基于学习进阶的生活化物理实验教学——以“光的折射”为例

张 华 阮享彬

(1. 重庆市江津区教育科学研究所,重庆 402260; 2. 重庆市教科院,重庆 400010)

科技创新是国家发展、民族复兴的核心动力,而物理实验教学在培养学生的创新精神和实践能力方面具有独特的育人功能．生活化实验作为中学物理教学的重要组成部分,教学中却存在教学功能定位不准等问题．西部某省市的调查显示,87.3%的教师更关注实验的完成度和知识的掌握程度,对学生思维层级发展关注不够;6.2%的教师在教学中会引入生活化物理实验,但主要作用仅仅是引发学生的兴趣,对学生的认知缺乏连续的教学支撑点．新颁布的《高中物理课程标准》指出:“要利用日常用品改进实验或开发新实验,使实验现象更明显、直观,开发出低成本高质量的实验”．由此可见,生活化物理实验教学与课标要求高度契合．

1 学习进阶与生活化物理实验教学

1.1 学习进阶

学习进阶是对学生在一个时间跨度内学习和探究某一主题时,依次进阶、逐级深化的思维方式的描述．学习进阶致力于描述学生的思维发展过程,建立科学的认知发展模型,这就为教学序列的安排提供了学生学习概念的初始状态和发展过程需要经历的不同层级,让教学更科学、有序、高效．

1.2 基于学习进阶的生活化物理实验教学理论

生活化物理实验教学是指基于学生的学习进阶,从教学目的和学生思维层级出发,结合教学内容和学校实验条件,选择运用生活化物理实验开展教学．

生活化物理实验资源开发和教学实施的目标是为学生思维发展的一系列层级(阶)提供贴近学生生活的生动的、易于接受的支撑点，包含以下3个特征:第一,生活化物理实验的资源开发和教学实施要在明晰学生的学习进阶的基础上开展．第二,生活化物理实验的资源开发和教学设计有明确的功能指向,不仅仅笼统局限于补充教学手段和引发学生兴趣．第三,同一生活化物理实验资源的功能具有多样性,能够在不同的概念教学过程中充当支撑点的作用．总之,生活化物理实验的教学设计应该呈现层级性，并与学生思维发展层级相匹配．

2 生活化物理实验教学理念下的“三环六段”教学策略

按照学习进阶理论对生活化物理实验教学进行匹配分类,形成生活化物理实验教学策略(图1),其教学过程大致包含三环节六阶段:即认知起点——走进生活、情境激趣,引入教学内容(观察生活感知材料、初步分析形成认识);认知发展——生活实验、科学探究,建构物理概念和规律(问题、证据、解释、交流，抽象概括、形成结论);认知完善——回归生活、深化拓展环节,运用物理概念和规律(回归生活、理解应用，课外拓展、完善认知)．生活化物理实验灵活多变,可以根据教学内容应用在物理教学的各个环节,可以就其中一个环节应用,也可多个环节并用．

图1 生活化物理实验“三环六段”教学策略框架图

3 案例分析

物理课堂教学当中,利用生活化实验来加深学生对概念和规律的理解是物理教学的重要手段之一．下面以沪科版初中物理“光的折射”为例,分析“三环六段”教学策略的具体运用．

3.1 进阶目标

通过实验,掌握光的折射定律并应用光的折射规律解释与其有关的一些自然现象．

3.2 进阶起点的预设与诊断

学生学习某一概念或规律的进阶起点,是建构该概念所必须的已有知识和关键能力,即学生关于该概念的前认知．教师开展教学前,应在全面了解学生的相关知识层次和能力水平的前提下,确定其学习进阶的起点．教师根据教学经验和教学内容的前后联系,确定本节课前测题如下:

(1) 生活中许多物体可以发光,以下属于光源的是

(A) 水母. (B) 萤火虫.

(C) 月亮. (D) 发光的霓虹灯.

(2) 下列光现象中,属于光的直线传播的是

(A) 筷子在水中折断.

(B) 陶罐在镜中成像.

(C) 树荫下形成的圆形光斑.

(D) 重庆解放碑璀璨的光柱.

(3) 光的反射中,光路________(选填“可逆”或“不可逆”)．

图2 光的反射

(4) 在如图2中,请根据光的反射定律画出物体A在平面镜MN中的像A′．

前测题包含以下4个方面内容:光的直线传播、反射定律、平面镜成像和光路可逆．通过测评发现，在知识水平方面,学生知道了光在同一种均匀介质中沿直线传播,并可以通过光路等显示出来;基本掌握了光的反射定律及其物理量，知道平面镜成的像是虚像及光路可逆;在能力水平方面,学生形成了光路可逆的意识,理解了借助法线来确定反射定律中的入射光线、反射光线的几何关系,具备了利用反射定律作图的能力．

3.3 进阶层级划分与核心活动设计——“三环六段”教学策略

环节1.认知起点——走进生活,情境激趣.

(1) 观察生活,感知体验.

知识的引入,是一个认知定向的环节,基本预设是学生处于学习进阶的经验水平．在此环节,需要创设新、旧知识的联系．因此,必须适度引导,引发和前认知的冲突,启发学生发现、思考问题．

在引入环节,利用两次叉鱼展开教学．教师首先讲述生活中叉鱼的故事;接着利用自制器材,请学生甲到讲台展示——先瞄准,再叉鱼,结果瞄得越准反而越叉不到鱼(图3);然后请学生乙利用激光笔,沿着甲学生在空气中叉鱼的路径(为清晰显示激光路径,在空气中用加湿器产生水雾,液体中加适量牛奶),这一次激光射到了鱼．通过对比实验,引起认知冲突,激发了学生兴趣,引发学生探究的欲望,也有利于学生认知定向的达成．

图3 叉鱼实验

(2) 分析现象,形成认识.

接下来探究光从空气到水中发生的折射现象．请学生把激光笔光路的径迹用光线画出来,借此引出光的折射定义．然后对光的折射与光的反射进行类比,定义光的折射．由此看出,利用生活化物理实验使学生更容易地建构起科学知识与生活经验、生活情境的桥梁,让学生在真实情境的基础上,帮助其建构新知识,使其顺利达到学习进阶的映射水平．

环节2.认知发展——生活实验,科学探究,形成物理概念和规律.

(1) 问题、证据、解释、交流.

教师通过引导学生开展生活化的物理实验,目的是使学生在做实验的过程中,充分感受建模的过程,有利于帮助学生深刻理解物理概念和规律．在生活化实验过程中,通过提出问题、搜集证据、合作交流、解释证据,逐步培养学生的实验操作及动手能力,使学生的观察能力、思维能力不断提高,同时学生的概念理解从映射水平上升到关联水平．

通过分析学生画的光路图,发现光线的确发生了偏折,但偏折的方向跟角度都出现了不一致的现象．这就使学生产生了新的疑惑,究竟入射角和折射角的关系如何,这正是光的折射定律的内容．

实验中,利用生活化物理实验器材开展分组实验(图4)．选用圆形塑料饭盒,装半盒水,盖上盖子,做成一个半圆形“水砖”．用软笔画一条竖直的法线后,立起放在铁架上,再用激光笔照射,就可以探究光的折射规律了．具体探究过程如下.

图4 光的折射

提出问题:光的折射遵循怎样的规律．

猜想假设:对比光的反射规律进行猜想.

设计和进行实验(实验表格见表1，表2):

表1 探究光的折射定律(实验1)

表2 探究光的折射定律(实验2)

这样,通过随手可见的生活器材探究光的折射定律,充分体现了生活化实验直观生动、形象具体的显著特点,使学生产生热爱学习物理的情感．并将抽象的物理学概念和规律具体化、复杂物理学概念和规律简单化,使学生更容易接受．

(2) 抽象概括，形成结论.

物理概念和规律的形成,是一个比较复杂的过程,需要深度思维活动,转变认知模式,达成概念和规律的科学建构．教师要随时关注学生概念发展的现状和问题,判断学生的概念发展水平,沿着学生概念进阶的途径创设相关情境,引导学生通过观察和思考发现和提出问题,突破原有认识的局限,用科学的思维方式研究和解决问题,生活化物理实验有助于学生挖掘所蕴含的深刻的物理内涵,形成结论,并转化为头脑中的科学认识,使概念理解顺利达到关联水平．本结论形成过程如下.

思考并回答下列问题,得到结论:

光折射时,折射光线、入射光线和法线是否在同一平面内?

折射光线、入射光线是否位于法线两侧?

折射角和入射角大小关系?

入射角增大,折射角将如何变化?入射角减小呢?

当光线垂直射向介质表面时,传播方向是否改变?

光折射时,光路是否可逆?

请把你的结论填写在导学案中的分析论证部分．

环节3.认知完善——回归生活,深化拓展,运用物理概念和规律.

概念的深层次理解,有赖于学生概念的形成程度．在初步建构概念的基础上,选择具体问题,可以是课内让学生解决问题,还可以布置学生自己动手做一些有趣的实验,进一步提升和拓展对概念和规律的科学认识,从而使知识理解层级水平从关联上升到系统和整合水平．

(1) 回归生活,理解应用.

生活化实验教学就是把抽象的学科知识还原于生活,使知识在实践中得以验证和完善．通过利用所学物理知识来解决生活实际问题和解释生活现象,学生具有了主动学习的机会,在问题解决中注重与生活的联系,学生在体验和感悟中才会真正理解知识．

在叉鱼实验中,学生甲明明瞄准了,为什么没有叉到鱼?通过讨论,学生就从实验中亲身感受到了虚像的位置,然后根据光路可逆,让学生们画光路图(图5),解释虚像的形成原理．

图5 叉鱼光路图

总之,在深化拓展阶段,可利用光的折射定律解释生活中的物理现象,如筷子折断现象、硬币重现等,利用餐盒探究出的光的折射定律,能够解决学生多年的疑惑,说明物理学科有趣、有用,并享受学以致用的快乐．

(2) 课外拓展,完善认知.

学生学习物理的过程,应更多地加强物理与生活的联系,让学生从课内走向课外,享受运用知识解决实际问题的乐趣．通过简便易做的一些小实验小制作,让学生在课后开展实验或者在生活现象类似的场景进行观察,让学生充分体验主动探索、合作学习的过程,培养学生实践能力和实验创新能力．通过课内、课外实验的有机结合,培养学生解决实际问题的能力,有效促进学生对知识的整合．本节课的课外拓展内容如下．

完成并解密小魔术:硬币重现．

撰写一篇关于“容易受骗的眼睛”的科技小论文．

在布置了课后小实验后,可要求学生要上交小制作或者在家进行了实验时利用摄录设备进行视频记录,然后在课堂上进行展示,极大地促进了学生的积极性．通过课外拓展,生活化物理实验真正走进了学生的生活,也在一定程度上加深了学生对折射定律的理解和应用,有助于学生完善对光的折射的认知．

总之,通过开展基于学习进阶的生活化物理实验教学,将物理知识融入到有关生活现象和解决具体的社会生活问题中,增强了物理与STSE的联系，同时,有助于提升学生的实验探究能力,帮助学生形成正确的物理观念,提高科学思维和创新能力及学习物理的积极性和主动性,并有效激发学生的社会责任感．