促進(jìn)核心素養(yǎng)發(fā)展的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)建構(gòu)
——以高中“光的折射”教學(xué)為例

周天業(yè)

(江蘇省南通第一中學(xué),江蘇 南通 226001)

研究課例與課堂,不斷改進(jìn)并優(yōu)化教學(xué),是促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)發(fā)展的關(guān)鍵途徑。基于《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》的人教版教材,在“光的折射”編排上與舊版教材有一些差別,例如強(qiáng)調(diào)通過實(shí)驗(yàn)測量多個(gè)入射角和折射角,再尋找這些數(shù)據(jù)之間的關(guān)系,將波長和溫度條件增加在介質(zhì)的折射率表格中。教材內(nèi)容的這些變化對教學(xué)有著怎樣的啟示?筆者在理解教材編寫意圖的基礎(chǔ)上,結(jié)合學(xué)生的實(shí)際狀況構(gòu)建“光的折射”學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn),以促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展。

1 模型建構(gòu)：科學(xué)思維的立足點(diǎn)

高中“光的折射”教學(xué)是在初中定性了解其特點(diǎn)的基礎(chǔ)上開展的定量探究,對學(xué)生而言,折射定律的數(shù)學(xué)表達(dá)及應(yīng)用并不難,難在如何確定光線及角度。因此,在教學(xué)過程中要引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)光的折射模型。

活動(dòng)1：利用水、激光筆、玻璃缸等器材做光的反射、折射演示實(shí)驗(yàn)。學(xué)生觀察到光的傳播現(xiàn)象,喚醒腦海中已有觀念,認(rèn)識實(shí)驗(yàn)中光的反射和折射現(xiàn)象。組織學(xué)生運(yùn)用物理語言描述觀察到的現(xiàn)象,從而激活入射光線、反射光線、折射光線、入射點(diǎn)、分界面、法線、入射角、反射角等概念。

設(shè)計(jì)意圖：通過實(shí)驗(yàn)激活學(xué)生已有的物理觀念,既能調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性,又能有效喚醒與光的反射、折射現(xiàn)象相關(guān)的概念。

活動(dòng)2：引導(dǎo)學(xué)生利用身邊的實(shí)驗(yàn)器材做實(shí)驗(yàn),記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象畫出光路圖,并標(biāo)識出所激活的概念;初步建構(gòu)光的折射模型,進(jìn)一步理解相關(guān)概念。

設(shè)計(jì)意圖：光的折射模型既不能憑空想象,也不能灌輸給學(xué)生,應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)觀察的基礎(chǔ)上通過記錄所觀察的現(xiàn)象建構(gòu)而成。這樣的教學(xué)既符合學(xué)生的認(rèn)知邏輯,又契合物理學(xué)科邏輯,為后繼的實(shí)驗(yàn)探究打下基礎(chǔ)。

活動(dòng)3：演示如圖1所示的實(shí)驗(yàn),描述該實(shí)驗(yàn)中的折射現(xiàn)象。分析折射現(xiàn)象中的法線和分界面,深刻理解相關(guān)概念。

圖1

設(shè)計(jì)意圖：由于學(xué)生在問題解決中遇到彎曲分界面的情況時(shí),難以準(zhǔn)確判斷折射角,究其原因是學(xué)生未能深刻理解分界面的概念。上述活動(dòng)旨在幫助學(xué)生更好地認(rèn)識法線和分界面,對于分界面是曲面的情形,引導(dǎo)學(xué)生從法線的視角分析,認(rèn)識到：過入射點(diǎn)垂直于法線的面是分界面。

2 初、高中學(xué)習(xí)銜接：學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)的生長點(diǎn)

活動(dòng)4：基于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象回顧光的反射定律與光的折射規(guī)律,對比光的反射和折射,尋找相同點(diǎn)與不同點(diǎn),點(diǎn)明本節(jié)課的主要課題：探究折射角和入射角之間的定量關(guān)系。

設(shè)計(jì)意圖：創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)情境,讓學(xué)生回顧初中已學(xué)內(nèi)容,對比光的反射和折射,發(fā)現(xiàn)光的反射定律中反射角和入射角的關(guān)系是定量描述,而光的折射規(guī)律中折射角和入射角的關(guān)系是定性描述,追求嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牧炕磉_(dá)是物理學(xué)的任務(wù)之一,從而點(diǎn)明本節(jié)課要解決的主要問題：在光的折射中,入射角和折射角有怎樣的定量關(guān)系?在激活學(xué)生已有知識的基礎(chǔ)上,通過對比分析,形成并表述問題,從而引發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí),完成初、高中教學(xué)的有效銜接。

活動(dòng)5：測量光在發(fā)生折射時(shí)的折射角、入射角。

設(shè)計(jì)意圖：遵循物理學(xué)科的邏輯,要研究兩角之間的定量關(guān)系,就必須先測得兩角的具體數(shù)值,讓學(xué)生測量角度,一方面培養(yǎng)學(xué)生數(shù)據(jù)收集的能力,另一方面為后續(xù)測量玻璃的折射率打下基礎(chǔ)。

3 規(guī)律探究：物理觀念的落腳點(diǎn)

在光的折射規(guī)律探究中,要讓學(xué)生猜想出兩角的正弦之比是定值是難以完成的任務(wù),學(xué)生往往從角度本身出發(fā),探索兩角之間的關(guān)系,這與光的折射規(guī)律的發(fā)現(xiàn)歷史具有內(nèi)在相似性。在光的折射研究中,托勒密首先提出：入射角和折射角大致成正比。阿勒·哈增發(fā)現(xiàn)托勒密的結(jié)論與事實(shí)不符,開普勒指出：當(dāng)θ<30°時(shí),折射角正比于入射角,當(dāng)θ>30°時(shí),折射角的余割與入射角的余割成正比;斯涅爾發(fā)現(xiàn)：入射角的余割與折射角的余割之比為一常量,笛卡爾則給出了現(xiàn)在折射定律的形式,費(fèi)馬從經(jīng)濟(jì)原則出發(fā)推導(dǎo)出相關(guān)規(guī)律和公式。在光的折射定律的探究過程中,可采取歷史重演方式,引導(dǎo)學(xué)生找尋規(guī)律。

活動(dòng)6：根據(jù)學(xué)生的猜想,利用數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。對于成正比的猜想,先用Excel擬合角度較小的情況,發(fā)現(xiàn)入射角和折射角大小基本上成正比。再擬合所有數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)大角度時(shí)上述關(guān)系不再成立。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生的猜想要用實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證,通過數(shù)據(jù)分析,既能讓學(xué)生體驗(yàn)到初步成功的快樂,也能讓學(xué)生感知完整數(shù)據(jù)分析后的迷茫。

圖2

設(shè)計(jì)意圖：不憤不啟,不悱不發(fā),只有在學(xué)生苦思冥想還想不出兩角之間關(guān)系時(shí),教師借助于科學(xué)史,展示斯涅爾的觀點(diǎn),并讓學(xué)生基于這一觀點(diǎn)推理兩角關(guān)系,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)推理能力。

活動(dòng)8：根據(jù)學(xué)生推導(dǎo)出的兩角正弦之比是常數(shù)的結(jié)論,引導(dǎo)學(xué)生利用數(shù)據(jù)驗(yàn)證這一關(guān)系是否成立。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生根據(jù)斯涅爾的觀點(diǎn)推出兩角正弦之比是常數(shù),這僅僅是一種猜想,是借助于科學(xué)史,經(jīng)科學(xué)推理而形成的猜想,是否正確需要用實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證,以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)論證能力。

在表述光的折射定律的基礎(chǔ)上,提出問題：每個(gè)小組的比值相同嗎?如果比值不相同,那是什么原因造成的?學(xué)生認(rèn)為小組間比值的不同可能是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)誤差引起的,但每小組內(nèi)比值在小數(shù)點(diǎn)后第二位才有差異,而組間的比值差異出現(xiàn)在小數(shù)點(diǎn)后第一位,從而論證這不太可能是由于實(shí)驗(yàn)誤差造成的。哪么會(huì)是什么原因呢?教師引導(dǎo)學(xué)生猜想,可能是各組所用玻璃磚對光的折射能力不同,由此引出折射率的概念。折射率是衡量材料光學(xué)性能的重要指標(biāo),可以用折射率來區(qū)分物質(zhì),進(jìn)而展示課本上折射率表格,不同材料的折射率一般不同,同種材料的折射率也不一定相同。

活動(dòng)9：各組實(shí)驗(yàn)測得玻璃磚折射率不同的原因是什么?折射率的大小與物質(zhì)密度有關(guān)嗎(開普勒認(rèn)為折射力與介質(zhì)的密度成正比)?課本上幾種介質(zhì)的折射率表格中為什么要設(shè)定波長和溫度?

設(shè)計(jì)意圖：培養(yǎng)學(xué)生閱讀表格、提取信息、分析論證和遷移的能力。學(xué)生測出玻璃的折射率是1.5～1.8,說明各組玻璃磚的折射率不同;對比幾種介質(zhì)的折射率表格中的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：酒精相對于水密度較小但折射率較大,氯化鈉相對于水密度較大而折射率也較大,由此判斷折射率的大小與密度無直接聯(lián)系。設(shè)定波長,引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)想到初中所做的光的色散實(shí)驗(yàn),通過三棱鏡的太陽光之所以被分解成各種色光,是因?yàn)閷τ谕N介質(zhì)而言,不同色光的折射率不同,表明波長和介質(zhì)的折射率有關(guān),波長越長,折射率越小;溫度也會(huì)影響介質(zhì)的折射率,一般而言,折射率隨溫度升高而減小。

4 實(shí)驗(yàn)測量：科學(xué)探究的支撐點(diǎn)

對于學(xué)生而言,教材中所給出的原理與方法和他們的原認(rèn)知有沖突,學(xué)生認(rèn)為：測量玻璃磚的折射率時(shí)可用激光顯示光路的方法確定光線,從而測量角度。針對學(xué)生的這些觀點(diǎn),在教學(xué)過程中要暴露學(xué)生觀念的缺陷,讓學(xué)生自主斟酌,確定實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)步驟、數(shù)據(jù)處理方法等。

設(shè)計(jì)意圖：改變“教師講,學(xué)生做”的常見做法,讓學(xué)生合作討論,探討實(shí)驗(yàn)方案的可行性,從而確定測量折射率的原理。在粗測過程中發(fā)現(xiàn)用激光顯示光路存在較大誤差,培養(yǎng)了學(xué)生的批判性思維。

活動(dòng)12：引導(dǎo)學(xué)生閱讀課本中實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,思考：如何確定入射光線、折射光線、分界面和法線?這樣確定光線的原理是什么?學(xué)生自主確定實(shí)驗(yàn)步驟并交流。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生很難想到用插針法測量玻璃磚的折射率,因此讓學(xué)生帶著問題閱讀課本,在問題解決的過程中掌握實(shí)驗(yàn)方法和技巧,自主確定實(shí)驗(yàn)步驟。這樣的設(shè)計(jì)不僅可以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維,還可以將實(shí)驗(yàn)步驟的確定權(quán)交給學(xué)生,促進(jìn)學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究能力的提升。

學(xué)生按照確定的實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn),收集并處理數(shù)據(jù),計(jì)算玻璃磚的折射率,并對實(shí)驗(yàn)誤差進(jìn)行分析。

5 結(jié)語

為了促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展,應(yīng)確立學(xué)生的學(xué)習(xí)主體地位,讓學(xué)生在真實(shí)情境中自主發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題。教師是學(xué)生學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)的提供者,是學(xué)習(xí)情境的創(chuàng)設(shè)者,是學(xué)生深度學(xué)習(xí)的促進(jìn)者。在教學(xué)設(shè)計(jì)過程中要從核心素養(yǎng)的視角全面整合學(xué)生的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn),尤其要充分考慮學(xué)生初中階段的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn),提高學(xué)生的科學(xué)思維能力和科學(xué)探究能力,促進(jìn)他們形成科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。