創(chuàng)新實驗教具與方案 培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究核心素養(yǎng)

王海宇 黎雪 莫海浪

【摘要】本文以滬粵版物理八年級上冊“3.2 探究光的反射規(guī)律”教學(xué)為例，提出教師在組織物理實驗教學(xué)過程中通過科學(xué)分析教材中物理實驗設(shè)計的利與弊，借助實驗教具與實驗方案創(chuàng)新，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究核心素養(yǎng)的教學(xué)主張;案例課教學(xué)則通過分析教材和《物理教師教學(xué)用書》中實驗設(shè)計的不足，提出改良實驗教具、重新設(shè)計實驗方案的構(gòu)想，進而通過采集身邊易得的實驗器材創(chuàng)新制作光學(xué)實驗教具，切實達(dá)成將光反射中的光路可視化、立體化、明晰化的預(yù)期目標(biāo)，幫助學(xué)生建立起光反射的科學(xué)概念，使學(xué)生在習(xí)得相關(guān)物理觀念的同時，深刻理解和掌握光的反射定律。

【關(guān)鍵詞】創(chuàng)新教具 光學(xué)實驗 光的反射 科學(xué)探究 核心素養(yǎng)

【中圖分類號】G63 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【文章編號】0450-9889（2022）22-0081-04

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱《2022版物理課標(biāo)》）明確指出：物理學(xué)是自然科學(xué)領(lǐng)域研究物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)、相互作用和運動規(guī)律的一門基礎(chǔ)學(xué)科，通過科學(xué)觀察、實驗探究、推理計算等形成系統(tǒng)的研究方法和理論體系。義務(wù)教育物理課程是一門以實驗為基礎(chǔ)的自然科學(xué)課程，旨在幫助學(xué)生從物理學(xué)視角認(rèn)識自然、解決相關(guān)實際問題，初步形成科學(xué)的自然觀;引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究過程，學(xué)習(xí)科學(xué)研究方法，養(yǎng)成科學(xué)思維習(xí)慣，進而學(xué)會學(xué)習(xí);引領(lǐng)學(xué)生認(rèn)識科學(xué)、技術(shù)、社會、環(huán)境之間的關(guān)系，形成科學(xué)態(tài)度和正確價值觀，增強社會責(zé)任感、民族自豪感;激發(fā)學(xué)生熱愛黨、熱愛祖國、熱愛人民的情感，為培養(yǎng)德智體美勞全面發(fā)展的社會主義建設(shè)者和接班人奠定基礎(chǔ)。《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》在“實施建議”中明確指出：實驗教學(xué)是物理教學(xué)的重要組成部分，是落實物理課程目標(biāo)、全面提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要途徑;要發(fā)揮實驗在物理教學(xué)中的重要作用，需要正確認(rèn)識物理實驗的教學(xué)目標(biāo)，注重把握實驗教學(xué)的特點，合理開發(fā)實驗教學(xué)的課程資源。《2022版物理課標(biāo)》則進一步明確了物理課程的目標(biāo)要求是促進學(xué)生核心素養(yǎng)的養(yǎng)成和發(fā)展，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會學(xué)習(xí)、學(xué)會合作、學(xué)會生活，為終身發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

近年來，我們在推進“核心素養(yǎng)下初中物理和化學(xué)4+N教學(xué)模式的實踐與研究”課題研究的過程中發(fā)現(xiàn)，日常的物理實驗教學(xué)中，一些教師基本沒有思考過每次實驗教學(xué)的目標(biāo)是什么，只是“照本宣科”地呈現(xiàn)教材中的一些演示實驗或者組織學(xué)生原封不動地實踐教材中安排的一些實驗探究活動，而不考慮師生實施相關(guān)實驗應(yīng)該并能夠達(dá)成怎樣的預(yù)期目標(biāo)，學(xué)校的實驗條件是否具備、實驗環(huán)境是否適合，并往往因為受到實驗場地、人為操作、氣候等方面的條件與環(huán)境因素制約而無法得到理想的實驗效果，致使許多物理實驗更像是“走過場”，或者半途而廢改成了“講實驗”，學(xué)生最終不得不通過死記硬背來“記住”實驗的內(nèi)容和結(jié)論，很不利于學(xué)生物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任等學(xué)科核心素養(yǎng)的培育和發(fā)展。顯而易見，實驗教學(xué)對培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究核心素養(yǎng)意義重大?？茖W(xué)探究核心素養(yǎng)，指的是基于觀察和實驗提出物理問題，形成猜想與假設(shè)、設(shè)計實驗與制訂方案、獲取與處理信息、基于證據(jù)得出結(jié)論并做出解釋，以及對科學(xué)探究過程和結(jié)果進行交流、評估、反思的能力。我們認(rèn)為，學(xué)生科學(xué)探究核心素養(yǎng)的培育和發(fā)展，需要教師在實驗教學(xué)中以身作則，給學(xué)生做出正確的引導(dǎo)與示范。

為引導(dǎo)師生學(xué)會“合理開發(fā)實驗教學(xué)的課程資源”，我們以核心素養(yǎng)為導(dǎo)向，在團隊教研的過程中通過精準(zhǔn)定位每一次實驗教學(xué)的知識與技能目標(biāo)、厘清相關(guān)實驗教學(xué)對學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)要求、科學(xué)分析教材中所安排的相關(guān)實驗設(shè)計的利與弊，最終做出是否有必要創(chuàng)新實驗教具或調(diào)整實驗方案等應(yīng)對策略。下面我們以滬粵版物理八年級上冊“3.2 探究光的反射規(guī)律”為例，探討通過創(chuàng)新實驗教具和實驗方案，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究核心素養(yǎng)的具體做法。

一、基于教學(xué)實踐，科學(xué)分析教材中實驗活動設(shè)計的利與弊

一般來說，物理規(guī)律是在實驗的基礎(chǔ)上，對實驗結(jié)果進行分析和歸納得到的。歸納是從實驗事實中找出因果聯(lián)系的一種有效方法，也是科學(xué)思維的一種重要方式。教材在“3.2 探究光的反射規(guī)律”一課中設(shè)計了一個“探究光的反射規(guī)律”的實驗活動，并提供了如圖1所示的實驗器材：準(zhǔn)備一支激光筆;在平面鏡M的上方豎直放置一塊附有量角器的白色光屏，白色光屏是由E、F兩塊板拼成且兩塊板可以繞ON折轉(zhuǎn)。實驗方案如下：首先，讓激光筆以入射光的形式沿著白色光屏左側(cè)的E板射到鏡面的O點;其次，轉(zhuǎn)動白色光屏右側(cè)的F板，找到反射光;最后，觀察并測量入射角α分別為30°、45°、60°時的反射角β的度數(shù)，在表格中記錄相關(guān)的數(shù)據(jù)。

我們認(rèn)為，該實驗教學(xué)的知識與技能目標(biāo)為“通過結(jié)合日常生活體驗和觀察實驗現(xiàn)象等建立光的反射概念”“探究并了解光的反射定律”，過程與方法目標(biāo)為“引導(dǎo)學(xué)生從實際情景中提取構(gòu)建光的反射模型，嘗試運用物理模型解釋生活現(xiàn)象”;學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)目標(biāo)為“從實驗探究中發(fā)展科學(xué)思維和科學(xué)探究能力，培育構(gòu)建物理模型意識，形成相關(guān)物理觀念，培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”。從理論上分析，教材中的實驗設(shè)計至少有兩大優(yōu)點：首先，以激光筆為光源，利用了激光方向性好、發(fā)散角小、亮度高等特點，有利于學(xué)生憑借肉眼觀察;其次，可以繞ON折轉(zhuǎn)的E、F兩塊板的設(shè)計非常巧妙，很容易得到“三線共面”的實驗結(jié)論。但是，在課堂中操作該實驗，受實驗教具和人為操作技能等因素的影響，常常會出現(xiàn)以下問題：學(xué)生在課堂上通常需要很長時間才能在白色光屏上看到一條較為理想的光路;操作中較難實現(xiàn)白色光屏與鏡面正垂直，且垂直狀態(tài)不穩(wěn)定;在入射角和反射角的測量中，需要用到量角器進行測量，測量不方便，數(shù)據(jù)有時并不準(zhǔn)確;探究“三線共面”時，將白色光屏沿法線ON折轉(zhuǎn)，由于反射光線被遮擋，學(xué)生較難理解“三線共面”這一光的反射規(guī)律。為此，與教材配套的滬粵版《物理教師教學(xué)用書》給出了一個如圖2所示的實驗裝置改進建議：在激光筆前蓋內(nèi)出光口處橫放一個長約6mm、直徑約為4mm的圓玻璃柱小段（可從玻璃棒上截取），并旋緊前蓋，如圖2（1）（2）所示;然后讓光透過玻璃柱從出光孔射出，光束即為扁束，如圖2（3）所示。實驗裝置改進后，玻璃柱將單條光線變成了帶狀光束，雖然便于學(xué)生觀察，但對剛開始接觸幾何光學(xué)的初二學(xué)生來說，這并不利于學(xué)生科學(xué)精神和科學(xué)探究意識的培養(yǎng)，畢竟該實驗研究的是單條光線而不是一束光帶。那么，怎樣才能讓光線既回歸線狀又能清晰呈現(xiàn)，并使原來較難呈現(xiàn)的光路變得更加立體且清晰可見呢？

二、從問題出發(fā)改良實驗教具，大膽設(shè)計更為適合的實驗方案

在物理實驗教學(xué)中，教師創(chuàng)新設(shè)計實驗方案和制作實驗教具，必須以有利于實驗教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成為唯一遵循，并據(jù)此強化學(xué)生在實驗探究過程中的有意注意，關(guān)注學(xué)生物理知識、技能與物理學(xué)科核心素養(yǎng)多重培養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成，在讓學(xué)生獲得相關(guān)科學(xué)知識與技能的基礎(chǔ)上，切實培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維。

在“3.2 探究光的反射規(guī)律”一課中，鑒于教材及相應(yīng)的《物理教師教學(xué)用書》中所設(shè)計的實驗方案都存在實驗教具不盡如人意的問題，我們決定利用生活中易得的簡單器材，自制實驗教具，為學(xué)生創(chuàng)新意識和科學(xué)態(tài)度的培養(yǎng)做出表率和示范。如今網(wǎng)購已經(jīng)深入人們的生活，基于實驗教學(xué)的需要，我們在網(wǎng)上選購了如圖3所示的一批實驗器材，并對其中的部分器材進行了適合實驗使用的簡單加工，包括：（1）噴霧器1個，可用于在三維立體空間中使光路清晰呈現(xiàn);（2）頂端和側(cè)壁共有3個直徑為50mm開孔的亞克力半球1個，頂端開孔為法線預(yù)留，側(cè)壁開孔可作為噴氣孔，方便實驗時形成相對封閉的空間，減少外界環(huán)境因素的干擾;（3）PVC板1塊，上繪角度線，橫向切割后可向后折疊，切割處用鳳尾夾固定，其機械制圖如圖4（1）所示，固定部18-1與活動部18-2相鉸接;（4）平面鏡1個、激光筆3支;（5）光源支撐架1個，其機械制圖如圖4（2）所示，支撐桿15-1，導(dǎo)向機件15-2，轉(zhuǎn)盤15-3，導(dǎo)向機件上設(shè)鎖緊螺栓15-4，轉(zhuǎn)盤上固定連接光源夾15-5。

為了達(dá)成實驗教學(xué)的目標(biāo)，我們創(chuàng)新設(shè)計實驗方案，引導(dǎo)學(xué)生在探究光的反射規(guī)律的過程中，深刻體會尊重客觀規(guī)律和實驗數(shù)據(jù)的重要性，以此培養(yǎng)學(xué)生實事求是的科學(xué)態(tài)度。我們將以上實驗器材如圖5所示進行了組裝，并用如圖6所示的機械制圖進行了更為清晰的呈現(xiàn)。在圖6中：11為反射鏡，即平面鏡;12和13分別為反射光源和法線光源，均為激光筆;14為亞克力材料制成的半球罩;透明罩的一側(cè)外立光源支撐架15-1，另一側(cè)外立噴霧器16，分別與透明罩的兩個側(cè)壁開孔對應(yīng);透明罩14的頂端開設(shè)有法線光源13的安裝孔，法線光源13通過中間開孔的橡膠塞17插入安裝孔中;18為加工后的PVC板。

由上觀之，我們從三個方面改良了實驗教具：首先，補充完善教材中法線概念闡述的不完整性，借教具改良用更直觀的實驗方式引入法線概念，引導(dǎo)學(xué)生在實驗過程中逐步感受和認(rèn)識到法線的存在及其存在的意義;其次，改變白色光屏上一維光路操作的不穩(wěn)定性，使之變?yōu)樵谌S立體空間中更為穩(wěn)定、直觀的呈現(xiàn)，借教具改良在立體空間中清晰地呈現(xiàn)光路，發(fā)展學(xué)生的空間想象力，加深學(xué)生對幾何光學(xué)的認(rèn)識和理解;最后，在傳承原實驗器材優(yōu)點的同時，用PVC板替代白色光屏進行教具改良，通過將反射光線所在PVC板橫向切割、只翻折上半部分，可以使學(xué)生在探究“三線共面”規(guī)律的過程中，清晰地看到在PVC板上半部分消失的反射光線在三維立體空間中所處的位置，從而有效突破了本課的學(xué)習(xí)難點。

三、基于教學(xué)目標(biāo)達(dá)成需要，依據(jù)4+N教學(xué)模式創(chuàng)新設(shè)計物理實驗教學(xué)方案

課堂教學(xué)是培育和發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的主渠道。在多年教學(xué)實踐中，我們所創(chuàng)設(shè)的4+N教學(xué)模式對課堂教學(xué)質(zhì)量的提升發(fā)揮了重要的作用。所謂4+N教學(xué)模式，“4”指的是提出目標(biāo)、目標(biāo)逐個達(dá)成、目標(biāo)檢測、小結(jié)提升與拓展4個基本教學(xué)環(huán)節(jié);“N”指的是若干靈動的教學(xué)元素，是教師基于自身個性及學(xué)情需要在基本教學(xué)環(huán)節(jié)之中隨機創(chuàng)設(shè)的教學(xué)情境、創(chuàng)新實驗、有探索性的拓展思考題等。在實施“3.2 探究光的反射規(guī)律”實驗教學(xué)的過程中，我們按照4+N教學(xué)模式的基本流程，將自制教具及相關(guān)實驗設(shè)計與教材中的實驗方案進行對比，設(shè)計并實施了3個對比性探究實驗。我們還另外設(shè)計了一個關(guān)于鏡面反射與漫反射的對比性探究實驗，幫助學(xué)生克服相關(guān)的認(rèn)知困難。

【對比性探究實驗1】探究反射光線、入射光線、法線位置的關(guān)系。相關(guān)的實驗設(shè)計如圖7所示，其中圖7（1）為教材中的實驗設(shè)計，圖7（2）為創(chuàng)新教具及實驗方案。

要探究反射光線、入射光線和法線的位置關(guān)系，必然要引入法線的概念。我們遵循學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，摒棄灌輸式教學(xué)方式，通過直觀實驗引入“法線”，通過步步設(shè)問引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識和感受“法線”的存在及其存在的意義，同時配合使用亞克力半球，減少外界氣流的干擾，在立體空間中直觀地呈現(xiàn)“反射光線和入射光線分別位于法線兩側(cè)”這一結(jié)論。

【對比性探究實驗2】從測量的角度呈現(xiàn)反射角與入射角的關(guān)系。實驗設(shè)計如圖8所示，其中圖8（1）為教材中的實驗設(shè)計，圖8（2）為創(chuàng)新教具及實驗方案。

改進后的實驗裝置直接將量角器“放入”了已經(jīng)清晰呈現(xiàn)的光路中，提高了實驗效率，降低了實驗操作的難度，使學(xué)生可以從定量的角度快速地讀出反射角與入射角的度數(shù)，發(fā)現(xiàn)二者之間的關(guān)系。

【對比性探究實驗3】探究反射光線、入射光線和法線是否共面。實驗設(shè)計如圖9所示，其中圖9（1）為教材中的實驗設(shè)計，圖9（2）為創(chuàng)新教具及實驗方案。

改進后的實驗裝置有效突破了教材中不易達(dá)成的“三線共面”實驗難點。因為有了亞克力半球的封閉環(huán)境，有效避免了外界氣流的干擾，使教材原實驗中在白色光屏上消失的反射光線清晰地呈現(xiàn)在了三維的立體空間當(dāng)中。

【對比性探究實驗4】探究鏡面反射與漫反射，如圖10所示，其中圖10（1）為鏡面反射，圖10（2）為漫反射。

按照教材原實驗，無法呈現(xiàn)鏡面反射與漫反射現(xiàn)象，教師只能通過動畫演示另外安排該知識點的學(xué)習(xí)。改進后的實驗裝置卻可以通過實驗輕松呈現(xiàn)鏡面反射和漫反射現(xiàn)象。

在“3.2 探究光的反射規(guī)律”的教學(xué)中使用改進后的教學(xué)實驗器材，實驗操作更方便，實驗現(xiàn)象更直觀且更明顯，有效激活了學(xué)生的創(chuàng)新思維，發(fā)展了學(xué)生的科學(xué)探究核心素養(yǎng)。本實驗創(chuàng)新裝置2021年獲教育部舉辦的全國中小學(xué)優(yōu)秀自制教具展評活動（教師類）二等獎，2020年獲自治區(qū)教育廳舉辦的“第九屆全區(qū)中小學(xué)優(yōu)秀自制教具展評活動”（教師類）一等獎。本教具還獲得了國家知識產(chǎn)權(quán)局頒發(fā)的實用新型專利證書（專利證書號：2021208968158）。我們的選手將該實驗創(chuàng)新裝置運用于4+N教學(xué)模式，參加自治區(qū)教育廳舉辦的2018年全區(qū)中小學(xué)實驗教學(xué)說課活動獲得了一等獎。由于本教具結(jié)合4+N教學(xué)模式在“探究光的反射規(guī)律”的課堂教學(xué)中教學(xué)效果特別明顯，如今已在柳州市內(nèi)及市外大面積推廣。

參考文獻(xiàn)

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[2]蔡孝文，周新雅，周行，等.對滬粵版教材“金鑰匙”欄目科學(xué)應(yīng)用的分析[J].湖南中學(xué)物理，2018，33（3）：49-51.

注：本文系廣西教育科學(xué)規(guī)劃2021年度資助經(jīng)費重點課題（A類）“核心素養(yǎng)下初中物理和化學(xué)4+N教學(xué)模式的實踐與研究”（2021A067）的階段研究成果。

作者簡介：王海宇（1980— ），一級教師，主要研究方向為初中物理教學(xué);黎雪（1970— ），高級教師，主要研究方向為初中物理、化學(xué)教學(xué);莫海浪（1969— ），高級教師，主要研究方向為初中物理教學(xué)。

（責(zé)編 白聰敏）