基于模型構(gòu)建的科學思維培養(yǎng)

吳春曉，黃致新

摘? ?要：在“全反射”這一節(jié)，教師一般采用演示實驗讓學生看到一些光學現(xiàn)象，然后通過歸納，為學生總結(jié)出全反射的條件。本研究通過拋出問題，展示現(xiàn)象，讓學生分組實驗、討論交流，從而得出全反射的條件。讓學生自己得出結(jié)論的過程不僅能形成物理觀念，而且發(fā)展了學生的科學思維、科學探究以及科學態(tài)度與責任等核心素養(yǎng)。

關鍵詞：全反射;學科核心素養(yǎng);科學思維

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2021）11-0026-3

1? ? 設計理念

1.1? ? 學情分析

在本節(jié)課之前，學生已經(jīng)學習了“光的折射”，對于入射角和折射角有了一定的認識，但是對于全反射的現(xiàn)象接觸較少，需要一些生活中的例子加深他們的印象，同時通過對實例的分析加深他們對全反射條件的理解和應用[1]。

1.2? ? 教學目標

希望通過本節(jié)課的內(nèi)容培養(yǎng)學生如下的物理學科核心素養(yǎng)：

（1）物理觀念：

通過分組實驗，建立全反射的物理觀念，能辨別光密介質(zhì)和光疏介質(zhì)。

通過總結(jié)與歸納，掌握全反射的兩個條件，同時能夠判斷發(fā)生全反射的條件。

（2）科學思維：

通過各種實驗現(xiàn)象，培養(yǎng)學生的歸納思維。

通過對實際問題的研究，培養(yǎng)學生構(gòu)建模型和解決問題的科學思維。

（3）科學探究：

通過分組實驗的形式，鼓勵學生通過科學探究探尋全反射的兩個條件。

通過小組討論的方式，以解決變臉魔術(shù)為主題，培養(yǎng)學生科學探究的積極性，同時培養(yǎng)他們對物理問題解釋說明的能力。

（4）科學態(tài)度與責任：

通過探究實驗中的規(guī)范操作，培養(yǎng)學生的科學責任感。

通過高錕的研究事跡，認識光纖技術(shù)對社會經(jīng)濟生活的重大影響，激發(fā)學生對科學研究的向往，培養(yǎng)學生在科學研究中的科學態(tài)度。

1.3? ? 教學重、難點

（1）判斷是否能發(fā)生全反射;（2）能夠分辨光密介質(zhì)和光疏介質(zhì)。

1.4? ? 教學策略

（1）利用變臉實驗激發(fā)學生的學習興趣;

（2）通過實驗探究，引導學生歸納出全反射的條件，同時對相關實例能夠進行一定的分析;

（3）通過對變臉實驗原理的探究，讓學生在實際問題中加深對本節(jié)所學內(nèi)容的理解。

2? ? 教學過程

2.1? ? 魔術(shù)開場，激發(fā)學生的學習興趣

如圖1所示，教師展示變臉用的水箱教具，當教師倒入水之后，學生會看到隨著水的注入從圖1逐漸變成了圖2的情景。通過魔術(shù)的方式，激發(fā)學生的學習興趣。

2.2? ? 知識回顧，推動學生產(chǎn)生認知沖突

學生在上一節(jié)已經(jīng)學習了折射定律，通過簡單的兩個問題就能夠激發(fā)學生的認知沖突：

（1）如果光線從玻璃中出射到空氣中，入射角為30°，折射角為60°，則介質(zhì)相對于空氣的折射率是多少？

（2）如果光線從玻璃中出射到空氣中，入射角為60°，折射角為多少？

如果學生按照折射定律計算第2問，會得到折射角的正弦值為1.5，而任何角度的正弦值都不可能大于1。這個時候就會有學生猜測此時折射定律不適用，或者猜測此時折射光線的折射角是90°。為了給學生思考的空間，教師并不直接斷定這些猜想是否正確，而是順著學生的猜想讓他們通過分組實驗的方式進行探究：如果光線從玻璃進入到空氣中，當入射角大于某一個值的時候，折射光線會怎么樣？

2.3? ? 分組探究，以生為本探究全反射條件

在分組實驗之前，教師簡單介紹儀器的使用方式和注意事項（圖3）：有兩種激光演示儀可供選擇。學生分組實驗并思考如下問題：

（1）光線從空氣到玻璃和從玻璃到空氣，隨著入射角的增加，觀察到的現(xiàn)象有何相同[2]，有何不同？該問題引導學生認識到全反射只是一種特別的情況，并且對入射和出射的介質(zhì)有要求。對于這個問題教師需要引導學生回答兩個方面的內(nèi)容：

①無論是從哪種介質(zhì)到哪種介質(zhì)，折射角和反射角都會隨著入射角的增大而增大;

②只有從玻璃到空氣的時候會出現(xiàn)所有光都被反射的情況，而從空氣到玻璃則會一直存在折射光線。

通過上述的探究活動方式，教師總結(jié)：在物理學中將折射率相對較大的介質(zhì)稱為光密介質(zhì)，將折射率相對較小的介質(zhì)稱為光疏介質(zhì)，同時強調(diào)其定義和相對性，并列舉相關的例子強化學生對這一概念的理解。

（2）要出現(xiàn)所有光都被反射回原介質(zhì)的現(xiàn)象，需要入射角滿足什么條件？（請用公式理論推導）。該問題引導學生在確定入射和出射介質(zhì)的情況下，找到發(fā)生全反射的臨界狀態(tài)。同時，引導學生推導當折射角為90°的時候入射角的表達式。學生在推導的時候可能會說只有當角度大于這個臨界狀態(tài)的時候才能稱之為全反射，教師需要及時糾正為大于等于臨界角都定義為全反射。

當完成了上述探究和相關的討論之后，教師引導學生歸納全反射的定義、全反射產(chǎn)生的條件以及臨界角、光密介質(zhì)和光疏介質(zhì)的定義。

2.4? ? 首尾呼應，小組討論魔術(shù)原理

課堂引入時使用的變臉實驗其實是一個比較難理解的實驗，教師可以讓學生觀看PPT展示的原理圖（圖4），并且讓學生上臺來近距離研究實驗裝置。這樣的方式比教師直接講授更能激起學生的興趣（圖5），更能培養(yǎng)學生的模型建構(gòu)和科學推理能力。

在探究的過程中，為了簡化模型，可以讓隔板和水的折射率幾乎相等，這樣學生就能夠更快速地構(gòu)建模型。

2.5? ? 結(jié)合實際，從物理走進生活

在了解了全反射的原理之后，教師可以跟學生一起就全反射的實際應用進行討論：生活中的全反射棱鏡、光纖、水中的氣泡、海市蜃樓，等等。

3? ? 課后反思

教師在教學的過程中總是希望將計劃的內(nèi)容“講”完，但是學生的接受能力不同，所導致的學習效果也不同。因此，并不是教師“講”了，學生“聽到”了，就代表著學生能將所學的物理規(guī)律應用于解決物理問題中。所以，“以生為本”的教學方式，教學進度一定跟學生的實際水平有關，教師有時候需要給學生一點時間思考與討論，才能更加有利于學生思考，真正實現(xiàn)高效的課堂。

參考文獻：

[1]徐慧.以問激疑，由疑啟思——“全反射”的教學設計[J]. 物理教學，2017，39（02）：18-22.

[2]高嵩，邢宏光.設計進階實驗，引發(fā)認知沖突——“全反射”教學設計[J].物理教學探討， 2018，36（10）：32-34.

（欄目編輯? ? 鄧? ?磊）