巧設(shè)實(shí)驗(yàn)悖論,踐行意義學(xué)習(xí)
——關(guān)于多元化透鏡規(guī)律教學(xué)的思考

李玉蘭 劉永飛 張麗萍

(1. 石家莊市第四十二中學(xué)，河北 石家莊 050024； 2. 河北師范大學(xué)物理科學(xué)與信息工程學(xué)院，河北 石家莊 050024)

學(xué)習(xí)始于感官感知,實(shí)驗(yàn)在學(xué)習(xí)過程中舉足輕重．本文以學(xué)生前概念為源頭,通過設(shè)計與認(rèn)知相悖的實(shí)驗(yàn),以求喚醒學(xué)生探究欲望、增加思維含量、生成意義課堂．謹(jǐn)以人教版“透鏡”一節(jié)闡釋．

1 理解實(shí)驗(yàn)悖論:透鏡折射作用的本質(zhì)建構(gòu)

1.1 營造沖突,激發(fā)探求動機(jī)

關(guān)于透鏡對光的作用,教材中通過以下2個演示實(shí)驗(yàn)得到結(jié)論:凸透鏡對光有會聚作用,凹透鏡對光有發(fā)散作用．

圖1 凸透鏡對光的會聚作用

圖2 凹透鏡對光的發(fā)散作用

對學(xué)生而言,頭腦中浮現(xiàn)并堅信這一經(jīng)驗(yàn)性認(rèn)識,它即刻成為學(xué)生腦中的表層前認(rèn)知,對教師來說,這看上去的“直白與明了”卻為后續(xù)準(zhǔn)確理解該規(guī)律本質(zhì)埋下了認(rèn)知沖突的引線．

教師將本環(huán)節(jié)教材規(guī)律的含義表面化,并有意忽略會聚(發(fā)散)作用和會聚(發(fā)散)光線的區(qū)別,為隨后“意外”實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象造勢,從而有效激發(fā)學(xué)生認(rèn)知沖突．

課堂上教師引導(dǎo)學(xué)生觀察透鏡對任意光線作用的結(jié)果時,學(xué)生對現(xiàn)象的預(yù)設(shè)必然統(tǒng)一于教材的權(quán)威定義．通過實(shí)驗(yàn)事實(shí)巧妙營造的相悖情境,暴露了學(xué)生錯誤的推理結(jié)論,激發(fā)了認(rèn)知沖突,得以有效聚合學(xué)生注意,實(shí)現(xiàn)靶向目標(biāo)問題解決．

(1) 讓發(fā)散的三束光分別射向凸透鏡,觀察光通過透鏡后的偏折方向(圖3)．

(2) 讓會聚的三束光分別射向凹透鏡,觀察光通過透鏡后的偏折方向(圖4)．

圖3 發(fā)散光線通過凸透鏡

圖4 會聚光線通過凹透鏡

學(xué)生詫異地發(fā)現(xiàn)經(jīng)過凸透鏡的光束發(fā)散,經(jīng)過凹透鏡的光束會聚．實(shí)驗(yàn)事實(shí)給予學(xué)生強(qiáng)烈的認(rèn)知沖突,引發(fā)其探求知識的積極思維,為理論分析高效助力．

1.2 關(guān)聯(lián)理論,優(yōu)化知識結(jié)構(gòu)

圖5 凹透鏡簡化模型

借助學(xué)生腦中普遍產(chǎn)生的積極情緒,教師順勢引導(dǎo)其認(rèn)知走向深刻．透過現(xiàn)象分析本質(zhì),從規(guī)律根源處將難點(diǎn)突破,由現(xiàn)象關(guān)聯(lián)理論,實(shí)現(xiàn)知識的結(jié)構(gòu)化．

如圖5所示,以凹透鏡為例,教師引導(dǎo)學(xué)生對凹透鏡建模,將其模型化為兩塊梯形棱鏡和一塊方磚．如圖6、7,運(yùn)用折射規(guī)律畫出折射路徑,學(xué)生自然領(lǐng)會所謂發(fā)散,實(shí)指光線相對入射光線發(fā)生外向于主光軸的偏折,此時教師點(diǎn)出發(fā)散作用中“作用”二字的本意,厘清規(guī)律本質(zhì),改變學(xué)生頭腦中將規(guī)律誤解為發(fā)散結(jié)果的前認(rèn)知．

圖6 光線在凹透鏡上部分的折射路徑

以上教學(xué)流程,不僅激發(fā)了學(xué)生運(yùn)用知識的樂趣,貫徹由生活走向物理教學(xué)理念,也引導(dǎo)學(xué)生思維向深刻性發(fā)展,為后續(xù)教學(xué)思路立標(biāo)定向．

實(shí)驗(yàn)的改進(jìn),既幫助學(xué)生理解上述結(jié)論,也使其領(lǐng)悟了會聚作用與會聚光線、發(fā)散作用與發(fā)散光線之不同,以及從現(xiàn)象到理論建構(gòu)“作用”二字的深刻含義．

實(shí)驗(yàn)飽含值得深度挖掘的思維材料,借助實(shí)驗(yàn)教學(xué)能有效拓展學(xué)生思維,教師適時引導(dǎo),能幫助學(xué)生多維度建構(gòu)物理知識和實(shí)驗(yàn)方法．

下文將以透鏡實(shí)驗(yàn)為例,基于學(xué)生已有經(jīng)驗(yàn),具體闡述促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)的教學(xué)實(shí)施．

圖8 光線射向凹透鏡上下表現(xiàn)

2 規(guī)律實(shí)驗(yàn)悖論:透鏡會聚結(jié)果的可視探究

2.1 細(xì)究反常,再啟思維高潮

透鏡是折射規(guī)律的應(yīng)用,在分析透鏡折射原理時,以實(shí)驗(yàn)激發(fā)認(rèn)知沖突引出隱含規(guī)律,并建構(gòu)全反射概念．

如圖8,此實(shí)驗(yàn)中的光束1、2由空氣射入玻璃,折射光分別射在凹透鏡的上下兩面上,光束3、4是經(jīng)上、下表面反射,進(jìn)而由玻璃射向空氣折射后的光束．新的問題再次激發(fā)學(xué)生認(rèn)知沖突.

何以入射光線未發(fā)生外向于主光軸的偏折?進(jìn)而激發(fā)學(xué)生探究欲望．

學(xué)生積極融入課堂,物理課堂教學(xué)的生命力即刻顯化,教師只需順勢點(diǎn)撥,即可助其思維深化和升華．

2.2 強(qiáng)化意義,探尋規(guī)律本質(zhì)

為保證光路清晰可見,課堂演示可利用光子打到顆粒狀煙霧上發(fā)生散射的現(xiàn)象,采用示蹤法呈現(xiàn)光路．教師于透明的封閉盒中進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn),點(diǎn)燃熏香后,便清晰立體的顯現(xiàn)出了光束行進(jìn)的路徑．

將入射光射向透鏡上表面,出現(xiàn)圖9現(xiàn)象．隨著光束入射角度的變化,光束6、7的亮度隨之發(fā)生變化,變換至圖10時,折射光束7已不存在,而光束6則變亮．此時入射光由空氣射入玻璃后的折射光射在上表面并被全部反射,反射光又于玻璃射向空氣時發(fā)生折射,就出現(xiàn)了圖10的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象．

圖9 光線在凹透鏡上表面發(fā)生反射與折射

光從一種透明介質(zhì)斜射入另一透明介質(zhì)時一般會發(fā)生折射．當(dāng)光從光密介質(zhì)斜射向光疏介質(zhì),入射角超過某一角度C(臨界角)時,就不再發(fā)生折射,出現(xiàn)全反射現(xiàn)象．

3 現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)悖論:透鏡反射規(guī)律的意義深化

3.1 深挖現(xiàn)象,擴(kuò)展思維方向

教材中選用入射面為平面的透鏡,目的是光線平行于主光軸(即垂直于入射面)入射,反射光線與入射光線重合,學(xué)生觀察不到反射光線,回避了在學(xué)習(xí)透鏡時再解釋反射的問題．但細(xì)心觀察的學(xué)生會發(fā)現(xiàn)折射光線比入射光線暗,由此可見,問題非回避而自解．相反,如果學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中能看到反射光線,光學(xué)的很多規(guī)律便可全盤激活,學(xué)生對透鏡的認(rèn)知也會更加全面且系統(tǒng)．

實(shí)際教學(xué)中我們常采用標(biāo)準(zhǔn)透鏡演示,仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn),凹透鏡左側(cè)可見反射光線會聚于一點(diǎn)(圖11);凸透鏡左側(cè)可見反射光線反向延長線亦會聚于一點(diǎn)(圖12)．

圖11 光線在凹透鏡在側(cè)的會聚現(xiàn)象

圖12 光線在凸透鏡在側(cè)的發(fā)散現(xiàn)象

3.2 嫁接前知,整合透鏡知識

對以上出現(xiàn)的現(xiàn)象,教師可借勢引導(dǎo)學(xué)生由表象走向理論,如圖13、14,將凹面鏡、凸面鏡知識進(jìn)行回顧并應(yīng)用其闡釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象．

圖13 凹面鏡對光線的作用

4 教學(xué)啟示

4.1 營造沖突,調(diào)動積極情緒

感性材料是思維活動的源泉和依據(jù),各種類型的物理實(shí)驗(yàn),形象直觀地展示了物理規(guī)律支配現(xiàn)象的輪廓,為學(xué)生學(xué)習(xí)提供了豐富的感性材料．

由實(shí)驗(yàn)直接展示問題結(jié)論,對學(xué)生的求知欲具有抑制作用．教學(xué)中教師轉(zhuǎn)換策略,巧設(shè)悖論制造懸念,喚醒學(xué)生求知激情．

4.2 鋪展思維,落實(shí)意義學(xué)習(xí)

現(xiàn)實(shí)中,課堂上的實(shí)驗(yàn)行為大多被同化,演示更多是對教材既定內(nèi)容的“照搬”或“比貓畫虎”式驗(yàn)證,達(dá)不到激發(fā)學(xué)生興趣面、建構(gòu)知識體之新課程理念．

事實(shí)上,放大實(shí)驗(yàn)教學(xué),兼并課后實(shí)驗(yàn)、仿真實(shí)驗(yàn),挖掘?qū)W生盡可能多的興趣學(xué)習(xí)空間,引導(dǎo)其深度學(xué)習(xí)、重度思考,在激活探究和思維能力的同時實(shí)現(xiàn)意義學(xué)習(xí)．