“光的反射”中“法线”概念建构方法的再思考

摘 要：美国著名学者本尼迪克特·安德森认为探究式教学的本质是：“不直接把构成教学目标的有关概念和认知策略告诉学生，取而代之的是教师创设一种智力和社会交往的环境，让学生通过探索发现有利于开展这种探索的学科内容要素和认知策略.”

物理学科中对于物理概念和物理知识的教学，教师不能简单地直接灌输给学生，使学生被动接受，而应遵循学生的认知规律，在学生已有的知识基础之上结合实验观察和分析进行科学合理的建构.

关键词：核心素养;传统教学设计;创新教学设计;法线;建构

中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1008-4134（2021）06-0032-03

作者简介：戴克军（1971-），男，江苏镇江人，本科，中学高级教师，研究方向：中学物理教育.

美国著名学者本尼迪克特·安德森认为探究式教学的本质是：“不直接把构成教学目标的有关概念和认知策略告诉学生，取而代之的是教师创设一种智力和社会交往的环境，让学生通过探索发现有利于开展这种探索的学科内容要素和认知策略.”

物理学科中对于物理概念和物理知识的教学，教师不能单一地直接灌输给学生，这样只会迫使他們被动接受，而应遵循学生的认知规律，在学生已有知识的基础之上结合实验的观察和分析进行科学合理的建构.

光的反射定律是光学中的重要定律，是理解平面镜、球面镜作用的重要基础.所以苏科版物理八年级上册第三章第5节“光的反射”这一节的重点内容就是探究光的反射定律，而光的反射定律是：“反射光线、入射光线和法线在同一平面内;反射光线和入射光线分居于法线两侧;反射角等于入射角.”而这三个规律中都离不开“一条线”，即“法线”.一旦构建并引入“法线”的概念后，学生对“反射光线和入射光线分别位于法线两侧;反射角等于入射角”这两个规律的探究难度并不大，但是“法线”的概念如何建构呢？

传统的教学方法往往是将物理概念直接引出，淡化对物理规律的探索过程，而探究式的教学则是注重物理概念的建构，并且重视物理规律的探究过程.下面笔者就平时教学中对“法线”概念建构的常见教学设计和在实际教学中对“法线”概念建构的创新教学设计进行浅显的分析，供同行们交流讨论.

1 “法线”构建的常见教学设计

1.1 直接定义法

这种传统的教学设计是在介绍了“入射光线”“反射光线”和“入射点”等相关术语后，以“信息快递”的方式直接引入“法线”的概念（如图1所示），至于为什么要这样引入？对其思考不够，其中也就谈不上对“法线”概念的构建.

1.2 实验观察法

在这种教学设计中，教师进行实验演示，并指导学生观察实验现象，同时教师通过问题引导，让学生体验和经历“法线”的建构过程，下面是该设计中对“法线”概念建构的教学过程.

教师：用加湿器在讲台周围制成水雾，接着再用红光激光笔向平面镜上某一点（O）射出一束入射光线，并让学生观察反射光线的位置，接着教师再保持平面镜位置不变，将入射光线绕镜面上同一个入射点（O）并在同一平面内逐渐向镜面靠近，让学生再观察对应反射光线的位置（如图2所示），并思考反射光线和入射光线的位置是相对于哪一条线有规律分布的.

学生：猜想（略）.

教师：此时再用绿光激光笔垂直镜面射向该入射点（O），并保持绿光和平面镜的位置不变（如图3所示），将入射光绕镜面上固定的入射点（O），并在同一平面内逐渐向镜面靠近.与此同时再让学生观察反射光和入射光的位置，是否相对该绿光激光笔所照射的这条光线有规律的分布？由此引出“法线”的概念，即“过入射点并垂直于镜面的直线叫作法线”.

这种建构“法线”概念的设计方法与第一种直接定义“法线”概念相比确实有了较大的改进，它是通过教师的实验演示，并让学生观察反射光的位置，在教师的逐步引导下建构“法线”概念.但是我们仔细地想一想就不难发现这种建构“法线”的设计仍然略显突兀和带有教师“强加”的因素.

1.3 “轴对称”构建法

把平面镜放置在水平桌面上，让学生用一张白色的硬卡片作为光屏竖直放置在平面镜上（如图4所示），用激光笔贴着白光屏向平面镜射出一束入射光线，此时可在光屏上呈现出反射光线，并让学生用笔在白光屏上描绘出对应的入射光线和反射光线的径迹，接下来再使入射光线绕固定的入射点（O）向平面镜转动来改变入射光线的方向，并重复上述实验步骤，在白光屏上描绘出三次对应的入射光线和反射光线的径迹（如图5所示）.接着教师通过下列的启发式引导来帮助学生建构“法线”概念.

教师：同学们，根据你们刚才的实验中所描绘出的三次对应的入射光线和反射光线在白光屏上的径迹，你能否发现反射光线和入射光线的位置是相对于哪一条线有规律的分布呢？

学生：回答（略）.

教师：同学们，你们可以将白纸屏沿中间线对折或绘制出入射光线和反射光线的夹角的角平分线，看看有什么发现？

学生：入射光线和反射光线的夹角的角平分线（或中间的对折线）是反射光线和入射光线的对称轴.

教师：那这条入射光线和反射光线夹角的角平分线又有什么特征呢？

学生：经过入射点并和平面镜垂直.

教师：为了方便探究光的反射规律，人们就把“过入射点并和镜面垂直的直线叫作法线”.

这种建构“法线”概念的设计方法和传统的设计中以“信息快递”的方式直接定义相比确实显得自然流畅，解决了“法线”引入突兀的问题.但是，我们再仔细地想一想就不难发现，这样的设计仍然存在一定的缺陷.学生通过对实验现象的观察以及在白纸屏上描绘三次入射光线和反射光线的径迹，并结合学生的认知来看，学生更容易想到的是反射光线和入射光线的位置是相对平面镜上的某条线有规律的分布.然而在光的反射现象中，入射光线和所对应的反射光线确实也是既相对于“过入射点并垂直于镜面的直线”有规律的分布，同时它们也相对于“平面镜上的某条线”有规律的分布.那么这两条线中谁更适合作为入射光线和反射光线分布的“标准线”呢？本设计中并未进行探究和讨论，所以这种构建“法线”概念的设计方法仍然存在一定的不足之处.

2 “法线”构建的创新教学设计

在教学中笔者是通过如图6所示的自制演示器“魔球”从多角度、多方位对光的反射现象进行演示，同时要求學生进行认真的观察，并积极思考和探索：“在光的反射现象中，反射光线和入射光线是以哪一条“标准线”进行有规律的分布的？”

在探寻这个“标准线”时，笔者先通过实验演示了“将入射光线绕平面镜上固定不变的入射点（O）在同一平面内逐渐向镜面靠近”.同时要求学生观察反射光线的位置变化，并让学生根据观察的现象，猜想入射光线、反射光线变化过程中的位置是否在围绕某个“标准线”有规律的分布？如果有，这个“标准线”在哪？学生通过实验观察并结合现有的认知很容易想到猜想（1）.

猜想（1）：反射光和入射光是以平面镜上的某一条线作为“标准线”在有规律的分布.

对于学生的这个猜想笔者首先是给予了赞同，可是如何才能让学生猜想到反射光线和入射光线也会围绕“过入射点并垂直于镜面的直线”进行有规律的分布呢？于是笔者又设计了下列的演示实验.

实验演示：（1）先让入射光垂直于镜面射入，此时学生会看到反射光线和入射光线重合;

（2）再逐渐将入射光线绕镜面上固定的入射点（O）在同一平面内逐渐向镜面靠近，再让学生观察反射光线的位置变化，并引导学生猜想入射光线、反射光线的位置在变化时还在围绕哪条“标准线”有规律的分布？通过观察上述的演示实验，学生就会较为顺利地想到猜想（2）.

猜想（2）：反射光和入射光都是以垂直于平面镜的一条直线作为“标准线”在有规律的分布.

对同学们的这个猜想，笔者也给予了赞同和肯定，因为当入射光线在同一平面内绕固定的入射点逐渐向镜面靠近（或远离）时，学生猜想的这两条“标准线”确实都有道理.

接着笔者又保持相同的入射角，将入射光线绕固定的入射点（O）再旋转几个不同的方向分别射向该入射点，再让学生观察对应的反射光线的位置（如图7、图8所示）.与此同时向学生提出问题：“根据实验观察，光反射时，同学们所猜想的两种‘标准线哪个更适合作为入射光线和反射光线进行有规律分布的‘标准线呢？”

接下来组织学生交流讨论，最后通过师生的交流讨论一致认为：选过入射点并垂直于镜面的直线作为“标准线”更好.因为当入射光线从几个不同方向射向同一入射点时，以平面镜上的这条“标准线”的位置会不断发生改变，但是以过入射点并垂直于镜面的这条“标准线”却是固定不动的（如图9中的甲、乙、丙所示）.通过学生的交流和讨论，最后以“过入射点并垂直于镜面的直线”作为入射光线和反射光线进行有规律分布的“标准线”，由此建构“法线”的概念.对于“法线”建构的教学设计进行这样的改进是基于符合学生现有认知和培养学生的核心素养出发，先引导学生在实验中初步发现“规律”，再通过问题引领和实验探究的层层深入来修正和完善原有的发现，最终揭示出现象背后所隐藏的本质规律.

这样的课堂不仅能大大地激发学生的学习兴趣，又能很好地培养和训练学生的思维，同时又充分锻炼了学生分析问题和解决问题的能力，长此以往就一定能逐步培养学生形成良好的科学思维品质.上述对于“法线”概念建构的几种教学设计方法，是笔者在多年的教学实践中的一些思考，分析中有不当之处，请各位同行多多指正.

参考文献：

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[3]卢观音.浅谈初中物理教学理论融合实践的策略[J].陕西教育（教学版），2020（06）：43.

[4]占晨达，汤丽芩.追“本”溯“源”还原概念教学的“本质”——对“法线”教学价值的再思考[J].教育与装备研究，2017，33（03）：60-63.

[5]刘永树，周元东.物理教学中“法线”的概念建构——以“光的反射”法线的教学为例[J].名师在线，2016（01）：38-41.

（收稿日期：2020-11-26）