初中物理规律深度学习探讨——以“光的反射定律”为例

祁凤虎

(江苏省徐州经济技术开发区实验学校，江苏 徐州 221000)

深度学习是相对浅层学习而言的一种学习方式，初中物理规律的深度学习更注重规律形成过程和规律逻辑关系的理解，本文以苏科版初中物理教材中“光的反射”教学为例，就如何分析教材、重整教材以及如何深度追问，分享笔者的思考。

1 研读教材，发现问题

在当前关注学生核心素养培养的背景下，我们的教材观要有所转变，要从“教教材”切换为“用教材教”，对于本节课的核心“探究光的反射规律”的处理，苏科版教材的编写思路符合学生思维逻辑发展的特点，先探究“线”的空间位置关系，然后再探究“角”的大小关系，但仔细分析教材的细节处理，发现还存在一些问题，具体为如下两个方面。

1.1 关于三线共面

苏科版教材关于这一内容的处理是提供了如图1所示的实验方案。图1中纸板可绕中央轴转动，使用纸板的目的是除了显示光路外，还说明三线共面。

图1

实践后发现该演示实验光线的可见度不高，很难达到理想的效果，很多教师为了提高实验可视度在激光笔前端绑上一个圆柱形玻璃棒，不过新的问题又随之而来，当纸板向前翻折时，由于光源的变化在纸板B上也会出现光束。

1.2 关于法线和两角概念的提出

苏科版教材采用信息快递的方式给出了法线、入射角、反射角的概念。

笔者认为把法线概念直接给学生，不利于后续对入射角、反射角的理解，总是会错误地认为入射角(反射角)是入射光线(反射光线)与平面镜镜面的夹角。

2 优化设计，深度学习

为了解决教材中出现的不足，促进学生认知深度发展，笔者认为需要对教材进行二次开发，让光的反射规律直观地呈现出来，培养学生的核心素养。

2.1 直观全面呈现光的反射现象

不需要借助于图1中的纸板，只需要关上窗帘，借助于水雾、烟等来显示光路，或选择大功率的激光笔作为光源直接在空气中照射平面镜，让学生直观地观察到光的反射现象，当一束入射光斜射到平面镜上，只有一束特定方向的反射光，当转动激光笔改变入射光的角度，发现反射光的角度也随之而发生改变。

2.2 借助“细线”固化光路

为了便于量化研究，笔者选择如图2装置进行实验。

图2

(1) 实验器材：铁架台2个(图中标1)、大功率激光笔(图中标2)、强磁铁2个(图中标3)、平面镜(图中标4)、透明塑料板(图中标5)、细线(图中标6)、具有一定厚度的长方体盒子、小螺帽、记号笔、夹子若干。

(2) 实验步骤：① 将强磁铁放在平面镜下， 并用记号笔在镜面上标注强磁铁所放位置(“位置1”)，该点作为入射点；② 调整激光笔使入射光打在入射点，可以观察到在透明塑料板上出现一个光斑，并用记号笔记录光斑的位置(“位置2”)，在该位置放一强磁铁；在细线上穿2个小的铁螺帽，一端固定在激光笔头部，一个螺帽吸在“位置1”，另一个螺帽吸在“位置2”，使细线绷直(因为光在同一种均匀介质中沿直线传播)，则入射光线、反射光线、入射点就被记录下来了。

2.3 定性探究共面

将光线“固定”后，如何探究入射光、反射光与平面镜之间的空间位置关系？

借助于有一定厚度的长方体盒子来进行定性分析，当线固定好后，细线与盒子的侧面完全贴合时，可以发现盒子的底部也与平面镜完全贴合，由此可得出结论入射光线与反射光线共面，且“两线”所在的平面垂直于平面镜所在平面，用量角器可以量出两根细线与平面镜的夹角相等，为后面引出“法线”“反射角等于入射角”打下基础。定性探究“共面”的意义，可以在引入“法线概念”、总结出规律后引导学生进行反证，加深对“三线共面”的理解。

2.4 引出“法线”，总结规律

教材中对于“法线”的引入比较突然，不利于学生深入认识规律，因为就平面镜而言似乎不引入法线也能够解释光的反射现象。从深度学习的视角，笔者认为有必要让学生认识到引入“法线”对规律表征的重要性。

(1) 在引入“法线”的概念之前，描述入射光线和反射光线的关系比较冗长，相比于两线所在平面与镜面垂直而言，引入“法线”后，“三线共面”“入射光线、反射光线位于法线两侧”的描述要简洁很多。

(2) 在引入“法线”的概念之前，入射角和反射角也可以定义，则需要将其定义为上文中提到的光线与镜面(界面)的夹角，对于平面镜似乎也不是太难理解，但是后续学习我们会遇到曲面镜，倘若如此定义，则入射角、反射角不容易测量，理解上也存在较大的难度，引入“法线”后，“反射角等于入射角”的描述要准确很多。

(3) 引入“法线”概念不仅仅是为了表述光的反射规律，也是为后续学习光的折射、定义折射角以及表述光的折射规律打下基础。

为了消除课堂引入“法线”的顿挫感，使学生更好地理解“三线”位置，感受到物理规律的简洁美，笔者设置了如下问题，将学生的思维引向深入。

问题1：通过前面的实验，我们记录了入射光线、反射光线、入射点，还用量角器进行了测量，发现两根细线与平面镜的夹角相等，从空间上看，入射光线与反射光线有着怎样的关系？请用简洁的语言描述。

设计意图：放手让学生自由描述，最终锁定“轴对称”，引出“法线”的概念。

问题2：“法线”真实存在吗？

分析：法线是过入射点画出的垂直于镜面的直线，实际不存在。

问题3：既然不存在，那我们引入这样一个概念的意义是什么?

设计意图：引导学生从引入“法线”前后对光的反射的描述，自己总结出“反射光线、入射光线与法线在同一平面内”“反射光线与入射光线分居法线两侧”“反射角等于入射角”的结论，切身感受在引入“法线”后规律描述的准确性和简洁美。也可以结合学生的回答，进行必要的追问与提示，促进学生对反射定律的内化。

3 追问反思，深入理解

物理规律的多种表征方式都是非常严谨和准确的，笔者在进行光的反射教学时发现总有学生会提问：为什么不能描述为“入射角等于反射角”？这的确是一个值得思考的问题，如果我们从数学的视角去思考，或是从光路的可逆性角度思考，描述为“入射角等于反射角”也未尝不可，但是如果教师在备课的过程中不加以反思，仅仅是在课堂上强调这里只能说成“反射角等于入射角”，则太过于武断，学生很难感受到规律中所蕴含的逻辑关系，甚至很可能会将学生带入歧途。

为了给学生解释这个问题，笔者查阅了人教版高中物理3-4的教材，也在知网上查阅了相关文献。反射角等于入射角的描述当然符合逻辑，同时也反映了两者的因果关系，但是并非仅仅是这些原因才导致了规律只能描述成“反射角等于入射角”，在自然界中存在入射光、却没有反射光的现象，这也是反射定律在该处描述成“反射角等于入射角”的原因之一。

那么，在哪些情况下有可能不存在“反射光线”呢？笔者认为虽然是在初中阶段，适当地给有认知需求的学生举出实例，进行知识的拓展，有助于学生深入理解规律，感受科学的严谨性，促进物理观念的形成，不存在“反射光线”的情况可以给学生拓展性介绍如下两种情况：

(1) 光的偏振现象，有条件的话可以和学生一起做实验，演示线偏振光以布儒斯特角入射时没有反射现象的情形(如图3)，感受反射光消失的实验过程，体验初中物理教材对光的反射规律的准确性。

图3

(2) 将人教版高中物理3-5教材中关于“黑体”的材料介绍给相关学生阅读，让学生认识到当光入射到绝对黑体表面时会被全部吸收，这时只有入射光而没有反射光。

上述两种存在入射光而没有反射光的情形虽然在初中阶段没有办法向学生进行准确的解释，但是这种上位衔接式教学有助于学生在第一次接触物理规律时就有正确的认识，有效发展学生的科学思维，培养严谨的科学态度。

夸美纽斯在《大教学论》中写道：“一切都是从感官开始的。”深度学习也应该建立在学生感官感知的基础之上，我们初中教师应该尽可能地给学生提供可以直接感知的现象，让物理规律的探究变得更为直观，在一系列的可视化情境中进行探究活动，培养学生的发散思维，从一个个具象化的现象中抽象、概括出简洁、准确的规律，适当质疑与反思规律描述的逻辑性，帮助学生深入学习，逐步建立深刻的理性认知。