基于探究式教学提升学生核心素养——以初中物理“光的折射”为例

黄 鹏

(重庆巴蜀常春藤学校,重庆 401127)

2016年9月教育部发布了《中国学生发展核心素养》的研究成果,明确了中国学生发展的3个方面、6大素养和18个基本要点,[1]其中物理核心素养主要由“物理观念”、“科学思维”、“科学探究”、“科学态度与责任”4个要素构成.物理核心素养是学生在接受物理教育过程中逐步形成的适应个人终身发展和社会发展需要的关键能力和必备品格,是学生科学素养的重要组成部分,是物理学科育人价值的集中体现.

探究式教学是提升物理核心素养的重要有效途径.从形式上看,探究式教学表现出模拟科学探究的特点;从组织结构上看,它强调以学生为中心,强调学生对知识的主动探究和主动发现;从目标分析上看,它着重培养学生科学探究能力与科学品质.[2,3]加强探究式教学的研究对学生核心素养培养至关重要.初中物理“光的折射”集物理现象、物理概念、物理规律、知识应用于一体.是培养学生能力和锻炼学生思维的经典教学案例,值得深入研究.笔者在2017年第5届“华夏杯”全国物理教学创新大赛中执教了“光的折射”,尝试融合类比建模、直觉猜想、证伪、逆向思维等思想方法,借这节课的探究式教学设计与同仁们探讨如何提升学生物理核心素养.

1 理清关系,分级制定,目标明确

学生发展核心素养是对三维目标的提炼和升华,是三维目标的高阶表达．要提升学生核心素养和物理学科核心素养,首先要理清学生发展核心素养、学科核心素养、课程标准之间的关系:学科核心素养是学生发展核心素养的具体表达,学科课程标准是完成任务的目标理念和要求.[4]因此,可以把学生核心素养作为终极追求的一级目标,学科核心素养作为学科特色的二级目标,学科课程标准作为具体实施的三级目标.“光的折射”一课的学科核心素养具体化目标分级制定见表1.

表1 分级目标

笔者将“光的折射”一课中的物理观念、科学探究、科学思维和科学态度与责任等物理学科核心素养对应学生发展核心素养的3个方面,并基于义务教育物理课程标准分解教学目标.[4]既有对以往三维目标的继承和发展,更有对物理学科核心素养在本节课中的具体落实.这样的教学目标明确具体,逻辑清晰,操作性强.

2 创设情境,引入新课,激趣生疑

通过一个学生耳熟能详的故事“坐井观天”导入情境:当枯井中无水时,利用光的直线传播,学生容易确定青蛙看到的天空范围;如果风云变幻、大雨倾盆,使井中注满水,青蛙看到的天空范围会变化吗?如图1,用摄像头模拟青蛙的眼睛,用底部透明的杯子模拟水井,桌子下面是模拟夜空.让学生亲眼看到加水后,青蛙能看到的星星变多.为什么看到的星星会变多呢?带着疑问进入新课.

图1 模拟“坐井观天”

基于核心素养的探究式教学需要学生积极的学习态度作为支撑,而创设情境是诱发学生探究兴趣的有效手段.通过生动有趣的情境导入可以提高学生的积极性,使学生从课堂学习之初,就对本节课将要进行的探究产生浓厚的兴趣.[2]

3 建立模型,提出概念,引起新疑

图2 光的折射实验光路

通过演示激光斜射入水(滴几滴牛奶)中,学生可以观察到:光从空气斜射入水中时,传播方向发生了偏折,在水面处还同时发生了反射.面对实验现象,建立物理模型,把光的折射现象用如图2所示的光路模型表达出来,运用类比(光的反射)的方法,介绍入射光线、折射光线、法线、入射角和折射角等概念,为折射规律的探究打下基础.由此提出新问题:光的折射遵循怎样的规律呢?

通过实验现象,使学生获得感性认识,不仅激发学生探究意识,还加深了学生对物理现象的认识,培养了学生结合物理现象建立物理模型的能力.模型的建立自然引出对折射规律的探究.

4 科学探究,寻找规律,总结方法

先和学生一起回顾光的反射定律:3线共面、两线分居、两角相等以及光路可逆.类比光的反射,学生很容易猜想光的折射规律,从而展开对光的折射规律探究.

4.1 教师演示,3线关系

介绍探究3线关系的实验器材,如图3所示.它是一个右面可以翻折的光屏,先将它们固定在同一平面,让一束光从空气斜射入玻璃,此时学生可以观察到入射光线,折射光线和法线;然后翻折光屏的右面,看是否还能接收到折射光线.如果不能接收到折射光线,3线共面;反之则3线不在同一平面.同时发现在改变入射角的过程中,两条光线一直位于法线两侧.

图3 自制光的折射演示仪

4.2 学生探究,两角关系

介绍学生探究所用的实验器材,带激光器的刻度盘、水和玻璃,着重通过实验介绍光线通过半圆形玻璃砖的特点，如图4所示.为了得到更普遍的规律,奇数组探究光在空气和水之间的折射规律,偶数组探究光在空气和玻璃间的折射规律.强调实验中的注意事项:激光不要照射眼睛;分工合作,有人操作,有人记录;通过学案上记录的数据总结规律.记录表格见表2和表3.

图4

入射角i30°40°50°60° 折射角r

从表2的数据中,学生归纳总结出入射角和折射角之间的规律: ① 当光从空气斜射入玻璃或水时,折射角小于入射角.② 折射角随着入射角的增大而增大,随着入射角的减小而较小.

表3

从表3的数据中,学生归纳总结出入射角和折射角之间的规律: ① 当光从玻璃或水斜射入空气时,折射角大于入射角.② 折射角随着入射角的增大而增大,随着入射角的减小而减小.从以上两个表格的数据中,学生可以对比总结出光的折射也是光路可逆的.得出以上结论后小组间可以交流数据和结论,看得出的结论是否具有普遍性.

总结出以上基本规律后,鼓励学生跳出表格的束缚,引导学生自由探究特殊情况: ① 当光垂直入射到介质表面时,光的传播方向不发生偏折,此时入射角和折射角都等于0°.② 当光从水或者玻璃斜射入空气时,入射角增大,会出现折射光线消失的现象.一般学生都会发现全反射现象,教师不要回避,最好在肯定学生之后,简单介绍它是高中阶段将学习的全反射现象,并且鼓励学生课下进一步研究.

探究教学的核心是关注物理知识的生成和论证过程.通过物理现象激发学生的兴趣是培养学生观察能力的基本途径,形成具体的物理现象有助于学生建立物理模型,是形成物理概念和规律的前提.[5]从现象到概念规律的认识,是完成从感性认识到理性认识的第一次飞跃过程,学生经历“观察现象——建立模型——类比猜想——实验检验——交流评估”的探究过程,不仅获得了物理的基本概念和规律,更获得了科学探究的方法,也提高了思维能力和团队意识.

5 前后呼应,释疑解难,学以致用

用光的折射规律来解释日常生活中的现象是本节课的难点,但由于折射规律的探究是非常充分的,规律是学生自己通过实验探究得出的,教学难点得到较轻松突破.

5.1 解释“坐井观天”

图5 “坐井观天”光路图

为什么有水时青蛙看到的天空范围变大了?引导学生画出如图5所示的光路图,由于光发生了折射,光从空气斜射入水中时,不在沿直线传播,因折射角小于入射角,此时进入青蛙眼睛的光线应来自于更外侧,所以更大范围的天空进入了青蛙眼睛.理解了“坐井观天”的实验原理后,介绍电影《战狼Ⅱ》里面坦克的观察窗,如果要扩大坦克兵看到的范围,学生很容易联想到装入玻璃或水,因为它和“坐井观天”有异曲同工之妙.

5.2 解释“叉鱼”

图6 “叉鱼”光路图

在社会日益文明和发达的今天,学生也应该掌握一些基本的生存技能,引出“叉鱼”实验.在鱼缸侧壁贴上一条卡通鱼,让学生先通过观察孔瞄准卡通鱼,然后用摄像头检验学生的确瞄准了目标,接着锁定观察孔不动,将鱼叉滑入观察孔却叉到了鱼的上方.为什么瞄准了却叉到鱼的上方?引导学生任取两条鱼反射的光线到水面,作出两条折射光路,学生很容易理解两个折射角的大小关系(∠4>∠2),判断出两条折射光线是发散的,从而很好的理解折射形成的虚像在真实物体的上方.

5.3 解释“星星眨眼”

图7

“一闪一闪亮晶晶,满天都是小星星”是我们熟悉的歌谣,可是为什么会出现“星星眨眼”呢?如图7所示,先利用酒精喷灯和激光笔(带满天星灯头)模拟星光闪烁,接着引导学生分析酒精喷灯起到加热空气和引起气流的作用,然后联系到大气层本来就是不均匀的,因此星光穿过大气层要发生多次折射.又由于大气层不是稳定的,大气的扰动就会使星光的偏折程度不断变化,一会儿进入人的眼睛,一会儿偏离人的眼睛,所以人们看到了星星闪烁.可以通过类比艳阳天时,水的动荡引起观察到的游泳池底晃动,帮助学生理解;还可以介绍俗语“星星眨眼,离雨不远”,因为星星闪烁越厉害,说明高空气流越不稳定,天气很可能发生变化,让学生感受劳动人民的智慧.

物理来源于生活,又高于生活.物理探究式教学只有贴近生活,才能有效激活学生探究之源,使学生在生活中学习,又学会运用物理知识解释生活中的现象,解决生活中的物理问题.这就是课程理念倡导的“从生活走向物理,从物理走向社会”.通过生活中的现象,不仅激发学生探究意识,也加深了学生对物理规律的理解,还培养学生的科学思维.探究身边的问题可以使学生从被动接受变为主动探究,有利于提升学生的核心素养.

6 延伸课堂,逆行思维,感受神奇

在“叉鱼”实验中学生体验的是人的视角,即从水上看水下物体,最后可以用视频“神奇的射水鱼”启发学生逆向思维,从鱼的视角结束本堂课.让学生感受大自然的神奇,并思考:射水鱼是直接瞄准的昆虫吗?请学生在课外继续探究,还可以上网查询相关资料.

要提升学生的核心素养离不开课堂探究学习,但是物理探究教学不应该局限于课堂,还要延伸到课外,为学生创造探究实践的机会.[2]探究实践活动比课堂探究具有更强的综合性和自主性,对于学生物理观念的内化、科学思维的形成和创新能力的培养等都有不可取代的重要作用.

7 小结

总之,基于探究式教学提升学生核心素养具有重要意义.科学探究是一个过程,是一种学习方式和科学研究的雏形,是一种学习物理观念、发展科学思维、形成科学态度和责任的手段和途径.[8]然而,如何设计系统的科学探究,仍然是一个复杂的课题,需要我们广大教师的智慧和创造性.让我们共同努力,为提升学生的核心素养,把物理探究教学推向一个新境界.