初中物理教學(xué)中的項(xiàng)目開發(fā)與實(shí)踐
——以“光學(xué)與應(yīng)用”的拓展教學(xué)為例

朱 紅

(江蘇省南菁高級(jí)中學(xué)實(shí)驗(yàn)學(xué)校教育集團(tuán)暨陽(yáng)校區(qū),江蘇 無錫 214400)

學(xué)生在初中物理學(xué)習(xí)中的常見困難在于缺乏日常生活經(jīng)驗(yàn)、將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用于生活中的能力,而校本化的拓展課程作為國(guó)家課程的有益補(bǔ)充,能夠滿足學(xué)生個(gè)性化的學(xué)習(xí)需求。教師通過精心設(shè)計(jì)項(xiàng)目活動(dòng),使學(xué)生在完成項(xiàng)目任務(wù)的過程中深度體驗(yàn)物理學(xué)習(xí)的方式,感受物理觀念的生發(fā)過程,在調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性的同時(shí),完善其知識(shí)體系,拓寬視野,以形成有利于學(xué)生個(gè)人終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展所需的必備品格和關(guān)鍵能力。

本文以初中“光學(xué)與應(yīng)用”的拓展教學(xué)實(shí)踐為例, 采用如圖1所示的教學(xué)流程，探討在拓展課程中培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的思路和具體方法。

1 情境引入,確立項(xiàng)目主題

項(xiàng)目活動(dòng)1:抬頭顯示器的原理探討

情境：在現(xiàn)實(shí)生活中,駕駛員由于在駕車時(shí)低頭觀察汽車儀表,往往會(huì)忽略路況,容易造成交通事故。為此汽車廠商開發(fā)出一種抬頭顯示器：汽車儀表安裝在駕駛臺(tái)上,顯示面水平朝上,駕駛員可以做到不低頭、不轉(zhuǎn)頭就能借助透明擋風(fēng)玻璃看到豎直顯示的儀表的像。如果你是汽車設(shè)計(jì)師,為了實(shí)現(xiàn)這一要求,擋風(fēng)玻璃應(yīng)該如何放置?

討論與分析：汽車前擋風(fēng)玻璃可視為平面鏡,由于汽車儀表水平放置,要讓汽車儀表與所成的像垂直,解決方案是讓擋風(fēng)玻璃與水平面的夾角接近45°。教師對(duì)學(xué)生的合理想法給予積極評(píng)價(jià),引出本次物理拓展課的主題：光學(xué)與應(yīng)用。

評(píng)價(jià)與反思：學(xué)生對(duì)所學(xué)材料產(chǎn)生濃厚興趣后，可以增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的動(dòng)力。高效的教學(xué)活動(dòng)應(yīng)從精彩的引入開始，在活動(dòng)伊始教師為學(xué)生提供了一個(gè)來源于生活的問題,給學(xué)生耳目一新之感,學(xué)生提出了有創(chuàng)意的思路,既復(fù)習(xí)了平面鏡成像的知識(shí),又激發(fā)了興趣,產(chǎn)生了主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極愿望。學(xué)生從中體會(huì)到學(xué)以致用的樂趣,深刻認(rèn)識(shí)到科學(xué)技術(shù)對(duì)人類社會(huì)進(jìn)步的重要作用,樹立科學(xué)態(tài)度。

2 動(dòng)手操作,體驗(yàn)物理觀念的形成過程

項(xiàng)目活動(dòng)2:水膜透鏡的制作與應(yīng)用

2.1 制作水膜透鏡

準(zhǔn)備一根玻璃棒,將鐵絲緊密纏繞在棒上,制成一個(gè)內(nèi)徑約為4mm的圓環(huán)，將圓環(huán)浸沒在清水中后馬上取出,圓環(huán)內(nèi)會(huì)形成一層水膜。

2.2 觀察水膜透鏡

將水膜透鏡貼近課本,透過水膜透鏡觀察書上的字。輕輕甩去一點(diǎn)水膜中的水,注意保持水膜完好,再用水膜透鏡貼近課本,再次透過水膜透鏡觀察書上的字。教師要求學(xué)生將兩次觀察到的現(xiàn)象分別記錄下來,并嘗試進(jìn)行解釋。

2.3 比較水膜透鏡和膠水膜透鏡

將圓環(huán)在膠水中浸一下后取出,形成膠水膜。將水膜透鏡和膠水膜透鏡分別貼近課本,且使這兩透鏡與課本的距離相同,發(fā)現(xiàn)透過膠水膜觀察到的正立的字更大一些,要求學(xué)生嘗試解釋其中的原因。

評(píng)價(jià)與反思：南京師范大學(xué)劉炳昇教授說過：“物理小制作可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)；拓寬感知渠道,強(qiáng)化有用信息；突出本質(zhì)因素,促進(jìn)理性升華。”水膜透鏡的制作材料來源于日常生活用品,取材方便,制作簡(jiǎn)單,學(xué)生容易獲得成功。學(xué)生通過制作水膜透鏡并進(jìn)行觀察,可以理解透鏡知識(shí)在實(shí)際生活中的應(yīng)用。學(xué)生通過深度思考,比較通過兩種透鏡所觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,能夠感悟到：膠水比清水對(duì)光的折射程度更大,從而自然想到要制成放大倍數(shù)更大的放大鏡,可以采用對(duì)光的折射程度更大的材料,從而在活動(dòng)中加深了對(duì)光的折射、透鏡成像等知識(shí)的理解。學(xué)生在應(yīng)用物理知識(shí)的過程中,強(qiáng)化了物理觀念,并內(nèi)化為解決實(shí)際問題的實(shí)踐能力。

3 經(jīng)歷實(shí)驗(yàn),培養(yǎng)探究能力

項(xiàng)目活動(dòng)3:全反射的應(yīng)用——光導(dǎo)纖維

3.1 認(rèn)識(shí)全反射現(xiàn)象

教師提出問題:光從水中斜射入空氣中時(shí),在分界面處會(huì)同時(shí)發(fā)生反射和折射。不斷增大入射角,若入射角增大到一定程度,會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象？

學(xué)生猜想與假設(shè):當(dāng)光從水中斜射入空氣中時(shí),折射角隨著入射角的增大而增大,由于折射角大于入射角,折射角會(huì)比入射角先達(dá)到90°。若繼續(xù)增大入射角,折射光會(huì)看不到。

設(shè)計(jì)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn):如圖2所示，學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)器材,將激光筆射出的光束從水中斜射入空氣中,不斷增大入射角,觀察所看到的現(xiàn)象。

圖2

分析論證:光從水中斜射入空氣中時(shí),當(dāng)入射角增大到一定程度時(shí),反射現(xiàn)象能夠存在而折射現(xiàn)象消失。

引出全反射概念：光從折光能力較強(qiáng)的介質(zhì)進(jìn)入到折光能力較弱的介質(zhì)時(shí),當(dāng)入射角大于某一角度(臨界角)時(shí),折射光線會(huì)消失。

3.2 演示實(shí)驗(yàn)：會(huì)拐彎的光

展示自制的教具：將一直徑約1cm粗的吸管剪成3cm長(zhǎng),用剪刀在靠近大號(hào)可樂瓶底部處開一個(gè)小孔,小孔的大小與吸管粗細(xì)差不多相同,將吸管插入小孔中并露出約2cm長(zhǎng)，使吸管水平放置,吸管和可樂瓶用膠水粘牢。

將可樂瓶裝滿水,擰緊瓶蓋。將綠色激光筆用鐵架臺(tái)固定好放在小孔的另一側(cè)并正對(duì)小孔,調(diào)整好角度,使激光能夠透過可樂瓶穿過吸管,在教室的白墻上可以看到光斑。擰開可樂瓶蓋子,水從小孔流出,發(fā)現(xiàn)墻上的光斑消失了,同時(shí)水流變綠了,光線沿著水流傳播。隨著可樂瓶中的水逐漸變少,水流中的光線隨著水流不斷移動(dòng)(如圖3)。請(qǐng)一位學(xué)生走上講臺(tái),把手?jǐn)傞_放在吸管下方,使水流到學(xué)生的手心,可以發(fā)現(xiàn)手心處有光斑，教師用手機(jī)將該光斑拍下來,利用希沃授課助手軟件投影出來(如圖4)。

圖3

圖4

課堂內(nèi)學(xué)生學(xué)習(xí)氣氛高漲,教師引導(dǎo)學(xué)生分析流水中光線彎曲的原因：水流中的激光在水與空氣的交界面處不斷發(fā)生全反射,從而使得光線不斷拐彎前行。

3.3 全反射的應(yīng)用：光導(dǎo)纖維

如圖5所示，把某種介質(zhì)做成細(xì)絲,使光以一定角度從細(xì)絲的一端射入,光可以在細(xì)絲中不斷地發(fā)生全反射而前行,最終從細(xì)絲的另一端射出,光導(dǎo)纖維就是根據(jù)這一原理制成的。將光導(dǎo)纖維制成光纜，可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信，醫(yī)學(xué)上用光導(dǎo)纖維制造出了用來觀察人體內(nèi)臟的內(nèi)窺鏡。

圖5

反思與評(píng)價(jià)：《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2011年版)》指出：“通過科學(xué)探究,使學(xué)生經(jīng)歷基本的科學(xué)探究過程,學(xué)習(xí)科學(xué)探究方法,發(fā)展初步的科學(xué)探究能力,形成尊重事實(shí)、探索真理的科學(xué)態(tài)度?！痹谖锢斫虒W(xué)中突出探究活動(dòng),可以有效保持學(xué)生的好奇心,激發(fā)他們的求知欲,使學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)研究的樂趣,領(lǐng)悟科學(xué)思想。在本活動(dòng)中,學(xué)生先通過探究活動(dòng)認(rèn)識(shí)全反射現(xiàn)象,再通過觀察、實(shí)驗(yàn)進(jìn)行鞏固,在頭腦中建立了豐富的感性認(rèn)識(shí),然后學(xué)習(xí)全反射在實(shí)際中的應(yīng)用(光導(dǎo)纖維),整個(gè)活動(dòng)過程環(huán)環(huán)相扣,思維難度層層遞進(jìn),學(xué)生的學(xué)習(xí)潛能得到了發(fā)揮。最后教師向?qū)W生介紹光導(dǎo)纖維在醫(yī)學(xué)、通信等方面的應(yīng)用,有利于學(xué)生關(guān)注科學(xué)技術(shù)的新進(jìn)展,符合課程標(biāo)準(zhǔn)所提倡的“關(guān)注科技發(fā)展的動(dòng)態(tài),關(guān)注技術(shù)應(yīng)用帶來的社會(huì)進(jìn)步和問題,樹立正確的科學(xué)觀”的要求,這對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)具有重要的作用。

4 利用趣味實(shí)驗(yàn),提高學(xué)生的科學(xué)思維能力

項(xiàng)目活動(dòng)4:消失的小貓咪

為每組分發(fā)一個(gè)裝二英寸照片的白色透明小塑料袋,用黑色油性筆在一張小紙片上畫上可愛的小貓咪圖,將小紙片放入小塑料袋,再用記號(hào)筆在塑料袋外表面畫一個(gè)比小貓咪圖大的黑框。在燒杯中裝適量的水,將塑料袋浸入水中,注意不要讓水進(jìn)入塑料袋內(nèi)，如圖6所示，人眼在水面上方看水中的塑料袋,發(fā)現(xiàn)只能看到黑框,黑框里的小貓咪“消失”了。

圖6

理論分析與建模：人眼之所以能看到一個(gè)本身不發(fā)光的物體,是由于在物體表面反射的光線射入人眼。如圖7所示,設(shè)點(diǎn)S1為塑料袋表面黑框上的點(diǎn),來自點(diǎn)S1的光從水中斜射入空氣,入射角∠1較小且小于臨界角,因此在水和空氣的分界面處不會(huì)發(fā)生全反射,折射光可以射入人眼,因此人眼就能看到水中塑料袋表面的黑框。如圖8所示,設(shè)點(diǎn)S2為小貓咪圖上的點(diǎn),袋內(nèi)紙片周圍存在空氣,來自點(diǎn)S2的光先由空氣斜射入水中,折射角∠3小于入射角∠2,折射光線向法線偏折。射到水中的光再向空氣中斜射時(shí),入射角∠4較大,當(dāng)∠4大于等于臨界角時(shí),發(fā)生全反射,因此人眼就不能看到水中塑料袋內(nèi)的小貓咪。

圖7

圖8

反思與評(píng)價(jià)：該實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單、趣味性強(qiáng),能夠活躍學(xué)習(xí)氣氛,增強(qiáng)學(xué)生的活動(dòng)體驗(yàn)。在“消失的小貓咪”實(shí)驗(yàn)中,學(xué)生從水面上方觀察水中的塑料袋,會(huì)看到奇妙的現(xiàn)象：“只見框、不見貓”,大大出乎學(xué)生的意料。意外中蘊(yùn)涵著教學(xué)良機(jī),教師因勢(shì)利導(dǎo),化意外為契機(jī),運(yùn)用全反射、光的折射等知識(shí)深刻剖析其中所蘊(yùn)含的物理原理,可以達(dá)到深度學(xué)習(xí)的目的,學(xué)生的科學(xué)思維能力也得到了提升。

將項(xiàng)目學(xué)習(xí)策略應(yīng)用到物理拓展課程教學(xué)中,可以提高學(xué)生參與的熱情,拓寬學(xué)生的視野,促進(jìn)學(xué)生的思維向獨(dú)特性、靈活性和深刻性等方面發(fā)展。學(xué)生在活動(dòng)中增強(qiáng)了學(xué)習(xí)的主動(dòng)性與實(shí)踐性,自身核心素養(yǎng)也得到了全面發(fā)展。