在光學(xué)教學(xué)中提升學(xué)生核心素養(yǎng)的探索與實(shí)踐

王少生 邢海根

[摘? ?要]在光學(xué)教學(xué)中，引導(dǎo)學(xué)生用逆向思維分析問(wèn)題，通過(guò)拆解光學(xué)組件，分析各組件的功能，再組合，從而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新素養(yǎng)。教師可以通過(guò)自制教具開(kāi)展物理教學(xué)，提升教學(xué)實(shí)效。

[關(guān)鍵詞]逆向思維;創(chuàng)新實(shí)驗(yàn);核心素養(yǎng)

[中圖分類號(hào)]? ? G633.7? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]? ? A? ? ? ? [文章編號(hào)]? ? 1674-6058（2019）23-0047-02

一、引導(dǎo)學(xué)生用逆向思維分析問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生逆向思維能力

逆向思維是一種反向思維，表現(xiàn)為反其道而思，是對(duì)事物本質(zhì)的全新認(rèn)識(shí)。“磁生電”現(xiàn)象，就是用逆向思維獲得的一項(xiàng)重大成果，在許多發(fā)明創(chuàng)造中，逆向思維起了關(guān)鍵性的作用，如我國(guó)發(fā)明家蘇衛(wèi)星發(fā)明的“兩向旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)”、洗衣機(jī)脫水缸用軟軸代替了硬軸等。要培養(yǎng)學(xué)生的逆向思維能力，就要在平時(shí)教學(xué)中抓住契機(jī)，及時(shí)進(jìn)行教學(xué)與訓(xùn)練。

在學(xué)習(xí)光路的可逆性時(shí)，用PVC膠粘一個(gè)“V”形的管子，在管口內(nèi)側(cè)壁安裝幾只高亮度發(fā)光二極管、紐扣電池及開(kāi)關(guān)組成的電路，在“V”形管的底部粘一個(gè)小平面鏡，實(shí)驗(yàn)時(shí)，閉合開(kāi)關(guān)（使發(fā)光二極管發(fā)光），請(qǐng)兩位同學(xué)分別用一只眼睛貼著管口向管底觀看，問(wèn)兩位同學(xué)分別看到了什么。

在學(xué)習(xí)漫反射時(shí)，教師投影一張漫反射圖片，問(wèn)學(xué)生漫反射的光線是否一定不平行，再要求學(xué)生根據(jù)光路的可逆性原理，將箭頭全反過(guò)來(lái)，再觀察漫反射的光線是否平行。

在學(xué)習(xí)凸透鏡或凹透鏡的焦點(diǎn)時(shí)，教師投影一張圖片，先問(wèn)學(xué)生該透鏡有幾個(gè)焦點(diǎn)，然后再問(wèn)學(xué)生若讓平行光源從透鏡的另一側(cè)平行主光軸入射，會(huì)出現(xiàn)什么情況，最后再問(wèn)透鏡有幾個(gè)焦點(diǎn)。

在學(xué)習(xí)光在水中折射成像時(shí)，學(xué)生大多知道：人看到水下的物體是物體的像，它的位置升高了。這時(shí)，教師可引導(dǎo)學(xué)生思考：水下的魚(yú)，看到岸上的物體，位置又是如何呢？

在學(xué)習(xí)用放大鏡觀察物體時(shí)，學(xué)生一般是將物體向放大鏡方向靠近，這時(shí)教師可讓學(xué)生試著將放大鏡向物體方向靠近;在做凸透鏡成像實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生按課本上“由遠(yuǎn)及近”的步驟進(jìn)行，教師可以啟發(fā)學(xué)生“反其道”為之。

經(jīng)過(guò)多次學(xué)習(xí)與訓(xùn)練，使學(xué)生形成逆向思考問(wèn)題的習(xí)慣，學(xué)會(huì)用逆向思維分析生活、生產(chǎn)及未來(lái)社會(huì)中的現(xiàn)象，提升學(xué)生分析與解決問(wèn)題的能力。

二、教會(huì)學(xué)生“拆解”光學(xué)組件，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)明創(chuàng)新的能力

將兩種或者兩種以上的物件組合到一起，變成一個(gè)新的組合體，該組合體可能具有原有物件沒(méi)有的功能，這個(gè)新的組合體就成了一件發(fā)明。如哨子與水壺組合便成了現(xiàn)行的燒水壺，電爐與鍋組合在一起就成了電飯鍋，等等。拆解，就是將一件組合體按科學(xué)的方式進(jìn)行分離，從而暴露出各部件的功能。要讓學(xué)生學(xué)會(huì)運(yùn)用組合法來(lái)創(chuàng)新，可應(yīng)用 “拆解”法來(lái)培養(yǎng)。

在學(xué)習(xí)潛望鏡時(shí)，可將其拆解成兩塊平面鏡與三根管子，要求學(xué)生課后利用這幾種物件自由組合，有的要求做成能看到地面上方的物體，如電能表的表盤;有的要求能看到地下的物體，如下水道中的物體;有的要求能看到水平方向且位于人體后方的物體，如身后的人。

在學(xué)習(xí)投影儀時(shí)，教師可將投影儀上的平面鏡拆下，讓學(xué)生觀察圖像的位置，讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)平面鏡的作用，再將投影儀內(nèi)的強(qiáng)光燈泡拆下，什么也看不見(jiàn)了，讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)強(qiáng)光燈的作用。就這樣，讓學(xué)生明白各組件的作用，理解投影儀是如何通過(guò)組合而工作的。

在學(xué)習(xí)雙凸透鏡的望遠(yuǎn)鏡時(shí)，教師先將目鏡拆下，讓學(xué)生從目鏡的位置觀察遠(yuǎn)處的物體，學(xué)生發(fā)現(xiàn)有一個(gè)很小的倒立的實(shí)像，再裝上目鏡，再觀察遠(yuǎn)處的物體，發(fā)現(xiàn)倒立的像變大了。這時(shí)學(xué)生發(fā)現(xiàn)物鏡的功能相當(dāng)于照相機(jī)，目鏡的功能相當(dāng)于放大鏡，使學(xué)生理解這種望遠(yuǎn)鏡相當(dāng)于是照相機(jī)與放大鏡組合而成的。

組合創(chuàng)新，實(shí)際上是利用逆向思維，先拆解，分析各部分功能，再組合實(shí)驗(yàn)。這樣，時(shí)間一長(zhǎng)，學(xué)生便發(fā)現(xiàn)要發(fā)明一種新功能的器件，可以取部分功能的物件進(jìn)行組合，從而學(xué)會(huì)用組合法來(lái)創(chuàng)新。

三、加強(qiáng)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)

學(xué)生對(duì)用課本上的實(shí)驗(yàn)器材做實(shí)驗(yàn)，往往沒(méi)有“新鮮”感，但如果教師對(duì)實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行改造、設(shè)計(jì)，用自己的辦法演示實(shí)驗(yàn)，學(xué)生就會(huì)感到“新奇”，它直接啟發(fā)學(xué)生要勇于探索、大膽創(chuàng)新，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維有著積極的作用。它具有一定的誘惑性，“引誘”學(xué)生模仿教師，搞小制作，做小實(shí)驗(yàn)，這樣做的時(shí)間長(zhǎng)了，便能有效培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神與創(chuàng)新能力。

1.自制新型教具，研究光的反射規(guī)律

如圖1所示，是一個(gè)相互垂直的支架，兩側(cè)通過(guò)尼龍線與中間立桿上的螺絲構(gòu)成一個(gè)三角形，立桿上豎直固定一根塑料桿，代表法線，在塑料桿正下方的直桿上貼一張反光膜，用兩根外壁貼有箭頭的空心鋁管顯示光路（沿管長(zhǎng)方向?qū)X管剪開(kāi)，使管壁形成一縫隙，當(dāng)光線沿鋁管的內(nèi)壁照射時(shí)，從縫隙中便能看到光的路徑），鋁管外部通過(guò)一個(gè)很小的圓環(huán)與尼龍線相連，使鋁管能沿尼龍線，繞著入射點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，鋁管的下部用尼龍線拉緊，并將線頭固定在螺絲釘上，在豎直立桿上粘貼一個(gè)量角器。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，將左側(cè)的鋁管轉(zhuǎn)到45°角處，讓激光從左側(cè)鋁管入射，如圖2所示，可觀察到左側(cè)鋁管內(nèi)的光線。轉(zhuǎn)動(dòng)右側(cè)鋁管，開(kāi)始看不到鋁管內(nèi)有光線，當(dāng)右側(cè)鋁管也移到45°角處，便能看到右側(cè)鋁管內(nèi)的光線。改變?nèi)肷浣堑拇笮?，多做幾次?shí)驗(yàn)，便能得出“反射角等于入射角”這一結(jié)論。當(dāng)兩鋁管與法線的夾角相等時(shí)，先用激光筆從左側(cè)鋁管照射，可以觀察到右側(cè)鋁管內(nèi)的反射光線，再用激光從右側(cè)鋁管入射，在左側(cè)鋁管內(nèi)也能看到反射光線，說(shuō)明光反射時(shí)，光路是可逆的。

接下來(lái)觀察反射光線、入射光線、法線的關(guān)系，很容易發(fā)現(xiàn)兩條光線位于法線（豎直塑料桿）的兩側(cè)。

2.自制新型教具，研究光的折射規(guī)律

圖3是該教具的正面結(jié)構(gòu)圖：一個(gè)帶量角器的圓盤1，半圓形的玻璃磚2，激光器3，拉線4與5，磁片6，鐵桿7。其中，帶量角器的圓盤的圓心處有一轉(zhuǎn)軸，圓盤可繞轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。圓盤的背面貼有小磁片，半圓形的玻璃磚的背面貼有鐵片，使半圓形的玻璃磚能吸在圓盤上，調(diào)整玻璃磚的位置，可使圓形玻璃磚的圓心與圓盤的圓心共軸。在激光頭處安裝一個(gè)螺絲釘，將一棉線頭固定，棉線直接拉到轉(zhuǎn)軸并繞轉(zhuǎn)軸半圈拉出，在拉出的線端固定一小磁片，以便在鐵質(zhì)黑板上使用時(shí)，可以拉直棉線使之與光線重疊，便于觀察光路并記錄光路。在鐵桿下端固定一根棉線，線端系一個(gè)小磁片，可使該裝置在鐵質(zhì)黑板上使用時(shí)，通過(guò)棉線的拉力使之呈豎直狀態(tài)。

圖4是該教具的背面圖：圓盤1，小磁片2，轉(zhuǎn)軸3，鐵桿4，調(diào)節(jié)棉線5，螺絲釘6，固定激光器的彈性繩7，激光器8。鐵桿上的螺絲釘（它可調(diào)節(jié)棉線的松緊與棉線到鐵桿面上的距離，它可使棉線與光線達(dá)到重合）、固定激光器的橡皮繩（可起半固定作用，在必要時(shí)，可旋轉(zhuǎn)激光器，微調(diào)射出光的方向）。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，一手持住鐵桿，打開(kāi)激光器的開(kāi)關(guān)，激光沿棉線顯示入射光線，輕輕旋轉(zhuǎn)圓盤，使光線與圓盤上的某一處線條對(duì)齊，該線條處的數(shù)字即為入射角的度數(shù)，同時(shí)可看到在圓盤平面上的折射光線，根據(jù)光線所對(duì)應(yīng)的刻線處的數(shù)字，即可讀出折射角。同時(shí)還能看到較強(qiáng)的反射光線，如圖5所示。這樣很容易得出“三線共面”“兩線分居”的結(jié)論。

將該裝置直接貼在鐵質(zhì)黑板上，由于三個(gè)小磁片為強(qiáng)磁片，整個(gè)裝置就吸在黑板上，同時(shí)用鐵桿上的拉線及磁片將鐵桿固定在豎直方向。此時(shí)，打開(kāi)開(kāi)關(guān)，可看到入射光沿棉線方向豎直射出，旋轉(zhuǎn)圓盤，改變?nèi)肷浣堑亩葦?shù)，便可觀察折射角與反射角的大小，拉動(dòng)轉(zhuǎn)軸處的棉線，使它與折射光線或反射光線重合，并用線端的小磁片將棉線固定下來(lái)，沿棉線方向在黑板面上畫出入射光線、折射光線、反射光線，分析光路，總結(jié)“兩角關(guān)系”。

通過(guò)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的教學(xué)，一方面能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生感到很“新奇”;另一方面，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)與創(chuàng)新精神。教師長(zhǎng)期堅(jiān)持創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，學(xué)生便學(xué)會(huì)自己創(chuàng)新。創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)，是提升學(xué)生核心素養(yǎng)的一種有效教學(xué)方法，是教師研究的永恒課題。

在光學(xué)教學(xué)中，核心素養(yǎng)中的“物理觀念”可通過(guò)以講解為主的直觀教學(xué)來(lái)培養(yǎng)，而“科學(xué)思維”需要通過(guò)作圖訓(xùn)練、逆向思維訓(xùn)練、推導(dǎo)與演算、教具創(chuàng)新來(lái)培養(yǎng)。教具創(chuàng)新是提升學(xué)生“實(shí)驗(yàn)探究”素養(yǎng)的絕佳方法。當(dāng)然，教無(wú)定法，貴在得法，教學(xué)實(shí)踐中要不斷探索與創(chuàng)新，通過(guò)多種方法組合與優(yōu)化，力求達(dá)到最優(yōu)教學(xué)效果。

[? ?參? ?考? ?文? ?獻(xiàn)? ?]

[1]? 肖建華.學(xué)科核心素養(yǎng)導(dǎo)向的物理深度實(shí)驗(yàn)教學(xué)思考[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2017（11）：12-15.

[2]? 黃祥.高中物理教學(xué)中逆向思維能力培養(yǎng)的策略研究[D].貴陽(yáng)：貴州師范大學(xué)，2015.

[3]? 陳小平.創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，培養(yǎng)高中生的物理核心素養(yǎng)[J].課程教學(xué)研究，2016（10）：67-71.

[4]? 吳紅良.基于中小學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的教學(xué)探索：以機(jī)器人教學(xué)中的拆解與組合為例[J].基礎(chǔ)教育論壇，2015（25）：28-29.

（責(zé)任編輯 易志毅）