顧紅霞 蔣文遠

摘 要：教師在教學(xué)過程中，以物理模型的建構(gòu)來促進物理概念的學(xué)習(xí)進階，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)進階

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

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

作者簡介：顧紅霞（1978-），女，江蘇武進人，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;

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

“學(xué)習(xí)進階”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、實驗與科學(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)來促進物理概念的學(xué)習(xí)進階，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，闡述具體的實踐與思考.

1 進階分析

1.1 進階起點分析

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

“光的反射”屬于“運動和相互作用”主題下的二級主題“聲和光”，課標要求：通過實驗，探究并了解光的反射定律.課標樣例：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)計結(jié)果見表1.根據(jù)問卷調(diào)查結(jié)果與教學(xué)經(jīng)驗分析，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，筆者將概念進階的起點設(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.建模的起點是：“光線”模型.

1.2 進階目標預(yù)設(shè)

進階目標就是學(xué)習(xí)進階的終點，是學(xué)生是否達成學(xué)習(xí)進階的評價標準.筆者將本節(jié)課進階目標預(yù)設(shè)詳細分解，見表2.

1.3 進階層級預(yù)設(shè)

教師以模型建構(gòu)促進學(xué)生實現(xiàn)概念進階，進階變量不再是單維度，而是概念與模型雙維度的進階.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)物理概念進階的復(fù)雜度層級[3]和物理建模關(guān)鍵節(jié)點的劃分[4]，確定本節(jié)課進階層級，見表3.

2 教學(xué)實踐過程

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住），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)生進一步學(xué)習(xí)的需求.

2.2 活動2：實驗探究——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驗，分組器材準備：白紙、平面鏡、激光筆，實驗操作：

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：如何快速準確地在白紙上記錄入射光線與反射光線的位置？

設(shè)計意圖：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)上述實驗結(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”.

演示實驗展示：在表面平整的泡沫上插上一段細長竹簽，竹簽（相當于法線）與泡沫平面（相當于平面鏡）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)計意圖：讓學(xué)生在解決問題的過程中體會法線的引入是因為確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)系的認識也將更加準確、深刻.

建模支架3：驗證“三線共面”.

教師利用實驗器材：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？

實驗演示器材準備（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）、強磁鐵、

用燕尾夾夾住的小段蚊香、火柴

.實驗操作：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)生通過實驗收集證據(jù)來證實或證偽.上述改進實驗，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，不是因為反射光線不存在，而是由于紙板平面不在反射光線所在的平面上.基于實驗現(xiàn)象呈現(xiàn)的證據(jù)分析，學(xué)生可以更清晰地認識“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一步完善.

2.4 活動4：課外實踐——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行遷移，因為都涉及到兩次反射.很多生活實例 ，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，更符合生活實例，有更大的應(yīng)用價值.同時，讓學(xué)生進一步體會到：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)，

促進學(xué)生實現(xiàn)物理概念或規(guī)律的進階，對進階起點的分析、進階目標的預(yù)設(shè)是基礎(chǔ)，確定進階起點與目標間合適的“進階層級”是保障，探索創(chuàng)設(shè)鮮明、豐富的建模情境，促進概念進階的有效學(xué)習(xí)活動則是關(guān)鍵.教師在進行具體教學(xué)設(shè)計時，對于進階起點的分析、進階目標的預(yù)設(shè)先于進階層級的預(yù)設(shè).進階層級是設(shè)計學(xué)習(xí)活動的目標方向.教師對于學(xué)習(xí)活動的設(shè)計，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，運用科學(xué)思維方法進行意義建模，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，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：

[1]董友軍，侯柏羽.基于“學(xué)習(xí)進階”的物理概念教學(xué)——以《運動電荷在磁場中受到的力》一課為例[J].教育研究與評論（中學(xué)教育教學(xué)），2019（11）：79-84.

[2]阮享彬.基于單元核心概念的課堂核心活動設(shè)計實踐——以初中物理“光現(xiàn)象”的教學(xué)為例[J].物理教學(xué)探討，2020，38（05）：11-13.

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

[4]姜連國，郭玉英.基于物理建模的學(xué)習(xí)進階及其指導(dǎo)策略[J].物理教師，2016，37（08）：2-6.

[5]顧紅霞，張世成.搭建教學(xué)支架，促進學(xué)生“生長”[J].湖南中學(xué)物理，2011（03）：3-5.

[6]尤小蓉.基于學(xué)習(xí)進階的物理概念教學(xué)設(shè)計初探——以人教版“磁現(xiàn)象磁場”為例[J].中學(xué)物理，2020，38（10）：55-57.

（收稿日期：2020-11-20）