初中物理教学中的项目开发与实践——以“光学与应用”的拓展教学为例

朱 红

(江苏省南菁高级中学实验学校教育集团暨阳校区,江苏 无锡 214400)

学生在初中物理学习中的常见困难在于缺乏日常生活经验、将所学知识应用于生活中的能力,而校本化的拓展课程作为国家课程的有益补充,能够满足学生个性化的学习需求。教师通过精心设计项目活动,使学生在完成项目任务的过程中深度体验物理学习的方式,感受物理观念的生发过程,在调动学生学习积极性的同时,完善其知识体系,拓宽视野,以形成有利于学生个人终身发展和社会发展所需的必备品格和关键能力。

本文以初中“光学与应用”的拓展教学实践为例, 采用如图1所示的教学流程，探讨在拓展课程中培养学生核心素养的思路和具体方法。

1 情境引入,确立项目主题

项目活动1:抬头显示器的原理探讨

情境：在现实生活中,驾驶员由于在驾车时低头观察汽车仪表,往往会忽略路况,容易造成交通事故。为此汽车厂商开发出一种抬头显示器：汽车仪表安装在驾驶台上,显示面水平朝上,驾驶员可以做到不低头、不转头就能借助透明挡风玻璃看到竖直显示的仪表的像。如果你是汽车设计师,为了实现这一要求,挡风玻璃应该如何放置?

讨论与分析：汽车前挡风玻璃可视为平面镜,由于汽车仪表水平放置,要让汽车仪表与所成的像垂直,解决方案是让挡风玻璃与水平面的夹角接近45°。教师对学生的合理想法给予积极评价,引出本次物理拓展课的主题：光学与应用。

评价与反思：学生对所学材料产生浓厚兴趣后，可以增强学生学习的动力。高效的教学活动应从精彩的引入开始，在活动伊始教师为学生提供了一个来源于生活的问题,给学生耳目一新之感,学生提出了有创意的思路,既复习了平面镜成像的知识,又激发了兴趣,产生了主动学习的积极愿望。学生从中体会到学以致用的乐趣,深刻认识到科学技术对人类社会进步的重要作用,树立科学态度。

2 动手操作,体验物理观念的形成过程

项目活动2:水膜透镜的制作与应用

2.1 制作水膜透镜

准备一根玻璃棒,将铁丝紧密缠绕在棒上,制成一个内径约为4mm的圆环，将圆环浸没在清水中后马上取出,圆环内会形成一层水膜。

2.2 观察水膜透镜

将水膜透镜贴近课本,透过水膜透镜观察书上的字。轻轻甩去一点水膜中的水,注意保持水膜完好,再用水膜透镜贴近课本,再次透过水膜透镜观察书上的字。教师要求学生将两次观察到的现象分别记录下来,并尝试进行解释。

2.3 比较水膜透镜和胶水膜透镜

将圆环在胶水中浸一下后取出,形成胶水膜。将水膜透镜和胶水膜透镜分别贴近课本,且使这两透镜与课本的距离相同,发现透过胶水膜观察到的正立的字更大一些,要求学生尝试解释其中的原因。

评价与反思：南京师范大学刘炳昇教授说过：“物理小制作可以激发学生的学习动机；拓宽感知渠道,强化有用信息；突出本质因素,促进理性升华。”水膜透镜的制作材料来源于日常生活用品,取材方便,制作简单,学生容易获得成功。学生通过制作水膜透镜并进行观察,可以理解透镜知识在实际生活中的应用。学生通过深度思考,比较通过两种透镜所观察到的实验现象,能够感悟到：胶水比清水对光的折射程度更大,从而自然想到要制成放大倍数更大的放大镜,可以采用对光的折射程度更大的材料,从而在活动中加深了对光的折射、透镜成像等知识的理解。学生在应用物理知识的过程中,强化了物理观念,并内化为解决实际问题的实践能力。

3 经历实验,培养探究能力

项目活动3:全反射的应用——光导纤维

3.1 认识全反射现象

教师提出问题:光从水中斜射入空气中时,在分界面处会同时发生反射和折射。不断增大入射角,若入射角增大到一定程度,会发生什么现象？

学生猜想与假设:当光从水中斜射入空气中时,折射角随着入射角的增大而增大,由于折射角大于入射角,折射角会比入射角先达到90°。若继续增大入射角,折射光会看不到。

设计并进行实验:如图2所示，学生利用实验器材,将激光笔射出的光束从水中斜射入空气中,不断增大入射角,观察所看到的现象。

图2

分析论证:光从水中斜射入空气中时,当入射角增大到一定程度时,反射现象能够存在而折射现象消失。

引出全反射概念：光从折光能力较强的介质进入到折光能力较弱的介质时,当入射角大于某一角度(临界角)时,折射光线会消失。

3.2 演示实验：会拐弯的光

展示自制的教具：将一直径约1cm粗的吸管剪成3cm长,用剪刀在靠近大号可乐瓶底部处开一个小孔,小孔的大小与吸管粗细差不多相同,将吸管插入小孔中并露出约2cm长，使吸管水平放置,吸管和可乐瓶用胶水粘牢。

将可乐瓶装满水,拧紧瓶盖。将绿色激光笔用铁架台固定好放在小孔的另一侧并正对小孔,调整好角度,使激光能够透过可乐瓶穿过吸管,在教室的白墙上可以看到光斑。拧开可乐瓶盖子,水从小孔流出,发现墙上的光斑消失了,同时水流变绿了,光线沿着水流传播。随着可乐瓶中的水逐渐变少,水流中的光线随着水流不断移动(如图3)。请一位学生走上讲台,把手摊开放在吸管下方,使水流到学生的手心,可以发现手心处有光斑，教师用手机将该光斑拍下来,利用希沃授课助手软件投影出来(如图4)。

图3

图4

课堂内学生学习气氛高涨,教师引导学生分析流水中光线弯曲的原因：水流中的激光在水与空气的交界面处不断发生全反射,从而使得光线不断拐弯前行。

3.3 全反射的应用：光导纤维

如图5所示，把某种介质做成细丝,使光以一定角度从细丝的一端射入,光可以在细丝中不断地发生全反射而前行,最终从细丝的另一端射出,光导纤维就是根据这一原理制成的。将光导纤维制成光缆，可以进行远距离通信，医学上用光导纤维制造出了用来观察人体内脏的内窥镜。

图5

反思与评价：《义务教育物理课程标准(2011年版)》指出：“通过科学探究,使学生经历基本的科学探究过程,学习科学探究方法,发展初步的科学探究能力,形成尊重事实、探索真理的科学态度。”在物理教学中突出探究活动,可以有效保持学生的好奇心,激发他们的求知欲,使学生体验科学研究的乐趣,领悟科学思想。在本活动中,学生先通过探究活动认识全反射现象,再通过观察、实验进行巩固,在头脑中建立了丰富的感性认识,然后学习全反射在实际中的应用(光导纤维),整个活动过程环环相扣,思维难度层层递进,学生的学习潜能得到了发挥。最后教师向学生介绍光导纤维在医学、通信等方面的应用,有利于学生关注科学技术的新进展,符合课程标准所提倡的“关注科技发展的动态,关注技术应用带来的社会进步和问题,树立正确的科学观”的要求,这对培养学生的核心素养具有重要的作用。

4 利用趣味实验,提高学生的科学思维能力

项目活动4:消失的小猫咪

为每组分发一个装二英寸照片的白色透明小塑料袋,用黑色油性笔在一张小纸片上画上可爱的小猫咪图,将小纸片放入小塑料袋,再用记号笔在塑料袋外表面画一个比小猫咪图大的黑框。在烧杯中装适量的水,将塑料袋浸入水中,注意不要让水进入塑料袋内，如图6所示，人眼在水面上方看水中的塑料袋,发现只能看到黑框,黑框里的小猫咪“消失”了。

图6

理论分析与建模：人眼之所以能看到一个本身不发光的物体,是由于在物体表面反射的光线射入人眼。如图7所示,设点S1为塑料袋表面黑框上的点,来自点S1的光从水中斜射入空气,入射角∠1较小且小于临界角,因此在水和空气的分界面处不会发生全反射,折射光可以射入人眼,因此人眼就能看到水中塑料袋表面的黑框。如图8所示,设点S2为小猫咪图上的点,袋内纸片周围存在空气,来自点S2的光先由空气斜射入水中,折射角∠3小于入射角∠2,折射光线向法线偏折。射到水中的光再向空气中斜射时,入射角∠4较大,当∠4大于等于临界角时,发生全反射,因此人眼就不能看到水中塑料袋内的小猫咪。

图7

图8

反思与评价：该实验操作简单、趣味性强,能够活跃学习气氛,增强学生的活动体验。在“消失的小猫咪”实验中,学生从水面上方观察水中的塑料袋,会看到奇妙的现象：“只见框、不见猫”,大大出乎学生的意料。意外中蕴涵着教学良机,教师因势利导,化意外为契机,运用全反射、光的折射等知识深刻剖析其中所蕴含的物理原理,可以达到深度学习的目的,学生的科学思维能力也得到了提升。

将项目学习策略应用到物理拓展课程教学中,可以提高学生参与的热情,拓宽学生的视野,促进学生的思维向独特性、灵活性和深刻性等方面发展。学生在活动中增强了学习的主动性与实践性,自身核心素养也得到了全面发展。