以可視化實(shí)驗(yàn)為支架改善《光的反射現(xiàn)象》教學(xué)

〔摘 要〕 促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)發(fā)展是當(dāng)下教育教學(xué)的出發(fā)點(diǎn)，也是歸宿點(diǎn)。在科學(xué)課中，學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展需要教師引導(dǎo)學(xué)生解決思維過(guò)程中存在的障礙，搭建思維進(jìn)階的支架。筆者基于可視化實(shí)驗(yàn)策略，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新，幫助學(xué)生獲取關(guān)于客觀事物的豐富、直觀的直接經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)而對(duì)可視化的信息進(jìn)行思維加工處理，鍛煉學(xué)生的思維靈活性、模型建構(gòu)能力和推理論證能力，切實(shí)提升了學(xué)生的科學(xué)思維能力。

〔關(guān)鍵詞〕 小學(xué)科學(xué)；可視化；科學(xué)思維

〔中圖分類(lèi)號(hào)〕 G424 〔文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼〕 A 〔文章編號(hào)〕 1674-6317 （2025） 03 058-060

《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》提出，探究和實(shí)踐是科學(xué)學(xué)習(xí)的主要方式，要加強(qiáng)對(duì)探究和實(shí)踐活動(dòng)的研究與指導(dǎo)，設(shè)計(jì)并實(shí)施能夠促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)的思維型探究和實(shí)踐。許多科學(xué)概念和規(guī)律都源于實(shí)驗(yàn)，很多時(shí)候，學(xué)生的科學(xué)思維也是在思維型探究和實(shí)踐過(guò)程中，對(duì)實(shí)驗(yàn)探究的現(xiàn)象和信息進(jìn)行思維加工而得以發(fā)展的。但許多傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)因材料、儀器、技術(shù)等因素的限制，容易產(chǎn)生現(xiàn)象不明顯、誤差大、缺乏規(guī)律等問(wèn)題，學(xué)生以科學(xué)性、嚴(yán)謹(jǐn)性的態(tài)度進(jìn)行分析歸納、抽象概括則存在一定困難。這不利于學(xué)生從科學(xué)的視角認(rèn)識(shí)客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系，也就不利于學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展。

因此，一線科學(xué)教師應(yīng)對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行深入研究與探索，將低能見(jiàn)度的現(xiàn)象、無(wú)規(guī)律的信息、難歸納的結(jié)論采用可視化的方式呈現(xiàn)，幫助學(xué)生克服思維障礙，提升科學(xué)思維能力。本文以教科版科學(xué)五年級(jí)上冊(cè)第一章第6節(jié)《光的反射現(xiàn)象》為例，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新與改進(jìn)，探索以可視化實(shí)驗(yàn)為支架的教學(xué)策略，激發(fā)學(xué)生的探究欲望，豐富學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維。

一、情境可視化提高思維靈活性

科學(xué)思維是學(xué)生在與情境互動(dòng)的過(guò)程中，進(jìn)行信息加工、處理和組合，進(jìn)行有意義的知識(shí)建構(gòu)而得以發(fā)展的。在這個(gè)過(guò)程中，學(xué)生的大部分信息來(lái)自視覺(jué)，而且視覺(jué)在思維理解上比其他感覺(jué)更有優(yōu)勢(shì)。創(chuàng)設(shè)可視化的學(xué)習(xí)情境，可以把原本以語(yǔ)言講授為主的課堂轉(zhuǎn)變?yōu)檎Z(yǔ)言與圖形并重的知識(shí)傳播場(chǎng)域，為傳統(tǒng)課堂上基于語(yǔ)言的理解提供補(bǔ)充，減輕了語(yǔ)言通道的認(rèn)知負(fù)荷，提升了知識(shí)建構(gòu)的效率。在科學(xué)課堂上，可視化的情境能夠調(diào)動(dòng)學(xué)生探究的欲望，提升學(xué)生信息加工的效率，提高其思維的靈活性。

對(duì)于五年級(jí)《光的反射現(xiàn)象》一課，教材以照鏡子的情境引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注光的反射。在思考“為什么在鏡子中能看見(jiàn)自己”時(shí)，大部分學(xué)生只知道是光反射了，但并不能說(shuō)出其中的奧秘。學(xué)生對(duì)于這一現(xiàn)象表現(xiàn)出的興致也不高，難以提出可探究的科學(xué)問(wèn)題，其思維的積極性沒(méi)有得到激發(fā)。

筆者在教學(xué)實(shí)踐中進(jìn)行了創(chuàng)新，創(chuàng)設(shè)了可視化的光現(xiàn)象情境。筆者基于丁達(dá)爾效應(yīng)，利用小型噴霧器，讓學(xué)生驚奇地看到了一束光從暗盒中照射到了黑板上，在復(fù)習(xí)鞏固“光沿直線傳播”的同時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生展開(kāi)推理，思考“這束光是從暗盒的哪個(gè)部位發(fā)出的，光源可能在哪個(gè)位置”。學(xué)生興致勃勃地表達(dá)各自的推論：有的學(xué)生認(rèn)為“因?yàn)楣馐茄刂本€傳播的，所以沿著光線往回找到暗盒的盡頭就是光源的位置”，大部分學(xué)生都認(rèn)可這一想法；有的學(xué)生指出“光源不一定就在光線往回的盡頭，如果里面有一面鏡子呢”。這一想法如一石激起千層浪，大家恍然大悟，不斷提出新的想法：“可能在暗盒的最左邊”“在暗盒的右邊也是可以的”“光可能是在暗盒里面的任意位置，只要改變鏡子的角度就能照射到黑板上”。最后，一位學(xué)生提出“暗盒里面也有可能不止一面鏡子”的想法，又讓大家展開(kāi)更深度的思考。在進(jìn)行充分的推理過(guò)程中，學(xué)生已經(jīng)深刻認(rèn)識(shí)到“光是會(huì)被鏡子反射的”，從而順勢(shì)過(guò)渡到對(duì)“光的反射現(xiàn)象存在什么規(guī)律”的研究?？梢园l(fā)現(xiàn)，創(chuàng)設(shè)了可視化的光反射情境后，學(xué)生的積極性被充分調(diào)動(dòng)，他們能夠基于可視化的信息進(jìn)行加工處理，有根據(jù)地展開(kāi)推理，思維不斷地深入、發(fā)散，充分提高了思維的靈活性。

二、現(xiàn)象可視化助力模型建構(gòu)

在小學(xué)科學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)中，科學(xué)思維指向的主要是模型建構(gòu)、推理論證、創(chuàng)新思維等方面的能力。其中，模型建構(gòu)是以經(jīng)驗(yàn)事實(shí)為基礎(chǔ)，進(jìn)行抽象和概括、建構(gòu)模型，進(jìn)而運(yùn)用模型分析、解釋現(xiàn)象和數(shù)據(jù)。即個(gè)體運(yùn)用頭腦中已有的科學(xué)知識(shí)，基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)或者實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象對(duì)客觀事物進(jìn)行抽象概括或假設(shè)，抓住主要因素，忽略次要因素，從而把復(fù)雜的研究對(duì)象理想化為簡(jiǎn)單的研究對(duì)象的思維過(guò)程。因此，科學(xué)模型建構(gòu)不僅是科學(xué)思維的重要組成部分，也是學(xué)生科學(xué)核心素養(yǎng)發(fā)展的載體，對(duì)落實(shí)學(xué)生科學(xué)核心素養(yǎng)發(fā)展具有牽引價(jià)值。模型建構(gòu)是學(xué)生認(rèn)識(shí)科學(xué)現(xiàn)象，進(jìn)行科學(xué)思維的起點(diǎn)。對(duì)于小學(xué)生而言，其在建構(gòu)科學(xué)模型的過(guò)程中，需要大量的直觀現(xiàn)象和直接經(jīng)驗(yàn)。但部分傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中抽象、不易理解的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，則給學(xué)生建構(gòu)模型造成了阻礙。

在《光的反射現(xiàn)象》一課中，教材設(shè)計(jì)使用手電筒照射平面鏡，在墻上做一處標(biāo)記，關(guān)閉教室的燈光后，不斷調(diào)整手電筒和平面鏡的位置，使燈光照射到標(biāo)記上。然后重復(fù)多次，直至“能夠預(yù)測(cè)平面鏡會(huì)將光反射到什么位置”。要求學(xué)生能夠預(yù)測(cè)光的反射方向，并對(duì)光反射現(xiàn)象的規(guī)律有比較清晰的認(rèn)識(shí)。但傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)存在多個(gè)“不可視”的現(xiàn)象，讓學(xué)生在建構(gòu)“光的反射現(xiàn)象規(guī)律”這一模型時(shí)存在較大障礙。第一，手電筒的光線較弱，即使關(guān)閉教室燈光，光路仍然是不易觀察到的。第二，學(xué)生手持手電筒和平面鏡，容易造成抖動(dòng)和位置變化，每次實(shí)驗(yàn)之間存在的聯(lián)系和規(guī)律不直觀，學(xué)生不易分析歸納。第三，多次靜態(tài)的光反射現(xiàn)象，無(wú)法幫助學(xué)生從動(dòng)態(tài)的角度理解光線從不同角度照射時(shí)的情境。

基于可視化策略，筆者在進(jìn)行教學(xué)時(shí)，對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了創(chuàng)新，制作了光反射規(guī)律探究裝置：將平面鏡固定在半圓形的木板中，木板上不同位置標(biāo)注了與平面的夾角度數(shù)。學(xué)生使用激光筆照射鏡子，并利用小型噴霧器噴出水霧，讓光線顯形。學(xué)生嘗試從不同的角度照射鏡子，記錄下入射光線與平面的夾角和反射光線與平面的夾角，同時(shí)畫(huà)出光的傳播路線。接著，學(xué)生基于全部小組的大數(shù)據(jù)進(jìn)行觀察、分析、歸納后，所有小組一致地發(fā)現(xiàn)入射光線照射到鏡子的角度，跟反射光線離開(kāi)鏡子的角度是相等的。為了給學(xué)生建構(gòu)概念模型提供更豐富直觀的現(xiàn)象，筆者還使用了一個(gè)半球形的透明罩，在內(nèi)部充滿艾條煙霧后，使用激光筆從左邊沿著中間線向右移動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生觀察動(dòng)態(tài)的現(xiàn)象?；谥苯佑^察到的豐富的可視化現(xiàn)象，學(xué)生進(jìn)行抽象、概括，建構(gòu)光反射現(xiàn)象的模型。在分享回報(bào)環(huán)節(jié)，學(xué)生都建構(gòu)了比較完整、正確的模型：“我發(fā)現(xiàn)光線照射到鏡子后，它的方向發(fā)生了改變?！薄叭肷涔饩€和反射光線與平面的夾角總是相等的?！薄胺瓷涔饩€也是沿直線傳播的?！鄙踔劣胁糠謱W(xué)生還建構(gòu)了“法線”這一小學(xué)階段不要求掌握的模型，指出“入射光線和反射光線之間的圖形總是軸對(duì)稱(chēng)圖形，中間有一條線能把這個(gè)圖形分成兩半”。由此可見(jiàn)，基于可視化實(shí)驗(yàn)的教學(xué)策略，對(duì)教學(xué)進(jìn)行改進(jìn)后，學(xué)生直接獲得了更明顯的現(xiàn)象和更有規(guī)律的信息，對(duì)信息進(jìn)行加工的難度明顯下降了，更容易對(duì)豐富的信息進(jìn)行抽象和概括，構(gòu)建完整的科學(xué)模型。

三、數(shù)據(jù)可視化促進(jìn)推理論證

科學(xué)思維中的推理論證能力指向的是學(xué)生能夠基于證據(jù)和邏輯，運(yùn)用各種思維方法，建立證據(jù)和解釋之間的關(guān)系并提出合理的見(jiàn)解。推理論證往往始于疑問(wèn)，要求學(xué)生具有證據(jù)意識(shí)，能夠從科學(xué)表象中找到可靠的證據(jù)進(jìn)行推理，并尋找新的證據(jù)進(jìn)行論證，從而得出比較可靠的結(jié)論。證據(jù)是學(xué)生展開(kāi)推理論證的支撐，而小學(xué)科學(xué)中的部分實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生無(wú)法從一定角度觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的變化，難以從科學(xué)表象中找到證據(jù)。

以《光的反射現(xiàn)象》一課為例，學(xué)生通過(guò)實(shí)踐探究，基于肉眼看見(jiàn)的現(xiàn)象，已經(jīng)認(rèn)識(shí)到光遇到鏡子會(huì)反射。而在探究活動(dòng)之后，教材直接通過(guò)文字資料讓學(xué)生理解“與鏡面發(fā)射相同，任何物體都會(huì)反射光，只不過(guò)光在物體表面的反射情況不同，我們能看到物體是因?yàn)樗鼈兊姆瓷涔膺M(jìn)入了我們的眼睛”。筆者在課后調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，通過(guò)文字閱讀，學(xué)生并不認(rèn)可任何物體都發(fā)射光。因?yàn)閷W(xué)生都是基于自身已有的知識(shí)和思維水平進(jìn)行思維的，無(wú)法在缺乏經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)的情況下展開(kāi)合理的推理論證。很明顯，從“鏡子能夠反射光”演繹推理至“所有物體都能反射光”是缺乏證據(jù)的，學(xué)生在生活中很少看見(jiàn)其他物體的光反射現(xiàn)象，因而也就無(wú)法進(jìn)行科學(xué)合理的推理論證。

基于可視化實(shí)驗(yàn)策略，筆者嘗試讓其他物體的不可視的反射現(xiàn)象，通過(guò)數(shù)據(jù)顯形。因此，筆者在教學(xué)中引入了自制的“光反射現(xiàn)象數(shù)字化探究裝置”（如圖）。利用激光切割技術(shù)和開(kāi)源編程，筆者設(shè)計(jì)了一個(gè)接近暗室的“T”形通道，包括直通道和反射通道。首先，在直通道前蓋的幾何中心固定好光源，確保光線沿通道中心傳播。其次，在直通道中設(shè)計(jì)了一個(gè)與反射通道成45°的反射槽，用于固定反射物，使光線剛好被反射到反射通道的尾部中心。最后，在反射通道尾蓋的幾何中心固定能夠檢測(cè)光強(qiáng)的光強(qiáng)度傳感，并將數(shù)值直接傳輸?shù)窖b置表面的LCD顯示屏。

光反射現(xiàn)象數(shù)字化探究裝置

在教學(xué)中，筆者引導(dǎo)學(xué)生將生活中常見(jiàn)的物體如鏡子、木板、卡紙、塑料片等插入反射槽，并記錄LCD顯示屏上的光強(qiáng)度數(shù)據(jù)?；谟涗浀母鞣N情況下反射光的光強(qiáng)度數(shù)據(jù)（如表），學(xué)生進(jìn)行分析比較，展開(kāi)歸納推理。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，插入各種物體時(shí)檢測(cè)的反射光數(shù)據(jù)都比沒(méi)有插入反射物時(shí)大，進(jìn)而得出結(jié)論：大部分物體都能反光，不同物體反射光線的能力不同。在此基礎(chǔ)上，部分學(xué)生還提出了關(guān)于“為什么不同物體反射光線的情況不同”的猜想，并利用這個(gè)數(shù)字化的探究裝置自主設(shè)計(jì)研究了“物體的顏色、表面粗糙程度與反射情況之間的關(guān)系”，進(jìn)行了深度的學(xué)習(xí)。在學(xué)習(xí)之后的調(diào)查中，學(xué)生都表示深刻地認(rèn)識(shí)到了“我們能看見(jiàn)物體，是因?yàn)樗鼈兌挤瓷涔狻薄?/p>

可見(jiàn)，將一些肉眼無(wú)法直接觀察的現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為“有形”的數(shù)據(jù)后，在證據(jù)的支撐下，學(xué)生的推理論證更加科學(xué)規(guī)范，能夠很好地解釋事物的內(nèi)在規(guī)律。在這個(gè)過(guò)程中，學(xué)生實(shí)現(xiàn)了深度的可視學(xué)習(xí)，領(lǐng)悟了定量研究的科學(xué)方法，鍛煉了創(chuàng)新思維能力，促進(jìn)了自身推理論證能力的提升。

四、結(jié)語(yǔ)

科學(xué)思維能力的提升依托于持續(xù)的科學(xué)素養(yǎng)導(dǎo)向下的教學(xué)，是在一系列的教育行為和實(shí)踐活動(dòng)中得以提升的。這需要一線科學(xué)教師為學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展搭建支架?？梢暬瘜?shí)驗(yàn)策略關(guān)注學(xué)生在思維過(guò)程中存在的障礙，基于更新材料、變革技術(shù)、轉(zhuǎn)換方法等手段，能通過(guò)對(duì)探究實(shí)驗(yàn)的二次加工和創(chuàng)新，化抽象為具體，化無(wú)形為有形，充分提高學(xué)生的思維靈活性，提升學(xué)生的模型建構(gòu)、推理論證等能力，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維不斷進(jìn)階發(fā)展。

【本文系珠海市2024年教育科研規(guī)劃課題“以創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)為支架的小學(xué)科學(xué)深度學(xué)習(xí)研究”課題成果之一，課題批準(zhǔn)號(hào)：2024ZHGHKT039】

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