光線的位置，并且有且只有一條.

4）觀察現(xiàn)象時(shí)多一個(gè)參照物，總結(jié)結(jié)論時(shí)更加方便，更好地描述現(xiàn)象.

5）為了更好地將正確的光路在光路圖中顯示出來.

6）將線與面的關(guān)系轉(zhuǎn)換成了線與線的關(guān)系.

學(xué)生在描述結(jié)論時(shí)注意到學(xué)科融合將數(shù)學(xué)的知識應(yīng)用到了物理中，而且在思考以上問題時(shí)必然會回顧實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以及反復(fù)閱讀課本內(nèi)容，并將自己的想法與課本內(nèi)容對比，這樣可以促進(jìn)學(xué)生對知識的深層加工，深度學(xué)習(xí)也在學(xué)生的回顧、分析、比較的過程中得以實(shí)現(xiàn).

物理是一門以理論為導(dǎo)向、以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)、理論和實(shí)驗(yàn)相互統(tǒng)一的自然科學(xué).學(xué)習(xí)物理知識，邏輯思維很重要.讓學(xué)生深度學(xué)習(xí)的目的就是為了培養(yǎng)學(xué)生相應(yīng)的物理素養(yǎng)和形成物理觀念的能力，為其終身發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)［2］.