彭妙 謝桂英 余耿華

摘 要：在光的色散一課中，學(xué)生難以理解色光的分解與合成.以問題設(shè)計(jì)為教學(xué)階梯，以實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為闖關(guān)策略，進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐，培養(yǎng)學(xué)生的分析與論證能力和促進(jìn)學(xué)生的思維進(jìn)階.

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì);闖關(guān);分析與論證能力;思維進(jìn)階

中圖分類號：G633.7???? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B???? 文章編號：1008-4134（2021）14-0025-04

基金項(xiàng)目：廣州市海珠區(qū)教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃課題“指向分析與論證能力培養(yǎng)的初三物理教學(xué)策略研究”（項(xiàng)目編號：2019C041）;廣州市第三批市教育系統(tǒng)創(chuàng)新學(xué)術(shù)團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目“中學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)改進(jìn)創(chuàng)新及其在教學(xué)中的應(yīng)用研究”（項(xiàng)目編號：1201630019）.

作者簡介：彭妙（1983-），男，湖南岳陽人，本科，中學(xué)一級教師，研究方向：初中物理教學(xué);

謝桂英（1976-），女，廣東廣州人，碩士，中學(xué)高級教師，研究方向：中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué);

余耿華（1976-），男，廣東廣州人，碩士，中學(xué)高級教師，研究方向：中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué).

美國教育家布魯姆將思維由低到高分為記憶、理解、應(yīng)用、分析、評價(jià)、創(chuàng)造六個(gè)層次，其中前三個(gè)層次為低階思維，后三個(gè)層次為高階思維[1].在當(dāng)前的教育中培養(yǎng)學(xué)生的思維由低階向高階發(fā)展，顯得尤為重要.筆者嘗試了利用創(chuàng)新制作的教具進(jìn)行教學(xué)，在光的色散一課中設(shè)計(jì)了五個(gè)環(huán)節(jié)，在教學(xué)推進(jìn)的過程中學(xué)生進(jìn)行思維闖關(guān)，旨在培養(yǎng)學(xué)生的分析與論證能力，并促進(jìn)學(xué)生的思維由低階向高階方向發(fā)展.

1 發(fā)現(xiàn)教學(xué)問題，創(chuàng)新制作教具

1.1 教學(xué)中存在的問題

人教版物理教材八年級上冊第四章“光現(xiàn)象”中第五節(jié)“光的色散”一課中，雖然實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可以明顯觀察到白光經(jīng)過三棱鏡后形成彩色的光帶，但學(xué)生難以接受白光通過三棱鏡時(shí)，會經(jīng)過兩次折射而“分解”為七種色光.實(shí)驗(yàn)室沒有配套的器材能夠直觀呈現(xiàn)“色散時(shí)光的傳播路徑”，學(xué)生分析問題與解決問題的能力不能得到有效培養(yǎng)，妨礙了學(xué)生思維的進(jìn)階.

1.2 實(shí)驗(yàn)器材的設(shè)計(jì)思路

基于實(shí)驗(yàn)室沒有色散時(shí)光的傳播路徑裝置，設(shè)計(jì)制作激光筆底座，使紅、綠激光能夠重疊在一條直線上傳播并呈現(xiàn)路徑;兩束光共線到達(dá)三棱鏡之后，由于偏折角度不同會形成兩條光路，可以有效幫助教師設(shè)計(jì)問題階梯.而利用色光的混合儀將光斑較大較亮地投到大屏幕上，使實(shí)驗(yàn)可視化效果增強(qiáng)，電位器采用分壓式接法可以使光斑的亮度連續(xù)調(diào)節(jié)，獲得更豐富的色彩，能使學(xué)生了解白光的組成和不同色光混合的現(xiàn)象[2].使器材成為培養(yǎng)學(xué)生分析與論證能力的有效載體，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的趣味性和吸引力，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量和效果[3].

1.3 實(shí)驗(yàn)器材的創(chuàng)新制作

色散演示儀的創(chuàng)新制作：取一塊長約20cm、寬約3cm、厚2cm的木條，底部開兩個(gè)圓槽安裝兩個(gè)強(qiáng)磁體（如圖1所示），側(cè)面固定四個(gè)圖釘，頂部不做處理（如圖2所示）.找一個(gè)內(nèi)徑比綠光激光筆外徑略大的塑料管A，用皮筋將管固定在圖2所示的木條頂部（如圖3所示）.找一個(gè)外徑與A內(nèi)徑相同的塑料管B，在B正中央固定一小段玻璃柱作為分光器（如圖4所示）.將該綠光激光筆與另一只帶磁吸套管的紅光激光筆前后放置（如圖5、圖6所示）.開啟兩激光筆的開關(guān)，可以觀察到兩路激光重疊在一起.

將三棱鏡的側(cè)面用502膠水固定一個(gè)薄片強(qiáng)力磁體，便于吸附在黑板上.

色光混合演示儀的創(chuàng)新制作：網(wǎng)購額定功率3W（直徑2cm、工作電壓5-12V）的紅、綠、藍(lán)高亮度LED燈珠各一個(gè);3個(gè)旋扭式電位器（50Ω或100Ω），如圖7所示.將3個(gè)LED燈珠和3個(gè)電位器按照電路圖8連接，采用該分壓法連接，可以方便調(diào)節(jié)LED燈珠的發(fā)光亮度，獲得更豐富的色彩，電源連接一條USB插頭（可方便接在移動電源上）.最后將LED燈珠分別固定在3條長20cm、內(nèi)徑2.5cm的管內(nèi)的一端.最后將三條管固定在可以立放的木板上，測試效果如圖9所示.

2 設(shè)計(jì)思維階梯，引導(dǎo)學(xué)生闖關(guān)

第一關(guān).

教師：請同學(xué)們回顧光的折射知識，完成任務(wù)單中三棱鏡將光折射后到達(dá)光屏的光路圖（如圖10所示）.（教師巡視、指導(dǎo)，必要時(shí)提醒學(xué)生：光在三棱鏡中經(jīng)歷了幾次折射？）

學(xué)生：在任務(wù)單上完成光路圖.

設(shè)計(jì)意圖：通過課前復(fù)習(xí)讓學(xué)生畫光的折射光路圖作為引入，使學(xué)生加深對知識的印象，屬于思維的記憶層次.提醒學(xué)生“光在三棱鏡中經(jīng)歷了幾次折射”強(qiáng)化了學(xué)生對光的折射規(guī)律的理解，屬于思維的理解層次.該環(huán)節(jié)為學(xué)生的思維進(jìn)階穩(wěn)固了基礎(chǔ)，還為引出新課做好鋪墊.

第二關(guān).

教師：請同學(xué)們用三棱鏡觀察教室里的日光燈，依據(jù)我們復(fù)習(xí)的光的折射規(guī)律，想想我們應(yīng)該在哪個(gè)角度可以透過三棱鏡看到日光燈呢？并請注意觀看的時(shí)間不要過長，防止光線過強(qiáng)傷害眼睛（教師巡視、指導(dǎo)）.

學(xué)生：取出三棱鏡，透過三棱鏡觀察日光燈，并不斷調(diào)整觀察的角度.

教師：（必要時(shí)提示）同學(xué)們，你們有什么新的發(fā)現(xiàn)嗎？

學(xué)生：哇，我看到了彩色的光帶.

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生在觀察光的折射現(xiàn)象時(shí)，既體驗(yàn)了實(shí)驗(yàn)過程的樂趣，又在理論結(jié)合實(shí)踐的過程中更加深刻地理解了光的折射現(xiàn)象——看到的物體（像）與物在不同的方位，而且與所學(xué)的知識吻合（即現(xiàn)象得到驗(yàn)證），屬于思維的應(yīng)用層次.設(shè)計(jì)學(xué)生在體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)的過程中有新的發(fā)現(xiàn)——看到彩色的光帶，又為教師引入光的色散概念做好了鋪墊.

第三關(guān).

教師：這就是光的色散現(xiàn)象（在黑板上板書課題）.英國科學(xué)家牛頓在1666年最先利用三棱鏡觀察到了白光的色散.下面老師來演示這一實(shí)驗(yàn)（用白光經(jīng)過狹縫，再經(jīng)三棱鏡后在教室的光屏上形成彩色的光帶）.現(xiàn)在我們利用三棱鏡看到了牛頓當(dāng)年看到的“色散”現(xiàn)象.請猜想白光經(jīng)過三棱鏡時(shí)偏折形成彩色光帶的光路情況是怎樣的呢？你能否嘗試在任務(wù)單上畫出所猜想的光路呢？并寫出這些顏色排列的順序.

學(xué)生：嘗試在任務(wù)單上畫出色散形成原因的光路.

教師：（展示、討論學(xué)生的猜想，選出最合理的猜想光路圖，用彩色粉筆將“紅橙黃綠藍(lán)靛紫”七個(gè)字用相應(yīng)的顏色寫在黑板上，將猜想最多的色散形成的光路也在黑板上畫出.）畢竟這只是大部分同學(xué)的猜想，現(xiàn)在老師提供一支紅光激光筆、一支綠光激光筆、一個(gè)三棱鏡、一張白紙（同時(shí)把器材隨機(jī)吸附在黑板上），請大家思考如何利用以上器材來設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證色散現(xiàn)象？（基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生可以增加設(shè)問：如何用以上器材設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證一束光變多束光呢？）

學(xué)生：（分組討論后，請代表回答）首先應(yīng)該設(shè)法讓紅、綠兩束光重疊在一條直線上傳播，然后將三棱鏡放在重疊光束傳播的路徑上，用白紙?jiān)谌忡R的另一側(cè)承接，并觀察白紙，若白紙上出現(xiàn)兩條光路，則驗(yàn)證了色散現(xiàn)象.

教師：非常好，那我們就來進(jìn)行實(shí)驗(yàn).（按照學(xué)生的表述進(jìn)行操作，注意自制帶底座的激光筆較高，應(yīng)該放在后方，驗(yàn)證情況如圖11所示;若學(xué)生動手能力較強(qiáng)，可以引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行操作.）

教師：由此可以說明白光并不是單一的色光，而是由多種色光混合而成的復(fù)色光.那么當(dāng)白光經(jīng)過三棱鏡時(shí)可以分解為各種不同的色光，是三棱鏡對這些色光有什么不同的作用嗎？

學(xué)生：三棱鏡對不同的色光偏折的角度不同.

教師：對了，即色散的本質(zhì)是三棱鏡對不同色光偏折的角度不同（同時(shí)寫在黑板上）.

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生在討論用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證色散的光路情況時(shí)，會思考實(shí)驗(yàn)的目的、器材的作用、實(shí)驗(yàn)的步驟、采集的證據(jù)等等情況，屬于思維的分析層次.同時(shí)學(xué)生經(jīng)歷討論、完善實(shí)驗(yàn)方案的過程，同伴提供建議的過程和教師提供建議的過程，學(xué)生會經(jīng)歷思維的自我評價(jià)與同伴評價(jià)，屬于高階思維.

第四關(guān).

教師：白光可以分解為7種色光，如果人們要制作彩色電視機(jī)的屏幕，并且獲得白光，是否在電視屏幕中一定要安裝顯示7種色光的裝置呢？

教師：如果用發(fā)出7種色光的裝置來制作彩色電視機(jī)的屏幕，技術(shù)上是很難實(shí)現(xiàn)的，而且科學(xué)家發(fā)現(xiàn)只需要三種色光即可組合出各種不同顏色的光，包括白光.這三種色光就是紅、綠、藍(lán)，我們把這三種光叫色光的三原色.（用粉筆圈出已板書的“紅、綠、藍(lán)”，并板書“色光的三原色”.）

教師：（拿出色光的合成演示儀，分別演示紅、綠、藍(lán)三種色光，如圖12所示）同學(xué)們想一想，如果我們要用這三種色光來獲得其他顏色的光，應(yīng)該如何操作呢？

學(xué)生：應(yīng)該將這些光混合在一起.

教師：好，請這位同學(xué)上來試試.

學(xué)生：在教師的指導(dǎo)下操作器材，其他學(xué)生提出三種色光不同組合混合的建議，操作器材的學(xué)生進(jìn)行嘗試，如圖13所示.

教師：感謝這位同學(xué).我們通過三原色的兩兩組合分別獲得了哪幾種顏色呢？

學(xué)生：青色、黃色、紫色.

教師：三原色同時(shí)組合又獲得了什么顏色？

學(xué)生：白色.

教師：因此，我們把這種現(xiàn)象叫色光的混合（板書色光的混合）.

教師：如果我們要獲得更多種顏色的光，又應(yīng)該怎么辦呢？

學(xué)生：（討論后回答）可以分別任意調(diào)節(jié)三原色的亮度，然后進(jìn)行組合來獲得其他不同顏色的光.

教師：（演示用電位器任意調(diào)節(jié)三原色的亮度，組合獲得其他不同顏色的光）看來，人們只需要這三種色光按照不同的亮度混合就可以獲得幾乎所有的其他色光了.

設(shè)計(jì)意圖：利用該創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)儀器，很好地落實(shí)了《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》要求的“學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)，了解白光的組成和不同色光混合的現(xiàn)象”.實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象非常明顯，實(shí)驗(yàn)操作非常便捷，在師生的互動中學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性很高，在觀察不同色光混合得到豐富色彩的過程，學(xué)生參與的熱情較高，在驚嘆中對知識有了更深刻的記憶.通過創(chuàng)新器材有效幫助學(xué)生快速簡便地驗(yàn)證分析的結(jié)果，使分析與驗(yàn)證的過程交互出現(xiàn)，在師生互動、生生互動的過程中，發(fā)生評價(jià)的過程，有效地促進(jìn)學(xué)生的思維進(jìn)階.

第五關(guān).

教師：同學(xué)們，我們發(fā)現(xiàn)白光可以分解為七種肉眼可見的色光，是不是白光就只能分解成這七種色光呢？有沒有可能還存在我們?nèi)庋劭床坏降墓饽兀?/p>

學(xué)生：應(yīng)該不只這七種色光.

教師：你猜想可能還存在幾種色光呢？

學(xué)生：可能還有兩種.

教師：他們可能在這七種色光光譜的哪個(gè)位置呢？

學(xué)生：在紅光和紫光附近.

教師：你猜想的依據(jù)是什么？

學(xué)生：人的聽覺頻率范圍是20Hz-20000Hz之間，還存在著超聲波和次聲波是人耳聽不到的.我認(rèn)為人的視覺應(yīng)該與聽覺類似，都是有一定范圍的，所以在紅光和紫光附近可能都存在肉眼無法感知到的光.

教師：非常好.事實(shí)上英國物理學(xué)家、天文學(xué)家威廉·赫謝爾于1800年發(fā)現(xiàn)在紅光的附近有一種看不見的光，能使溫度計(jì)示數(shù)升高，后來人們把它叫“紅外線”.德國物理學(xué)家、化學(xué)家里特于1801年發(fā)現(xiàn)在紫光的附近有一種看不見的光，能使氯化銀變黑，后來人們把這種看不見的光叫“紫外線”（板書：紅外線、紫外線）.

教師：演示紅外線和紫外線的作用及小結(jié).

設(shè)計(jì)意圖：巧設(shè)提問，強(qiáng)調(diào)“肉眼可見”，使學(xué)生明確“感覺是不可靠的”，進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行猜想，因而聯(lián)想對比舊知識的基礎(chǔ)上提出創(chuàng)新的觀點(diǎn)——猜想七種色光以外還存在肉眼看不見的其他色光，是思維的創(chuàng)新過程.通過合理的問題階梯，鼓勵(lì)學(xué)生說出自己的想法，給予表達(dá)的機(jī)會，培養(yǎng)口頭分析與論證能力，促進(jìn)學(xué)生的思維不斷進(jìn)階，幫助其實(shí)現(xiàn)思維闖關(guān).

教師的板書設(shè)計(jì)（如圖14所示），在課堂教學(xué)的過程中生成，使知識不會零散化、碎片化，幫助學(xué)生建立知識之間的內(nèi)在聯(lián)系，增強(qiáng)學(xué)生掌握知識的系統(tǒng)性，提高其綜合解決問題的能力、創(chuàng)新能力[4].

3 評價(jià)教學(xué)效果，反思進(jìn)階效度

教師利用創(chuàng)新色散演示儀和色光混合演示儀進(jìn)行教學(xué)的闖關(guān)策略為：復(fù)習(xí)引入，回憶概念;經(jīng)歷體驗(yàn)，理解知識;鞏固理解，應(yīng)用知識;依托器材，分析論證;師生互動，自評互評;對比知識，創(chuàng)新思維.該策略以創(chuàng)新色散演示儀和色光混合演示儀為中心，以思維進(jìn)階為目的，問題設(shè)計(jì)層層遞進(jìn)，引導(dǎo)學(xué)生通過五個(gè)環(huán)節(jié)的教學(xué)活動實(shí)現(xiàn)思維闖關(guān)，培養(yǎng)了學(xué)生分析問題的能力、科學(xué)表述能力，促進(jìn)了學(xué)生高階思維的發(fā)展.初中生分析與論證能力的形成不是一朝一夕的事，正是教師在長期的教學(xué)過程中科學(xué)施教、堅(jiān)持不懈，才使學(xué)生逐漸掌握分解信息、找出特征、發(fā)現(xiàn)本質(zhì)、揭示因果間的關(guān)系，促進(jìn)綜合素質(zhì)發(fā)展[5].

參考文獻(xiàn)：

[1]曹鍵糧，彭朝陽.巧設(shè)物理“問題鏈”發(fā)展學(xué)生的高階思維能力[J].物理教學(xué)探討，2018，36（02）：69-72.

[2]中華人民共和國教育部.義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，2011.

[3]張海燕.初中物理課堂生活化教學(xué)策略分析[J].中學(xué)課程輔導(dǎo)（教師通訊），2021（06）：31-32.

[4]馬北河.中學(xué)物理知識結(jié)構(gòu)化教學(xué)促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)能力提升的教學(xué)實(shí)踐策略探究[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2017（10）：45-47.

[5]彭妙.指向分析與論證能力培養(yǎng)的初中物理教學(xué)策略研究[J].中學(xué)物理，2019，37（24）：12-14.

（收稿日期：2021-03-27）