运用实验闯关策略培养学生的分析与论证能力

彭妙 谢桂英 余耿华

摘 要：在光的色散一课中，学生难以理解色光的分解与合成.以问题设计为教学阶梯，以实验设计为闯关策略，进行教学实践，培养学生的分析与论证能力和促进学生的思维进阶.

关键词：实验设计;闯关;分析与论证能力;思维进阶

中图分类号：G633.7     文献标识码：B     文章编号：1008-4134（2021）14-0025-04

基金项目：广州市海珠区教育科学“十三五”规划课题“指向分析与论证能力培养的初三物理教学策略研究”（项目编号：2019C041）;广州市第三批市教育系统创新学术团队项目“中学物理演示实验改进创新及其在教学中的应用研究”（项目编号：1201630019）.

作者简介：彭妙（1983-），男，湖南岳阳人，本科，中学一级教师，研究方向：初中物理教学;

谢桂英（1976-），女，广东广州人，硕士，中学高级教师，研究方向：中学物理实验教学;

余耿华（1976-），男，广东广州人，硕士，中学高级教师，研究方向：中学物理实验教学.

美国教育家布鲁姆将思维由低到高分为记忆、理解、应用、分析、评价、创造六个层次，其中前三个层次为低阶思维，后三个层次为高阶思维[1].在当前的教育中培养学生的思维由低阶向高阶发展，显得尤为重要.笔者尝试了利用创新制作的教具进行教学，在光的色散一课中设计了五个环节，在教学推进的过程中学生进行思维闯关，旨在培养学生的分析与论证能力，并促进学生的思维由低阶向高阶方向发展.

1 发现教学问题，创新制作教具

1.1 教学中存在的问题

人教版物理教材八年级上册第四章“光现象”中第五节“光的色散”一课中，虽然实验现象可以明显观察到白光经过三棱镜后形成彩色的光带，但学生难以接受白光通过三棱镜时，会经过两次折射而“分解”为七种色光.实验室没有配套的器材能够直观呈现“色散时光的传播路径”，学生分析问题与解决问题的能力不能得到有效培养，妨碍了学生思维的进阶.

1.2 实验器材的设计思路

基于实验室没有色散时光的传播路径装置，设计制作激光笔底座，使红、绿激光能够重叠在一条直线上传播并呈现路径;两束光共线到达三棱镜之后，由于偏折角度不同会形成两条光路，可以有效帮助教师设计问题阶梯.而利用色光的混合仪将光斑较大较亮地投到大屏幕上，使实验可视化效果增强，电位器采用分压式接法可以使光斑的亮度连续调节，获得更丰富的色彩，能使学生了解白光的组成和不同色光混合的现象[2].使器材成为培养学生分析与论证能力的有效载体，增强实验教学的趣味性和吸引力，提高实验教学的质量和效果[3].

1.3 实验器材的创新制作

色散演示仪的创新制作：取一块长约20cm、宽约3cm、厚2cm的木条，底部开两个圆槽安装两个强磁体（如图1所示），侧面固定四个图钉，顶部不做处理（如图2所示）.找一个内径比绿光激光笔外径略大的塑料管A，用皮筋将管固定在图2所示的木条顶部（如图3所示）.找一个外径与A内径相同的塑料管B，在B正中央固定一小段玻璃柱作为分光器（如图4所示）.将该绿光激光笔与另一只带磁吸套管的红光激光笔前后放置（如图5、图6所示）.开启两激光笔的开关，可以观察到两路激光重叠在一起.

将三棱镜的侧面用502胶水固定一个薄片强力磁体，便于吸附在黑板上.

色光混合演示仪的创新制作：网购额定功率3W（直径2cm、工作电压5-12V）的红、绿、蓝高亮度LED灯珠各一个;3个旋扭式电位器（50Ω或100Ω），如图7所示.将3个LED灯珠和3个电位器按照电路图8连接，采用该分压法连接，可以方便调节LED灯珠的发光亮度，获得更丰富的色彩，电源连接一条USB插头（可方便接在移动电源上）.最后将LED灯珠分别固定在3条长20cm、内径2.5cm的管内的一端.最后将三条管固定在可以立放的木板上，测试效果如图9所示.

2 设计思维阶梯，引导学生闯关

第一关.

教师：请同学们回顾光的折射知识，完成任务单中三棱镜将光折射后到达光屏的光路图（如图10所示）.（教师巡视、指导，必要时提醒学生：光在三棱镜中经历了几次折射？）

学生：在任务单上完成光路图.

设计意图：通过课前复习让学生画光的折射光路图作为引入，使学生加深对知识的印象，属于思维的记忆层次.提醒学生“光在三棱镜中经历了几次折射”强化了学生对光的折射规律的理解，属于思维的理解层次.该环节为学生的思维进阶稳固了基础，还为引出新课做好铺垫.

第二关.

教师：请同学们用三棱镜观察教室里的日光灯，依据我们复习的光的折射规律，想想我们应该在哪个角度可以透过三棱镜看到日光灯呢？并请注意觀看的时间不要过长，防止光线过强伤害眼睛（教师巡视、指导）.

学生：取出三棱镜，透过三棱镜观察日光灯，并不断调整观察的角度.

教师：（必要时提示）同学们，你们有什么新的发现吗？

学生：哇，我看到了彩色的光带.

设计意图：学生在观察光的折射现象时，既体验了实验过程的乐趣，又在理论结合实践的过程中更加深刻地理解了光的折射现象——看到的物体（像）与物在不同的方位，而且与所学的知识吻合（即现象得到验证），属于思维的应用层次.设计学生在体验实验的过程中有新的发现——看到彩色的光带，又为教师引入光的色散概念做好了铺垫.

第三关.

教师：这就是光的色散现象（在黑板上板书课题）.英国科学家牛顿在1666年最先利用三棱镜观察到了白光的色散.下面老师来演示这一实验（用白光经过狭缝，再经三棱镜后在教室的光屏上形成彩色的光带）.现在我们利用三棱镜看到了牛顿当年看到的“色散”现象.请猜想白光经过三棱镜时偏折形成彩色光带的光路情况是怎样的呢？你能否尝试在任务单上画出所猜想的光路呢？并写出这些颜色排列的顺序.

学生：尝试在任务单上画出色散形成原因的光路.

教师：（展示、讨论学生的猜想，选出最合理的猜想光路图，用彩色粉笔将“红橙黄绿蓝靛紫”七个字用相应的颜色写在黑板上，将猜想最多的色散形成的光路也在黑板上画出.）毕竟这只是大部分同学的猜想，现在老师提供一支红光激光笔、一支绿光激光笔、一个三棱镜、一张白纸（同时把器材随机吸附在黑板上），请大家思考如何利用以上器材来设计实验验证色散现象？（基础薄弱的学生可以增加设问：如何用以上器材设计实验验证一束光变多束光呢？）

学生：（分组讨论后，请代表回答）首先应该设法让红、绿两束光重叠在一条直线上传播，然后将三棱镜放在重叠光束传播的路径上，用白纸在三棱镜的另一侧承接，并观察白纸，若白纸上出现两条光路，则验证了色散现象.

教师：非常好，那我们就来进行实验.（按照学生的表述进行操作，注意自制带底座的激光笔较高，应该放在后方，验证情况如图11所示;若学生动手能力较强，可以引导学生进行操作.）

教师：由此可以说明白光并不是单一的色光，而是由多种色光混合而成的复色光.那么当白光经过三棱镜时可以分解为各种不同的色光，是三棱镜对这些色光有什么不同的作用吗？

学生：三棱镜对不同的色光偏折的角度不同.

教师：对了，即色散的本质是三棱镜对不同色光偏折的角度不同（同时写在黑板上）.

设计意图：学生在讨论用实验验证色散的光路情况时，会思考实验的目的、器材的作用、实验的步骤、采集的证据等等情况，属于思维的分析层次.同时学生经历讨论、完善实验方案的过程，同伴提供建议的过程和教师提供建议的过程，学生会经历思维的自我评价与同伴评价，属于高阶思维.

第四关.

教师：白光可以分解为7种色光，如果人们要制作彩色电视机的屏幕，并且获得白光，是否在电视屏幕中一定要安装显示7种色光的装置呢？

教师：如果用发出7种色光的装置来制作彩色电视机的屏幕，技术上是很难实现的，而且科学家发现只需要三种色光即可组合出各种不同颜色的光，包括白光.这三种色光就是红、绿、蓝，我们把这三种光叫色光的三原色.（用粉笔圈出已板书的“红、绿、蓝”，并板书“色光的三原色”.）

教师：（拿出色光的合成演示仪，分别演示红、绿、蓝三种色光，如图12所示）同学们想一想，如果我们要用这三种色光来获得其他颜色的光，应该如何操作呢？

学生：应该将这些光混合在一起.

教师：好，请这位同学上来试试.

学生：在教师的指导下操作器材，其他学生提出三种色光不同组合混合的建议，操作器材的学生进行尝试，如图13所示.

教师：感谢这位同学.我们通过三原色的两两组合分别获得了哪几种颜色呢？

学生：青色、黄色、紫色.

教师：三原色同时组合又获得了什么颜色？

学生：白色.

教师：因此，我们把这种现象叫色光的混合（板书色光的混合）.

教师：如果我们要获得更多种颜色的光，又应该怎么办呢？

学生：（讨论后回答）可以分别任意调节三原色的亮度，然后进行组合来获得其他不同颜色的光.

教师：（演示用电位器任意调节三原色的亮度，组合获得其他不同颜色的光）看来，人们只需要这三种色光按照不同的亮度混合就可以获得几乎所有的其他色光了.

设计意图：利用该创新实验仪器，很好地落实了《义务教育物理课程标准（2011年版）》要求的“学生通过实验，了解白光的组成和不同色光混合的现象”.实验现象非常明显，实验操作非常便捷，在师生的互动中学生的学习积极性很高，在观察不同色光混合得到丰富色彩的过程，学生参与的热情较高，在惊叹中对知识有了更深刻的记忆.通过创新器材有效帮助学生快速简便地验证分析的结果，使分析与验证的过程交互出现，在师生互动、生生互动的过程中，发生评价的过程，有效地促进学生的思维进阶.

第五关.

教师：同学们，我们发现白光可以分解为七种肉眼可见的色光，是不是白光就只能分解成这七种色光呢？有没有可能还存在我们肉眼看不到的光呢？

学生：应该不只这七种色光.

教师：你猜想可能还存在几种色光呢？

学生：可能还有两种.

教师：他们可能在这七种色光光谱的哪个位置呢？

学生：在红光和紫光附近.

教师：你猜想的依据是什么？

学生：人的听觉频率范围是20Hz-20000Hz之间，还存在着超声波和次声波是人耳听不到的.我认为人的视觉应该与听觉类似，都是有一定范围的，所以在红光和紫光附近可能都存在肉眼无法感知到的光.

教师：非常好.事实上英国物理学家、天文学家威廉·赫谢尔于1800年发现在红光的附近有一种看不见的光，能使温度计示数升高，后来人们把它叫“红外线”.德国物理学家、化学家里特于1801年发现在紫光的附近有一种看不见的光，能使氯化银变黑，后来人们把这种看不见的光叫“紫外线”（板书：红外线、紫外线）.

教师：演示红外线和紫外线的作用及小结.

设计意图：巧设提问，强调“肉眼可见”，使学生明确“感觉是不可靠的”，进一步引导学生进行猜想，因而联想对比旧知识的基础上提出创新的观点——猜想七种色光以外还存在肉眼看不见的其他色光，是思维的创新过程.通过合理的问题阶梯，鼓励学生说出自己的想法，给予表达的机会，培养口头分析与论证能力，促进学生的思维不断进阶，帮助其实现思维闯关.

教师的板书设计（如图14所示），在课堂教学的过程中生成，使知识不会零散化、碎片化，帮助学生建立知识之间的内在联系，增强学生掌握知识的系统性，提高其综合解决问题的能力、创新能力[4].

3 评价教学效果，反思进阶效度

教师利用创新色散演示仪和色光混合演示仪进行教学的闯关策略为：复习引入，回忆概念;经歷体验，理解知识;巩固理解，应用知识;依托器材，分析论证;师生互动，自评互评;对比知识，创新思维.该策略以创新色散演示仪和色光混合演示仪为中心，以思维进阶为目的，问题设计层层递进，引导学生通过五个环节的教学活动实现思维闯关，培养了学生分析问题的能力、科学表述能力，促进了学生高阶思维的发展.初中生分析与论证能力的形成不是一朝一夕的事，正是教师在长期的教学过程中科学施教、坚持不懈，才使学生逐渐掌握分解信息、找出特征、发现本质、揭示因果间的关系，促进综合素质发展[5].

参考文献：

[1]曹键粮，彭朝阳.巧设物理“问题链”发展学生的高阶思维能力[J].物理教学探讨，2018，36（02）：69-72.

[2]中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准（2011年版）[M].北京：北京师范大学出版社，2011.

[3]张海燕.初中物理课堂生活化教学策略分析[J].中学课程辅导（教师通讯），2021（06）：31-32.

[4]马北河.中学物理知识结构化教学促进学生学习能力提升的教学实践策略探究[J].中国现代教育装备，2017（10）：45-47.

[5]彭妙.指向分析与论证能力培养的初中物理教学策略研究[J].中学物理，2019，37（24）：12-14.

（收稿日期：2021-03-27）