顧紅霞 蔣文遠(yuǎn)

摘 要：教師在教學(xué)過程中，以物理模型的建構(gòu)來促進(jìn)物理概念的學(xué)習(xí)進(jìn)階，努力培養(yǎng)學(xué)生的物理建模能力，不但能使學(xué)生加深對物理概念和物理規(guī)律的理解，而且對發(fā)展學(xué)生的創(chuàng)造性思維、提升學(xué)生分析和解決問題的能力起到重要作用.

關(guān)鍵詞：物理概念;模型建構(gòu);學(xué)習(xí)進(jìn)階

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）06-0002-04

基金項(xiàng)目：江蘇教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃重點(diǎn)資助課題“初中物理‘證據(jù)課堂構(gòu)建中學(xué)科素養(yǎng)培育的實(shí)踐研究”（項(xiàng)目編號：E-a/2018/05）.

作者簡介：顧紅霞（1978-），女，江蘇武進(jìn)人，本科，中學(xué)一級教師，研究方向：基于證據(jù)的物理常態(tài)課堂教學(xué)設(shè)計(jì);

蔣文遠(yuǎn)（1978-），男，江蘇靖江人，本科，中學(xué)高級教師，研究方向：初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué).

“學(xué)習(xí)進(jìn)階”是指隨著學(xué)習(xí)時間的增加，學(xué)生對某一學(xué)習(xí)主題的認(rèn)識不斷豐富和逐步深入的過程[1].

物理概念是人腦對客觀事物共同的物理屬性和本質(zhì)特征的抽象，是觀察、實(shí)驗(yàn)與科學(xué)思維相結(jié)合的產(chǎn)物.

學(xué)生對于物理概念的學(xué)習(xí)有一個逐步理解、深化和完善的進(jìn)階過程.初中學(xué)生尚未具備從感性材料中抽象出物理概念的能力，不能自然地建立起概念之間的相互聯(lián)系.教師在實(shí)際教學(xué)中，忽略物理概念的建立過程，采用“接受式學(xué)習(xí)”灌輸概念，通過“死記硬背”掌握概念，依靠“機(jī)械訓(xùn)練”應(yīng)用概念的情況仍然普遍存在.美國《K-12科學(xué)教育的框架》指出，學(xué)生學(xué)習(xí)和理解科學(xué)概念的過程實(shí)質(zhì)上就是心智模型建構(gòu)的過程[2].在教學(xué)中，教師以物理模型的建構(gòu)來促進(jìn)物理概念的學(xué)習(xí)進(jìn)階，努力培養(yǎng)學(xué)生的物理建模能力，不但能加深學(xué)生對物理概念和物理規(guī)律的理解，而且對發(fā)展學(xué)生的創(chuàng)造性思維、提升學(xué)生分析和解決問題的能力起到重要作用.本文以蘇教版“光的反射”教學(xué)為例，闡述具體的實(shí)踐與思考.

1 進(jìn)階分析

1.1 進(jìn)階起點(diǎn)分析

筆者在研讀課程標(biāo)準(zhǔn)、分析教材內(nèi)容、了解學(xué)生需求、結(jié)合教師經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，確定物理概念和物理模型進(jìn)階起點(diǎn)，預(yù)設(shè)進(jìn)階目標(biāo).

“光的反射”屬于“運(yùn)動和相互作用”主題下的二級主題“聲和光”，課標(biāo)要求：通過實(shí)驗(yàn)，探究并了解光的反射定律.課標(biāo)樣例：探究光束在平面鏡上反射時，反射角與入射角的關(guān)系.蘇教版教材，將本節(jié)內(nèi)容安排在八年級上冊第三章“光現(xiàn)象”第五節(jié).教材內(nèi)容主要安排為學(xué)生體驗(yàn)性探究活動“探究光的反射規(guī)律”、讀一讀“人眼怎樣看到平面鏡所成的像”“鏡面反射與漫反射”“生活物理社會”“凹面鏡與凸面鏡”四部分.

在學(xué)生正式學(xué)習(xí)光學(xué)之前，筆者對本校初一學(xué)生進(jìn)行“光學(xué)前概念問卷調(diào)查”，摘取與本節(jié)教學(xué)內(nèi)容有關(guān)的部分內(nèi)容對學(xué)生展開調(diào)查，學(xué)生前概念測試題及統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1.根據(jù)問卷調(diào)查結(jié)果與教學(xué)經(jīng)驗(yàn)分析，學(xué)生對光在粗糙的表面會發(fā)生反射、反射光線與入射光線在同一平面內(nèi)、漫反射遵守光的反射定律、平面鏡成的是等大的虛像等問題在認(rèn)識方面存在一定困難.

在學(xué)習(xí)本節(jié)課之前，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)光的直線傳播、平面鏡成像，了解“光線”模型，能初步利用“光線”模型解決光的直線傳播問題，但對于利用“光線”作圖的規(guī)范性和解決問題的意識還較為薄弱.根據(jù)以上分析，筆者將概念進(jìn)階的起點(diǎn)設(shè)定為：光在同種均勻介質(zhì)中沿直線傳播的知識以及鏡子能改變光的傳播方向的生活經(jīng)驗(yàn).建模的起點(diǎn)是：“光線”模型.

1.2 進(jìn)階目標(biāo)預(yù)設(shè)

進(jìn)階目標(biāo)就是學(xué)習(xí)進(jìn)階的終點(diǎn)，是學(xué)生是否達(dá)成學(xué)習(xí)進(jìn)階的評價標(biāo)準(zhǔn).筆者將本節(jié)課進(jìn)階目標(biāo)預(yù)設(shè)詳細(xì)分解，見表2.

1.3 進(jìn)階層級預(yù)設(shè)

教師以模型建構(gòu)促進(jìn)學(xué)生實(shí)現(xiàn)概念進(jìn)階，進(jìn)階變量不再是單維度，而是概念與模型雙維度的進(jìn)階.教師將光的反射概念的深化、完善與“光路”模型的優(yōu)化、拓展相整合，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)研究初中光學(xué)的思路與方法，有利于培養(yǎng)學(xué)生有針對性地觀察能力、基于現(xiàn)象分析問題的能力、基于證據(jù)總結(jié)問題的能力，即發(fā)展學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng).根據(jù)物理概念進(jìn)階的復(fù)雜度層級[3]和物理建模關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的劃分[4]，確定本節(jié)課進(jìn)階層級，見表3.

2 教學(xué)實(shí)踐過程

2.1 活動1：打靶游戲——創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)情境，外顯心智模型

教師創(chuàng)設(shè)游戲情境：激光打靶.第一關(guān)：激光直接打靶，設(shè)置問題：應(yīng)用什么物理原理？如何顯示光在空氣中的傳播路徑？你是否能在學(xué)案上畫出光的傳播路徑？第二關(guān)：激光隔物打靶（在激光筆和靶心之間用一紙板擋?。?，設(shè)置問題：為完成任務(wù)，你需要什么輔助器材？請你展示如何操作？如何顯示光的傳播路徑？你是否能用作圖的方法把剛才激光打靶的過程展示出來？

設(shè)計(jì)意圖：以上游戲情境，第一關(guān)是對學(xué)生已有知識和技能的診斷，第二關(guān)將學(xué)生引入新的問題情境，使其快速調(diào)用已有的經(jīng)驗(yàn)和知識創(chuàng)造性地解決問題.在教師布置的游戲情境中，學(xué)生不斷豐富感知，通過現(xiàn)象提煉本質(zhì)特征，利用光路模型使學(xué)生的初始心智模型充分外顯，“光的反射”概念自然引出.在第二關(guān)的闖關(guān)中學(xué)生發(fā)現(xiàn)：利用平面鏡用激光要一次擊中靶心并不容易，需要做不斷的調(diào)整，說明光在反射的時候有一定規(guī)律，探究光反射時遵循什么規(guī)律成為學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)的需求.

2.2 活動2：實(shí)驗(yàn)探究——搭建建模支架，初建科學(xué)模型

建模支架1：記錄入射光線、反射光線的位置.

探究光的反射定律實(shí)驗(yàn)，分組器材準(zhǔn)備：白紙、平面鏡、激光筆，實(shí)驗(yàn)操作：

平面鏡垂直于紙面放置，激光筆緊貼紙面，射向平面鏡，

如圖1所示.問題設(shè)置：如何快速準(zhǔn)確地在白紙上記錄入射光線與反射光線的位置？

設(shè)計(jì)意圖：教師用最簡易的裝置，呈現(xiàn)原生態(tài)、最簡單的反射現(xiàn)象，分解出光的反射光路模型的構(gòu)建要素：入射光線、反射光線，降低模型構(gòu)建難度，讓學(xué)生體會到物理模型對物理研究對象的過程和結(jié)果的一種簡化描述或模擬，是對真實(shí)世界的一種表征.

建模支架2：引入法線.

教師布置任務(wù)：根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，請同學(xué)們說說入射光線、反射光線、平面鏡的位置關(guān)系.

學(xué)生很容易會想到選擇以平面鏡為參照，但在描述過程中會發(fā)現(xiàn)：入射光線、反射光線與平面鏡的夾角分別有兩個，描述時不易說清。學(xué)生遇到困難，積極尋求解決方法，結(jié)合數(shù)學(xué)知識，找到解決方法：添加輔助線.

問題：如何添加一條輔助線可以幫助我們確切地描述入射光線、反射光線的位置關(guān)系？

學(xué)生嘗試、分享：過入射點(diǎn)且與平面鏡垂直的一條線.

教師總結(jié)：這條輔助線很公正地站在入射光線和反射光線中間，就像法官一樣，在物理學(xué)中我們稱其為“法線”.

演示實(shí)驗(yàn)展示：在表面平整的泡沫上插上一段細(xì)長竹簽，竹簽（相當(dāng)于法線）與泡沫平面（相當(dāng)于平面鏡）垂直.轉(zhuǎn)動泡沫（平面鏡），觀察竹簽（法線）的位置如何改變？發(fā)現(xiàn)平面鏡與法線的相對位置關(guān)系是：始終垂直.

設(shè)計(jì)意圖：讓學(xué)生在解決問題的過程中體會法線的引入是因?yàn)榇_定反射光線與入射光線、平面鏡位置關(guān)系的需要，有助于學(xué)生理解法線在光路模型中的作用，對反射角與入射角及其大小關(guān)系的認(rèn)識也將更加準(zhǔn)確、深刻.

建模支架3：驗(yàn)證“三線共面”.

教師利用實(shí)驗(yàn)器材：竹簽和泡沫，讓學(xué)生根據(jù)已有探究結(jié)果用插竹簽的方式表示反射光線的位置（如圖2所示）.問題：從空間角度看，與法線夾角大小相等的角有無數(shù)個.但入射光線、平面鏡確定，反射光線的位置是唯一的，光的反射還遵循什么規(guī)律？

實(shí)驗(yàn)演示器材準(zhǔn)備（如圖3所示）：較大的一次性透明飯盒、自制帶顯示角度大小且一側(cè)紙板可繞法線轉(zhuǎn)動的紙板、小塊平面鏡（與紙板垂直放置）、激光筆、小鐵釘（固定在紙板后方，小黑圈圈處）、強(qiáng)磁鐵、

用燕尾夾夾住的小段蚊香、火柴

.實(shí)驗(yàn)操作：教師先在一次性飯盒內(nèi)收集一定量的蚊香煙霧，將已放置好平面鏡的白板放入一次性飯盒內(nèi)，打開激光筆，光照到平面鏡上反射，光的傳播路徑在煙霧中和白板上清晰顯示.然后，教師保持激光筆位置不動，將強(qiáng)磁鐵貼在飯盒外側(cè)移動，使貼有鐵釘?shù)囊粋?cè)紙板繞著法線向后轉(zhuǎn)動一個角度，反射光線在煙霧中清晰顯示，但在紙板上不再顯示.將紙板再次轉(zhuǎn)回原來的位置，紙板上再次清晰顯示反射光線.

設(shè)計(jì)意圖：讓學(xué)生通過插竹簽的方式顯化其腦海中的光路模型，學(xué)生潛意識里認(rèn)為：反射光線、入射光線和法線在同一平面內(nèi).這個結(jié)論是否正確，教師需要引導(dǎo)學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)收集證據(jù)來證實(shí)或證偽.上述改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，可以很好地避免學(xué)生出現(xiàn)思維誤區(qū).紙板上不能呈現(xiàn)反射光線，不是因?yàn)榉瓷涔饩€不存在，而是由于紙板平面不在反射光線所在的平面上.基于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象呈現(xiàn)的證據(jù)分析，學(xué)生可以更清晰地認(rèn)識“三線共面”.教師讓學(xué)生經(jīng)歷光的反射光路模型的構(gòu)建，能幫助學(xué)生更好地理解光的反射現(xiàn)象及反射定律.

2.3 活動3：新知應(yīng)用——鑲嵌評價任務(wù)，優(yōu)化科學(xué)模型

模型優(yōu)化1：鏡面反射與漫反射的教學(xué).

在學(xué)習(xí)光的反射定律后，教師可以設(shè)置如圖4所示的評價任務(wù)1：兩組作圖練習(xí).在6位學(xué)生在黑板完成作圖的基礎(chǔ)上，教師將第一組圖的三個平面鏡連成一個整體，鏡面反射的特點(diǎn)清晰地展示出來：平行光入射，反射光線仍然平行.然后，教師將第二組圖的三個平面鏡也連成一個整體（如圖5所示），漫反射的特點(diǎn)也清晰展示：平行光入射，反射光線不再平行，向各個方向射出[5].

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生在學(xué)習(xí)光的反射定律后，教師在此處設(shè)置評價任務(wù)1，基于反饋信息既可以及時了解學(xué)生學(xué)到什么程度，也可以通過及時糾正典型問題，強(qiáng)化學(xué)生的作圖規(guī)范和技能.教師將三個平面分別連成一個平整的平面與一個凹凸不平的表面，使學(xué)生對光的反射光路模型從單根光線在平面鏡上的反射，進(jìn)階到光在光滑的物體表面能反射、在粗糙的物體表面也能反射，且兩類反射都遵循光的反射定律.至此學(xué)生腦海中光的反射光路模型進(jìn)一步完善，更全面.在此過程中教師也讓學(xué)生體會到分解、整合、抽象等建模方法.

模型優(yōu)化2：平面鏡成像光路分析.

通過平面鏡成像光路分析，對比“小孔成像”光路，明確實(shí)像與虛像的區(qū)別.接著，教師在此處設(shè)置評價任務(wù)2：結(jié)合成像光路分析，請你說說：如果在平面鏡和虛像之間，放上不透明的紙板，在平面鏡前，用眼睛是否還能看到燭焰的像？評價任務(wù)3：游戲環(huán)節(jié)，激光隔物打靶，若要快速擊中靶心，你還有什么妙招？

設(shè)計(jì)意圖：評價任務(wù)2是檢測學(xué)生對平面鏡成像光路模型是否理解，這一問題的思考討論，有助于學(xué)生加深平面鏡成像原理與虛像的理解

，對光的反射概念認(rèn)識更為深刻，為后續(xù)凸透鏡成像的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)

.評價任務(wù)3，讓學(xué)生進(jìn)入頭腦風(fēng)暴，利用光路可逆性原理，提出方法：對著鏡中看到的靶心打，光的反射光路模型進(jìn)一步完善.

2.4 活動4：課外實(shí)踐——引導(dǎo)知識遷移，拓展科學(xué)模型

任務(wù)1：請你課后制作一個潛望鏡，并用畫圖的方式闡述它的工作原理.

任務(wù)2：請你觀察自行車尾燈，用畫圖的方式畫出尾燈的結(jié)構(gòu)示意圖及工作原理.

設(shè)計(jì)意圖：在解決上述兩個問題時，學(xué)生需要對光的反射光路模型進(jìn)行遷移，因?yàn)槎忌婕暗絻纱畏瓷?很多生活實(shí)例 ，需要涉及兩次或者兩次以上的光的反射，教師利用兩個任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行光路模型的有效遷移，將其拓展出多次反射的光路模型，更符合生活實(shí)例，有更大的應(yīng)用價值.同時，讓學(xué)生進(jìn)一步體會到：光的反射是一個動態(tài)過程，更能揭示“光的反射”屬于物理觀念——“運(yùn)動和相互作用觀”的本質(zhì).

而這種光路模型的拓展，在后續(xù)光的折射和透鏡教學(xué)中也有借鑒意義.

3 結(jié)語

教師基于“學(xué)習(xí)進(jìn)階”的理論，整合模型建構(gòu)，

從培養(yǎng)學(xué)生物理觀念的角度展開物理概念的教學(xué)，

促進(jìn)學(xué)生實(shí)現(xiàn)物理概念或規(guī)律的進(jìn)階，對進(jìn)階起點(diǎn)的分析、進(jìn)階目標(biāo)的預(yù)設(shè)是基礎(chǔ)，確定進(jìn)階起點(diǎn)與目標(biāo)間合適的“進(jìn)階層級”是保障，探索創(chuàng)設(shè)鮮明、豐富的建模情境，促進(jìn)概念進(jìn)階的有效學(xué)習(xí)活動則是關(guān)鍵.教師在進(jìn)行具體教學(xué)設(shè)計(jì)時，對于進(jìn)階起點(diǎn)的分析、進(jìn)階目標(biāo)的預(yù)設(shè)先于進(jìn)階層級的預(yù)設(shè).進(jìn)階層級是設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)活動的目標(biāo)方向.教師對于學(xué)習(xí)活動的設(shè)計(jì)，應(yīng)重在產(chǎn)生問題的學(xué)習(xí)情境的創(chuàng)設(shè)，并指導(dǎo)學(xué)生在情境中充分利用模型建構(gòu)的優(yōu)勢，運(yùn)用科學(xué)思維方法進(jìn)行意義建模，從而幫助學(xué)生真正理解、靈活應(yīng)用物理概念，實(shí)現(xiàn)物理概念的有效內(nèi)化[6].

目前在初中物理概念教學(xué)中，建模能力的重要性與重視度還不匹配，需要教師把建模意識貫穿在物理概念教學(xué)的始終，循序漸進(jìn)，使學(xué)生逐步熟悉并掌握這種科學(xué)研究的思想方法，養(yǎng)成良好的思維品質(zhì)和習(xí)慣.

參考文獻(xiàn)：

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[3]郭玉英，姚建欣.基于核心素養(yǎng)學(xué)習(xí)進(jìn)階的科學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì)[J].課程·教材·教法，2016，36（11）：64-70.

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（收稿日期：2020-11-20）