初中物理規(guī)律深度學(xué)習(xí)探討
——以“光的反射定律”為例

祁鳳虎

(江蘇省徐州經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)實驗學(xué)校，江蘇 徐州 221000)

深度學(xué)習(xí)是相對淺層學(xué)習(xí)而言的一種學(xué)習(xí)方式，初中物理規(guī)律的深度學(xué)習(xí)更注重規(guī)律形成過程和規(guī)律邏輯關(guān)系的理解，本文以蘇科版初中物理教材中“光的反射”教學(xué)為例，就如何分析教材、重整教材以及如何深度追問，分享筆者的思考。

1 研讀教材，發(fā)現(xiàn)問題

在當(dāng)前關(guān)注學(xué)生核心素養(yǎng)培養(yǎng)的背景下，我們的教材觀要有所轉(zhuǎn)變，要從“教教材”切換為“用教材教”，對于本節(jié)課的核心“探究光的反射規(guī)律”的處理，蘇科版教材的編寫思路符合學(xué)生思維邏輯發(fā)展的特點，先探究“線”的空間位置關(guān)系，然后再探究“角”的大小關(guān)系，但仔細(xì)分析教材的細(xì)節(jié)處理，發(fā)現(xiàn)還存在一些問題，具體為如下兩個方面。

1.1 關(guān)于三線共面

蘇科版教材關(guān)于這一內(nèi)容的處理是提供了如圖1所示的實驗方案。圖1中紙板可繞中央軸轉(zhuǎn)動，使用紙板的目的是除了顯示光路外，還說明三線共面。

圖1

實踐后發(fā)現(xiàn)該演示實驗光線的可見度不高，很難達(dá)到理想的效果，很多教師為了提高實驗可視度在激光筆前端綁上一個圓柱形玻璃棒，不過新的問題又隨之而來，當(dāng)紙板向前翻折時，由于光源的變化在紙板B上也會出現(xiàn)光束。

1.2 關(guān)于法線和兩角概念的提出

蘇科版教材采用信息快遞的方式給出了法線、入射角、反射角的概念。

筆者認(rèn)為把法線概念直接給學(xué)生，不利于后續(xù)對入射角、反射角的理解，總是會錯誤地認(rèn)為入射角(反射角)是入射光線(反射光線)與平面鏡鏡面的夾角。

2 優(yōu)化設(shè)計，深度學(xué)習(xí)

為了解決教材中出現(xiàn)的不足，促進(jìn)學(xué)生認(rèn)知深度發(fā)展，筆者認(rèn)為需要對教材進(jìn)行二次開發(fā)，讓光的反射規(guī)律直觀地呈現(xiàn)出來，培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)。

2.1 直觀全面呈現(xiàn)光的反射現(xiàn)象

不需要借助于圖1中的紙板，只需要關(guān)上窗簾，借助于水霧、煙等來顯示光路，或選擇大功率的激光筆作為光源直接在空氣中照射平面鏡，讓學(xué)生直觀地觀察到光的反射現(xiàn)象，當(dāng)一束入射光斜射到平面鏡上，只有一束特定方向的反射光，當(dāng)轉(zhuǎn)動激光筆改變?nèi)肷涔獾慕嵌龋l(fā)現(xiàn)反射光的角度也隨之而發(fā)生改變。

2.2 借助“細(xì)線”固化光路

為了便于量化研究，筆者選擇如圖2裝置進(jìn)行實驗。

圖2

(1) 實驗器材：鐵架臺2個(圖中標(biāo)1)、大功率激光筆(圖中標(biāo)2)、強(qiáng)磁鐵2個(圖中標(biāo)3)、平面鏡(圖中標(biāo)4)、透明塑料板(圖中標(biāo)5)、細(xì)線(圖中標(biāo)6)、具有一定厚度的長方體盒子、小螺帽、記號筆、夾子若干。

(2) 實驗步驟：① 將強(qiáng)磁鐵放在平面鏡下， 并用記號筆在鏡面上標(biāo)注強(qiáng)磁鐵所放位置(“位置1”)，該點作為入射點；② 調(diào)整激光筆使入射光打在入射點，可以觀察到在透明塑料板上出現(xiàn)一個光斑，并用記號筆記錄光斑的位置(“位置2”)，在該位置放一強(qiáng)磁鐵；在細(xì)線上穿2個小的鐵螺帽，一端固定在激光筆頭部，一個螺帽吸在“位置1”，另一個螺帽吸在“位置2”，使細(xì)線繃直(因為光在同一種均勻介質(zhì)中沿直線傳播)，則入射光線、反射光線、入射點就被記錄下來了。

2.3 定性探究共面

將光線“固定”后，如何探究入射光、反射光與平面鏡之間的空間位置關(guān)系？

借助于有一定厚度的長方體盒子來進(jìn)行定性分析，當(dāng)線固定好后，細(xì)線與盒子的側(cè)面完全貼合時，可以發(fā)現(xiàn)盒子的底部也與平面鏡完全貼合，由此可得出結(jié)論入射光線與反射光線共面，且“兩線”所在的平面垂直于平面鏡所在平面，用量角器可以量出兩根細(xì)線與平面鏡的夾角相等，為后面引出“法線”“反射角等于入射角”打下基礎(chǔ)。定性探究“共面”的意義，可以在引入“法線概念”、總結(jié)出規(guī)律后引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行反證，加深對“三線共面”的理解。

2.4 引出“法線”，總結(jié)規(guī)律

教材中對于“法線”的引入比較突然，不利于學(xué)生深入認(rèn)識規(guī)律，因為就平面鏡而言似乎不引入法線也能夠解釋光的反射現(xiàn)象。從深度學(xué)習(xí)的視角，筆者認(rèn)為有必要讓學(xué)生認(rèn)識到引入“法線”對規(guī)律表征的重要性。

(1) 在引入“法線”的概念之前，描述入射光線和反射光線的關(guān)系比較冗長，相比于兩線所在平面與鏡面垂直而言，引入“法線”后，“三線共面”“入射光線、反射光線位于法線兩側(cè)”的描述要簡潔很多。

(2) 在引入“法線”的概念之前，入射角和反射角也可以定義，則需要將其定義為上文中提到的光線與鏡面(界面)的夾角，對于平面鏡似乎也不是太難理解，但是后續(xù)學(xué)習(xí)我們會遇到曲面鏡，倘若如此定義，則入射角、反射角不容易測量，理解上也存在較大的難度，引入“法線”后，“反射角等于入射角”的描述要準(zhǔn)確很多。

(3) 引入“法線”概念不僅僅是為了表述光的反射規(guī)律，也是為后續(xù)學(xué)習(xí)光的折射、定義折射角以及表述光的折射規(guī)律打下基礎(chǔ)。

為了消除課堂引入“法線”的頓挫感，使學(xué)生更好地理解“三線”位置，感受到物理規(guī)律的簡潔美，筆者設(shè)置了如下問題，將學(xué)生的思維引向深入。

問題1：通過前面的實驗，我們記錄了入射光線、反射光線、入射點，還用量角器進(jìn)行了測量，發(fā)現(xiàn)兩根細(xì)線與平面鏡的夾角相等，從空間上看，入射光線與反射光線有著怎樣的關(guān)系？請用簡潔的語言描述。

設(shè)計意圖：放手讓學(xué)生自由描述，最終鎖定“軸對稱”，引出“法線”的概念。

問題2：“法線”真實存在嗎？

分析：法線是過入射點畫出的垂直于鏡面的直線，實際不存在。

問題3：既然不存在，那我們引入這樣一個概念的意義是什么?

設(shè)計意圖：引導(dǎo)學(xué)生從引入“法線”前后對光的反射的描述，自己總結(jié)出“反射光線、入射光線與法線在同一平面內(nèi)”“反射光線與入射光線分居法線兩側(cè)”“反射角等于入射角”的結(jié)論，切身感受在引入“法線”后規(guī)律描述的準(zhǔn)確性和簡潔美。也可以結(jié)合學(xué)生的回答，進(jìn)行必要的追問與提示，促進(jìn)學(xué)生對反射定律的內(nèi)化。

3 追問反思，深入理解

物理規(guī)律的多種表征方式都是非常嚴(yán)謹(jǐn)和準(zhǔn)確的，筆者在進(jìn)行光的反射教學(xué)時發(fā)現(xiàn)總有學(xué)生會提問：為什么不能描述為“入射角等于反射角”？這的確是一個值得思考的問題，如果我們從數(shù)學(xué)的視角去思考，或是從光路的可逆性角度思考，描述為“入射角等于反射角”也未嘗不可，但是如果教師在備課的過程中不加以反思，僅僅是在課堂上強(qiáng)調(diào)這里只能說成“反射角等于入射角”，則太過于武斷，學(xué)生很難感受到規(guī)律中所蘊(yùn)含的邏輯關(guān)系，甚至很可能會將學(xué)生帶入歧途。

為了給學(xué)生解釋這個問題，筆者查閱了人教版高中物理3-4的教材，也在知網(wǎng)上查閱了相關(guān)文獻(xiàn)。反射角等于入射角的描述當(dāng)然符合邏輯，同時也反映了兩者的因果關(guān)系，但是并非僅僅是這些原因才導(dǎo)致了規(guī)律只能描述成“反射角等于入射角”，在自然界中存在入射光、卻沒有反射光的現(xiàn)象，這也是反射定律在該處描述成“反射角等于入射角”的原因之一。

那么，在哪些情況下有可能不存在“反射光線”呢？筆者認(rèn)為雖然是在初中階段，適當(dāng)?shù)亟o有認(rèn)知需求的學(xué)生舉出實例，進(jìn)行知識的拓展，有助于學(xué)生深入理解規(guī)律，感受科學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)性，促進(jìn)物理觀念的形成，不存在“反射光線”的情況可以給學(xué)生拓展性介紹如下兩種情況：

(1) 光的偏振現(xiàn)象，有條件的話可以和學(xué)生一起做實驗，演示線偏振光以布儒斯特角入射時沒有反射現(xiàn)象的情形(如圖3)，感受反射光消失的實驗過程，體驗初中物理教材對光的反射規(guī)律的準(zhǔn)確性。

圖3

(2) 將人教版高中物理3-5教材中關(guān)于“黑體”的材料介紹給相關(guān)學(xué)生閱讀，讓學(xué)生認(rèn)識到當(dāng)光入射到絕對黑體表面時會被全部吸收，這時只有入射光而沒有反射光。

上述兩種存在入射光而沒有反射光的情形雖然在初中階段沒有辦法向?qū)W生進(jìn)行準(zhǔn)確的解釋，但是這種上位銜接式教學(xué)有助于學(xué)生在第一次接觸物理規(guī)律時就有正確的認(rèn)識，有效發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。

夸美紐斯在《大教學(xué)論》中寫道：“一切都是從感官開始的?！鄙疃葘W(xué)習(xí)也應(yīng)該建立在學(xué)生感官感知的基礎(chǔ)之上，我們初中教師應(yīng)該盡可能地給學(xué)生提供可以直接感知的現(xiàn)象，讓物理規(guī)律的探究變得更為直觀，在一系列的可視化情境中進(jìn)行探究活動，培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維，從一個個具象化的現(xiàn)象中抽象、概括出簡潔、準(zhǔn)確的規(guī)律，適當(dāng)質(zhì)疑與反思規(guī)律描述的邏輯性，幫助學(xué)生深入學(xué)習(xí)，逐步建立深刻的理性認(rèn)知。