“光的反射”中“法線”概念建構(gòu)方法的再思考

摘 要：美國著名學(xué)者本尼迪克特·安德森認(rèn)為探究式教學(xué)的本質(zhì)是：“不直接把構(gòu)成教學(xué)目標(biāo)的有關(guān)概念和認(rèn)知策略告訴學(xué)生，取而代之的是教師創(chuàng)設(shè)一種智力和社會交往的環(huán)境，讓學(xué)生通過探索發(fā)現(xiàn)有利于開展這種探索的學(xué)科內(nèi)容要素和認(rèn)知策略.”

物理學(xué)科中對于物理概念和物理知識的教學(xué)，教師不能簡單地直接灌輸給學(xué)生，使學(xué)生被動接受，而應(yīng)遵循學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，在學(xué)生已有的知識基礎(chǔ)之上結(jié)合實驗觀察和分析進(jìn)行科學(xué)合理的建構(gòu).

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng);傳統(tǒng)教學(xué)設(shè)計;創(chuàng)新教學(xué)設(shè)計;法線;建構(gòu)

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）06-0032-03

作者簡介：戴克軍（1971-），男，江蘇鎮(zhèn)江人，本科，中學(xué)高級教師，研究方向：中學(xué)物理教育.

美國著名學(xué)者本尼迪克特·安德森認(rèn)為探究式教學(xué)的本質(zhì)是：“不直接把構(gòu)成教學(xué)目標(biāo)的有關(guān)概念和認(rèn)知策略告訴學(xué)生，取而代之的是教師創(chuàng)設(shè)一種智力和社會交往的環(huán)境，讓學(xué)生通過探索發(fā)現(xiàn)有利于開展這種探索的學(xué)科內(nèi)容要素和認(rèn)知策略.”

物理學(xué)科中對于物理概念和物理知識的教學(xué)，教師不能單一地直接灌輸給學(xué)生，這樣只會迫使他們被動接受，而應(yīng)遵循學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，在學(xué)生已有知識的基礎(chǔ)之上結(jié)合實驗的觀察和分析進(jìn)行科學(xué)合理的建構(gòu).

光的反射定律是光學(xué)中的重要定律，是理解平面鏡、球面鏡作用的重要基礎(chǔ).所以蘇科版物理八年級上冊第三章第5節(jié)“光的反射”這一節(jié)的重點內(nèi)容就是探究光的反射定律，而光的反射定律是：“反射光線、入射光線和法線在同一平面內(nèi);反射光線和入射光線分居于法線兩側(cè);反射角等于入射角.”而這三個規(guī)律中都離不開“一條線”，即“法線”.一旦構(gòu)建并引入“法線”的概念后，學(xué)生對“反射光線和入射光線分別位于法線兩側(cè);反射角等于入射角”這兩個規(guī)律的探究難度并不大，但是“法線”的概念如何建構(gòu)呢？

傳統(tǒng)的教學(xué)方法往往是將物理概念直接引出，淡化對物理規(guī)律的探索過程，而探究式的教學(xué)則是注重物理概念的建構(gòu)，并且重視物理規(guī)律的探究過程.下面筆者就平時教學(xué)中對“法線”概念建構(gòu)的常見教學(xué)設(shè)計和在實際教學(xué)中對“法線”概念建構(gòu)的創(chuàng)新教學(xué)設(shè)計進(jìn)行淺顯的分析，供同行們交流討論.

1 “法線”構(gòu)建的常見教學(xué)設(shè)計

1.1 直接定義法

這種傳統(tǒng)的教學(xué)設(shè)計是在介紹了“入射光線”“反射光線”和“入射點”等相關(guān)術(shù)語后，以“信息快遞”的方式直接引入“法線”的概念（如圖1所示），至于為什么要這樣引入？對其思考不夠，其中也就談不上對“法線”概念的構(gòu)建.

1.2 實驗觀察法

在這種教學(xué)設(shè)計中，教師進(jìn)行實驗演示，并指導(dǎo)學(xué)生觀察實驗現(xiàn)象，同時教師通過問題引導(dǎo)，讓學(xué)生體驗和經(jīng)歷“法線”的建構(gòu)過程，下面是該設(shè)計中對“法線”概念建構(gòu)的教學(xué)過程.

教師：用加濕器在講臺周圍制成水霧，接著再用紅光激光筆向平面鏡上某一點（O）射出一束入射光線，并讓學(xué)生觀察反射光線的位置，接著教師再保持平面鏡位置不變，將入射光線繞鏡面上同一個入射點（O）并在同一平面內(nèi)逐漸向鏡面靠近，讓學(xué)生再觀察對應(yīng)反射光線的位置（如圖2所示），并思考反射光線和入射光線的位置是相對于哪一條線有規(guī)律分布的.

學(xué)生：猜想（略）.

教師：此時再用綠光激光筆垂直鏡面射向該入射點（O），并保持綠光和平面鏡的位置不變（如圖3所示），將入射光繞鏡面上固定的入射點（O），并在同一平面內(nèi)逐漸向鏡面靠近.與此同時再讓學(xué)生觀察反射光和入射光的位置，是否相對該綠光激光筆所照射的這條光線有規(guī)律的分布？由此引出“法線”的概念，即“過入射點并垂直于鏡面的直線叫作法線”.

這種建構(gòu)“法線”概念的設(shè)計方法與第一種直接定義“法線”概念相比確實有了較大的改進(jìn)，它是通過教師的實驗演示，并讓學(xué)生觀察反射光的位置，在教師的逐步引導(dǎo)下建構(gòu)“法線”概念.但是我們仔細(xì)地想一想就不難發(fā)現(xiàn)這種建構(gòu)“法線”的設(shè)計仍然略顯突兀和帶有教師“強加”的因素.

1.3 “軸對稱”構(gòu)建法

把平面鏡放置在水平桌面上，讓學(xué)生用一張白色的硬卡片作為光屏豎直放置在平面鏡上（如圖4所示），用激光筆貼著白光屏向平面鏡射出一束入射光線，此時可在光屏上呈現(xiàn)出反射光線，并讓學(xué)生用筆在白光屏上描繪出對應(yīng)的入射光線和反射光線的徑跡，接下來再使入射光線繞固定的入射點（O）向平面鏡轉(zhuǎn)動來改變?nèi)肷涔饩€的方向，并重復(fù)上述實驗步驟，在白光屏上描繪出三次對應(yīng)的入射光線和反射光線的徑跡（如圖5所示）.接著教師通過下列的啟發(fā)式引導(dǎo)來幫助學(xué)生建構(gòu)“法線”概念.

教師：同學(xué)們，根據(jù)你們剛才的實驗中所描繪出的三次對應(yīng)的入射光線和反射光線在白光屏上的徑跡，你能否發(fā)現(xiàn)反射光線和入射光線的位置是相對于哪一條線有規(guī)律的分布呢？

學(xué)生：回答（略）.

教師：同學(xué)們，你們可以將白紙屏沿中間線對折或繪制出入射光線和反射光線的夾角的角平分線，看看有什么發(fā)現(xiàn)？

學(xué)生：入射光線和反射光線的夾角的角平分線（或中間的對折線）是反射光線和入射光線的對稱軸.

教師：那這條入射光線和反射光線夾角的角平分線又有什么特征呢？

學(xué)生：經(jīng)過入射點并和平面鏡垂直.

教師：為了方便探究光的反射規(guī)律，人們就把“過入射點并和鏡面垂直的直線叫作法線”.

這種建構(gòu)“法線”概念的設(shè)計方法和傳統(tǒng)的設(shè)計中以“信息快遞”的方式直接定義相比確實顯得自然流暢，解決了“法線”引入突兀的問題.但是，我們再仔細(xì)地想一想就不難發(fā)現(xiàn)，這樣的設(shè)計仍然存在一定的缺陷.學(xué)生通過對實驗現(xiàn)象的觀察以及在白紙屏上描繪三次入射光線和反射光線的徑跡，并結(jié)合學(xué)生的認(rèn)知來看，學(xué)生更容易想到的是反射光線和入射光線的位置是相對平面鏡上的某條線有規(guī)律的分布.然而在光的反射現(xiàn)象中，入射光線和所對應(yīng)的反射光線確實也是既相對于“過入射點并垂直于鏡面的直線”有規(guī)律的分布，同時它們也相對于“平面鏡上的某條線”有規(guī)律的分布.那么這兩條線中誰更適合作為入射光線和反射光線分布的“標(biāo)準(zhǔn)線”呢？本設(shè)計中并未進(jìn)行探究和討論，所以這種構(gòu)建“法線”概念的設(shè)計方法仍然存在一定的不足之處.

2 “法線”構(gòu)建的創(chuàng)新教學(xué)設(shè)計

在教學(xué)中筆者是通過如圖6所示的自制演示器“魔球”從多角度、多方位對光的反射現(xiàn)象進(jìn)行演示，同時要求學(xué)生進(jìn)行認(rèn)真的觀察，并積極思考和探索：“在光的反射現(xiàn)象中，反射光線和入射光線是以哪一條“標(biāo)準(zhǔn)線”進(jìn)行有規(guī)律的分布的？”

在探尋這個“標(biāo)準(zhǔn)線”時，筆者先通過實驗演示了“將入射光線繞平面鏡上固定不變的入射點（O）在同一平面內(nèi)逐漸向鏡面靠近”.同時要求學(xué)生觀察反射光線的位置變化，并讓學(xué)生根據(jù)觀察的現(xiàn)象，猜想入射光線、反射光線變化過程中的位置是否在圍繞某個“標(biāo)準(zhǔn)線”有規(guī)律的分布？如果有，這個“標(biāo)準(zhǔn)線”在哪？學(xué)生通過實驗觀察并結(jié)合現(xiàn)有的認(rèn)知很容易想到猜想（1）.

猜想（1）：反射光和入射光是以平面鏡上的某一條線作為“標(biāo)準(zhǔn)線”在有規(guī)律的分布.

對于學(xué)生的這個猜想筆者首先是給予了贊同，可是如何才能讓學(xué)生猜想到反射光線和入射光線也會圍繞“過入射點并垂直于鏡面的直線”進(jìn)行有規(guī)律的分布呢？于是筆者又設(shè)計了下列的演示實驗.

實驗演示：（1）先讓入射光垂直于鏡面射入，此時學(xué)生會看到反射光線和入射光線重合;

（2）再逐漸將入射光線繞鏡面上固定的入射點（O）在同一平面內(nèi)逐漸向鏡面靠近，再讓學(xué)生觀察反射光線的位置變化，并引導(dǎo)學(xué)生猜想入射光線、反射光線的位置在變化時還在圍繞哪條“標(biāo)準(zhǔn)線”有規(guī)律的分布？通過觀察上述的演示實驗，學(xué)生就會較為順利地想到猜想（2）.

猜想（2）：反射光和入射光都是以垂直于平面鏡的一條直線作為“標(biāo)準(zhǔn)線”在有規(guī)律的分布.

對同學(xué)們的這個猜想，筆者也給予了贊同和肯定，因為當(dāng)入射光線在同一平面內(nèi)繞固定的入射點逐漸向鏡面靠近（或遠(yuǎn)離）時，學(xué)生猜想的這兩條“標(biāo)準(zhǔn)線”確實都有道理.

接著筆者又保持相同的入射角，將入射光線繞固定的入射點（O）再旋轉(zhuǎn)幾個不同的方向分別射向該入射點，再讓學(xué)生觀察對應(yīng)的反射光線的位置（如圖7、圖8所示）.與此同時向?qū)W生提出問題：“根據(jù)實驗觀察，光反射時，同學(xué)們所猜想的兩種‘標(biāo)準(zhǔn)線哪個更適合作為入射光線和反射光線進(jìn)行有規(guī)律分布的‘標(biāo)準(zhǔn)線呢？”

接下來組織學(xué)生交流討論，最后通過師生的交流討論一致認(rèn)為：選過入射點并垂直于鏡面的直線作為“標(biāo)準(zhǔn)線”更好.因為當(dāng)入射光線從幾個不同方向射向同一入射點時，以平面鏡上的這條“標(biāo)準(zhǔn)線”的位置會不斷發(fā)生改變，但是以過入射點并垂直于鏡面的這條“標(biāo)準(zhǔn)線”卻是固定不動的（如圖9中的甲、乙、丙所示）.通過學(xué)生的交流和討論，最后以“過入射點并垂直于鏡面的直線”作為入射光線和反射光線進(jìn)行有規(guī)律分布的“標(biāo)準(zhǔn)線”，由此建構(gòu)“法線”的概念.對于“法線”建構(gòu)的教學(xué)設(shè)計進(jìn)行這樣的改進(jìn)是基于符合學(xué)生現(xiàn)有認(rèn)知和培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)出發(fā)，先引導(dǎo)學(xué)生在實驗中初步發(fā)現(xiàn)“規(guī)律”，再通過問題引領(lǐng)和實驗探究的層層深入來修正和完善原有的發(fā)現(xiàn)，最終揭示出現(xiàn)象背后所隱藏的本質(zhì)規(guī)律.

這樣的課堂不僅能大大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又能很好地培養(yǎng)和訓(xùn)練學(xué)生的思維，同時又充分鍛煉了學(xué)生分析問題和解決問題的能力，長此以往就一定能逐步培養(yǎng)學(xué)生形成良好的科學(xué)思維品質(zhì).上述對于“法線”概念建構(gòu)的幾種教學(xué)設(shè)計方法，是筆者在多年的教學(xué)實踐中的一些思考，分析中有不當(dāng)之處，請各位同行多多指正.

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（收稿日期：2020-11-26）