〔摘" " 要〕" 教科版五年級上冊《科學(xué)》教材中,《光的反射現(xiàn)象》一課,由于課本設(shè)計的實驗沒有給出核心概念、科學(xué)探究過程不完整、理論支撐不充足等原因,一般情況下學(xué)生無法清晰地描述光的反射規(guī)律,無法準(zhǔn)確地認(rèn)識到入射光線與反射光線的角度大小關(guān)系。筆者通過設(shè)計新的自制教具,使實驗操作簡單化、實驗現(xiàn)象放大化、實驗數(shù)據(jù)精準(zhǔn)化,有效支撐了學(xué)生完整認(rèn)識光的反射規(guī)律,并拓展了實驗的內(nèi)容與方式,能更好地了解光的反射規(guī)律在工作生活中的應(yīng)用。
〔關(guān)鍵詞〕" 小學(xué)科學(xué);實驗教學(xué);自制教具;反射
〔中圖分類號〕" G424" " " " " " " " 〔文獻標(biāo)識碼〕" A" " " " "〔文章編號〕" 1674-6317" " (2024)" 08" " 064-066
本文針對教科版五年級上冊《科學(xué)》教材第一單元第6課時《光的反射現(xiàn)象》。本課要求學(xué)生認(rèn)識到光碰到鏡面會發(fā)生反射現(xiàn)象,反射的光線也是沿直線傳播的,并且能通過實驗發(fā)現(xiàn)光的反射規(guī)律。原教材是通過兩個簡單的探究活動來認(rèn)識光的反射現(xiàn)象,其一是用鏡子反射手電筒的光,找到反射出去的光斑;其二是通過調(diào)整鏡子的位置,使反射光到達某一指定地點。
一、教材實驗的不足
(一)核心概念不清晰
教材之中未對光的反射原理做出系統(tǒng)的表述,在光的反射原理中應(yīng)該包含法線、入射角和反射角等核心概念,但教材對這些核心概念只字未提。這導(dǎo)致了學(xué)生即使可以預(yù)測反射光斑的位置變化,也無法形成清晰、準(zhǔn)確的語言表述。
(二)探究過程不完整
學(xué)生通過教材學(xué)習(xí)能提出一些想法,但在完整的科學(xué)探究過程中,只能算作完成了第一個步驟,即提出猜想,卻未經(jīng)過系統(tǒng)的實驗驗證。尤其是未能確認(rèn)實驗?zāi)康?、實驗條件和實驗結(jié)果應(yīng)該是什么;沒有經(jīng)歷實驗條件(入射角)與實驗結(jié)果(反射角)的連續(xù)變化;沒有系統(tǒng)地記錄數(shù)據(jù)作為證據(jù),這種情況下難以形成科學(xué)的實驗結(jié)論。
(三)理論支撐不充足
在上述第一點與第二點缺陷仍未解決的情況下,教材的“研討”環(huán)節(jié)中,就需要學(xué)生畫出光的反射線路圖并總結(jié)反射規(guī)律,這樣的安排并不符合科學(xué)探究的邏輯。何況在總結(jié)規(guī)律的環(huán)節(jié)中沒有給出明確的指示,留下一個完全開放的空間,其結(jié)果是學(xué)生感覺無從下手,不知道應(yīng)該關(guān)注哪些要素。
二、改進思路
喻伯軍在《小學(xué)科學(xué)教學(xué)關(guān)鍵問題指導(dǎo)》一書中提出,可以通過設(shè)計自制教學(xué)用具來促進教學(xué)效果提高,而自制教具應(yīng)該把握好三大原則:簡化實驗操作、放大實驗現(xiàn)象和提高數(shù)據(jù)精度。劉濟昌也提出設(shè)計自制教具要同時考慮到教育性、科學(xué)性、啟發(fā)性、趣味性、實用性、直觀性、安全性等要素。因此筆者設(shè)計的實驗改進思路為:制作一套全新的教具,裝置上配備有固定的入射光源,同時具備法線用于幫助區(qū)分入射角與反射角,學(xué)生只需要完成轉(zhuǎn)動鏡片這一簡單動作,追蹤反射光斑,光斑所在位置即可讀取對應(yīng)的角度。
三、實驗器材
量角器2個,鏡子4面,小轉(zhuǎn)盤4個,竹簽或指針1根,激光筆1支,瓦楞紙或硬卡紙若干張,熱熔膠槍及膠棒。主要步驟如下。
將大量角器上的突起物切除、磨平,保證鏡子旋轉(zhuǎn)時以及激光傳播路徑中不要受到阻礙;
裁剪一段瓦楞紙,高度約10cm,長度剛好可以包圍大量角器的圓弧,將瓦楞紙直立粘貼在量角器的外邊緣上;
將4面鏡子全部粘貼在小轉(zhuǎn)臺上,注意保證鏡子落在圓形的直徑上;
在其中一面鏡子前垂直粘貼一根長指針,這根指針代表法線;
將已經(jīng)和轉(zhuǎn)臺黏合為一體的4面鏡子中的2面(包含第4步的那一面)分別粘貼在2個大量角器的圓心位置,注意讓2個圓心相互重合,另外2面鏡子保持自由移動;
將激光筆固定于大量角器的邊緣,使激光能沿著0°方向射入,可以適當(dāng)將激光筆的位置墊高,盡量使激光射到鏡子的中央,以確保實驗結(jié)果準(zhǔn)確以及便于觀測;
在瓦楞紙上標(biāo)出刻度,對應(yīng)量角器上每個整十?dāng)?shù)畫出一條豎線,以方便在實驗過程中讀取讀數(shù);測試實驗效果。
四、實驗改進
本實驗器材可以用于完成以下3項實驗內(nèi)容,其中第(一)項與第(二)項為課本內(nèi)要求的實驗,第(三)項為筆者運用光的反射原理新增的拓展實驗。
(一)探究光的反射原理
使用實驗器材的右半側(cè)(即一個量角器、一面鏡子、一根法線和一支激光筆)探究光的反射規(guī)律,發(fā)現(xiàn)反射角和入射角的關(guān)系。實驗方法如下。
先旋轉(zhuǎn)鏡片,使指針指向一定的角度,記錄此時的讀數(shù)為入射角的大?。淮蜷_激光筆,在紙圍邊上找到被反射的光點,并讀取讀數(shù);在表單上記錄讀數(shù),并計算反射角應(yīng)該為第二次讀數(shù)減去第一次讀數(shù)之差;改變鏡片的角度再重復(fù)數(shù)次,記錄實驗結(jié)果,并歸納結(jié)論。
(二)模擬潛望鏡
使用兩個量角器、兩面鏡子和一支激光筆探究潛望鏡如何使用光的反射規(guī)律,解釋潛望鏡中的兩面鏡子為何要呈45°角相對擺放。裝置擺放及原理如圖1。實驗方法如下。
將左右兩組儀器按照左右對稱的位置擺放,分別調(diào)整兩面鏡子的角度,使它們各自呈45°傾斜,且鏡面相對;打開激光筆,并在激光筆的另一側(cè)向右平移數(shù)十厘米處放一張白紙,可觀察到白紙上出現(xiàn)被反射而發(fā)生了平移的光點。
關(guān)閉激光筆,在激光筆的位置前擺放一個物體,眼睛從另一片鏡子觀察,可以看到相應(yīng)的圖像;如果鏡子的角度發(fā)生任何偏轉(zhuǎn),都不能看到對應(yīng)的圖像。
(三)鏡子迷宮
使用兩個量角器、四面鏡子和一支激光筆可以制造一個“鏡子迷宮”。即把四面鏡子分別排列在兩側(cè),兩兩之間形成一個直角,四面鏡子的鏡面相對,此時光線經(jīng)過4次反射之后,可以繞過放在右側(cè)兩面鏡子之間的物體,依然按照原來的路線傳播,形成一種透視的效果。這是在熟識光的反射規(guī)律的基礎(chǔ)上拓展而生的一種高級應(yīng)用原理(見圖2)。
本實驗的操作方法是,取四面鏡子,按照圖3指示的位置擺放;注意左邊的兩面鏡子組成一個直角,右邊的兩面鏡子組成一個直角,并且鏡面彼此相對,每面鏡子各自與水平方向呈45°;激光筆從右邊的任意一側(cè)射出激光,在另一側(cè)放一張白紙,可以看到在沿著激光筆直線的延長線上出現(xiàn)光點;在激光筆的位置放一個物品,則在另一側(cè)可以清晰看到該物品的圖像,而被放置于右邊兩面鏡子之間的物體將被隱藏;如果鏡子的角度發(fā)生任何偏轉(zhuǎn),都無法看到該現(xiàn)象。
射出的光斑
五、實驗優(yōu)點
(一)能夠簡明、清晰地辨明入射角和反射角
在本實驗裝置中,筆者設(shè)計將光源固定于量角器的0°位置,鏡面的旋轉(zhuǎn)中心固定于量角器的原點(圓心)位置,使用一根長指針固定在鏡子前垂直于鏡面充當(dāng)法線。這樣設(shè)計的好處是指針指向的讀數(shù)α就是入射角的角度大小,反射的光斑對應(yīng)的讀數(shù)δ為入射角+反射角的角度大小,則反射角β=δ-α。
(二)在一套裝置中集成數(shù)個相關(guān)實驗
本裝置可以用于3項不同的實驗。第一項為探究光的反射規(guī)律,本實驗為課本要求的基本實驗,也是后兩項實驗的基礎(chǔ),對應(yīng)課標(biāo)的學(xué)習(xí)內(nèi)容為“6.2.2"光在空氣中沿直線傳播;行進中的光遇到物體時會發(fā)生反射,會改變光的傳播方向,會形成陰影”。第二項實驗為展示光的反射原理在潛望鏡中的應(yīng)用,可以用來模擬潛望鏡的使用效果,并通過理論分析解釋為何潛望鏡中兩面鏡片需要以45°的角度傾斜擺放。如果擺放的角度不合適,就無法看到目標(biāo)的景象。第三項實驗是課外拓展,使用4面鏡片進行反射,最終實現(xiàn)透視的效果。
(三)獨特的拓展實驗,具有創(chuàng)新性和趣味性
本裝置所演示的第三項實驗是教材上不存在的,此實驗的靈感來源于人們對于“透視”“隱形”等能力的向往。這個效果可以通過光的反射來實現(xiàn),通過光的反射原理的理論分析可得,只要使用4面鏡子,將鏡面彼此相對,分為左右兩組,每組2面,而且使2面鏡子互相成為一個直角(此原理已在上文中敘述),就可以使光線經(jīng)過反射之后,繞過一個物體,回到原來的直線上繼續(xù)向前傳播,實現(xiàn)透視的視覺效果。本實驗對調(diào)整參數(shù)的要求極高,但也有很高的趣味性。
六、實驗教學(xué)評價
筆者已嘗試在課堂上使用本套裝置探究光的反射原理。因為裝置上的各部分要素設(shè)計合理得當(dāng),操作簡便,學(xué)生可以迅速地掌握操作方法。同時,因為課上已經(jīng)充分鋪墊入射角與反射角等核心概念,學(xué)生在儀器上進行辨別也能做到基本準(zhǔn)確。因為這是一套自創(chuàng)的實驗裝置,學(xué)生對于全新的、有創(chuàng)意的儀器表現(xiàn)出了濃厚的興趣和高度的探索熱情,筆者認(rèn)為這也是合理引導(dǎo)學(xué)生重視與發(fā)展創(chuàng)新精神、創(chuàng)新能力的重要渠道??傮w而言,學(xué)生熱心參與了課堂上的探究活動并且能夠準(zhǔn)確掌握科學(xué)原理,可以認(rèn)為該裝置應(yīng)用在課堂上的實踐效果是顯著的。
使用本套裝置,可以在探究光的反射原理的基礎(chǔ)上,添加該原理如何被應(yīng)用在潛望鏡中,可以進行潛望鏡的工作原理分析;并且拓展出了第3個部分:讓光進行4次反射之后,繞過某一物體,再回到原來的直線上繼續(xù)向前傳播,形成透視的效果。依次完成3項活動之后,學(xué)生可以較為清晰而且深刻地認(rèn)識到反射角等于入射角的規(guī)律,而且知道這個原理如何使用于生活與工作中,使人們獲益。總體而言,該裝置演示的實驗具有較高的創(chuàng)新性、科學(xué)性、直觀性、啟發(fā)性和趣味性。
參考文獻
[1]喻伯軍.小學(xué)科學(xué)教學(xué)關(guān)鍵問題知道[M].北京:高等教育出版社,2020.
[2]劉濟昌.教具理論研究導(dǎo)論[M].北京:教育科學(xué)出版社,2011.
[3]章榮華.運用“可見”教學(xué),促進概念理解走向深刻:以教科版《科學(xué)》五年級上冊《光的反射》一課為例[J].教學(xué)月刊小學(xué)版(綜合),2021(9):30-33.
[4]石玉慧.“光的反射”實驗裝置的創(chuàng)新與改進[J].中小學(xué)實驗與裝備,2022(2):41-42