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        基于模型構建的科學思維培養(yǎng)

        2021-12-20 09:07:32吳春曉,黃致新
        物理教學探討 2021年11期
        關鍵詞:科學思維學科核心素養(yǎng)

        吳春曉,黃致新

        摘? ?要:在“全反射”這一節(jié),教師一般采用演示實驗讓學生看到一些光學現(xiàn)象,然后通過歸納,為學生總結出全反射的條件。本研究通過拋出問題,展示現(xiàn)象,讓學生分組實驗、討論交流,從而得出全反射的條件。讓學生自己得出結論的過程不僅能形成物理觀念,而且發(fā)展了學生的科學思維、科學探究以及科學態(tài)度與責任等核心素養(yǎng)。

        關鍵詞:全反射;學科核心素養(yǎng);科學思維

        中圖分類號:G633.7 文獻標識碼:A ? ? 文章編號:1003-6148(2021)11-0026-3

        1? ? 設計理念

        1.1? ? 學情分析

        在本節(jié)課之前,學生已經(jīng)學習了“光的折射”,對于入射角和折射角有了一定的認識,但是對于全反射的現(xiàn)象接觸較少,需要一些生活中的例子加深他們的印象,同時通過對實例的分析加深他們對全反射條件的理解和應用[1]。

        1.2? ? 教學目標

        希望通過本節(jié)課的內容培養(yǎng)學生如下的物理學科核心素養(yǎng):

        (1)物理觀念:

        通過分組實驗,建立全反射的物理觀念,能辨別光密介質和光疏介質。

        通過總結與歸納,掌握全反射的兩個條件,同時能夠判斷發(fā)生全反射的條件。

        (2)科學思維:

        通過各種實驗現(xiàn)象,培養(yǎng)學生的歸納思維。

        通過對實際問題的研究,培養(yǎng)學生構建模型和解決問題的科學思維。

        (3)科學探究:

        通過分組實驗的形式,鼓勵學生通過科學探究探尋全反射的兩個條件。

        通過小組討論的方式,以解決變臉魔術為主題,培養(yǎng)學生科學探究的積極性,同時培養(yǎng)他們對物理問題解釋說明的能力。

        (4)科學態(tài)度與責任:

        通過探究實驗中的規(guī)范操作,培養(yǎng)學生的科學責任感。

        通過高錕的研究事跡,認識光纖技術對社會經(jīng)濟生活的重大影響,激發(fā)學生對科學研究的向往,培養(yǎng)學生在科學研究中的科學態(tài)度。

        1.3? ? 教學重、難點

        (1)判斷是否能發(fā)生全反射;(2)能夠分辨光密介質和光疏介質。

        1.4? ? 教學策略

        (1)利用變臉實驗激發(fā)學生的學習興趣;

        (2)通過實驗探究,引導學生歸納出全反射的條件,同時對相關實例能夠進行一定的分析;

        (3)通過對變臉實驗原理的探究,讓學生在實際問題中加深對本節(jié)所學內容的理解。

        2? ? 教學過程

        2.1? ? 魔術開場,激發(fā)學生的學習興趣

        如圖1所示,教師展示變臉用的水箱教具,當教師倒入水之后,學生會看到隨著水的注入從圖1逐漸變成了圖2的情景。通過魔術的方式,激發(fā)學生的學習興趣。

        2.2? ? 知識回顧,推動學生產(chǎn)生認知沖突

        學生在上一節(jié)已經(jīng)學習了折射定律,通過簡單的兩個問題就能夠激發(fā)學生的認知沖突:

        (1)如果光線從玻璃中出射到空氣中,入射角為30°,折射角為60°,則介質相對于空氣的折射率是多少?

        (2)如果光線從玻璃中出射到空氣中,入射角為60°,折射角為多少?

        如果學生按照折射定律計算第2問,會得到折射角的正弦值為1.5,而任何角度的正弦值都不可能大于1。這個時候就會有學生猜測此時折射定律不適用,或者猜測此時折射光線的折射角是90°。為了給學生思考的空間,教師并不直接斷定這些猜想是否正確,而是順著學生的猜想讓他們通過分組實驗的方式進行探究:如果光線從玻璃進入到空氣中,當入射角大于某一個值的時候,折射光線會怎么樣?

        2.3? ? 分組探究,以生為本探究全反射條件

        在分組實驗之前,教師簡單介紹儀器的使用方式和注意事項(圖3):有兩種激光演示儀可供選擇。學生分組實驗并思考如下問題:

        (1)光線從空氣到玻璃和從玻璃到空氣,隨著入射角的增加,觀察到的現(xiàn)象有何相同[2],有何不同?該問題引導學生認識到全反射只是一種特別的情況,并且對入射和出射的介質有要求。對于這個問題教師需要引導學生回答兩個方面的內容:

        ①無論是從哪種介質到哪種介質,折射角和反射角都會隨著入射角的增大而增大;

        ②只有從玻璃到空氣的時候會出現(xiàn)所有光都被反射的情況,而從空氣到玻璃則會一直存在折射光線。

        通過上述的探究活動方式,教師總結:在物理學中將折射率相對較大的介質稱為光密介質,將折射率相對較小的介質稱為光疏介質,同時強調其定義和相對性,并列舉相關的例子強化學生對這一概念的理解。

        (2)要出現(xiàn)所有光都被反射回原介質的現(xiàn)象,需要入射角滿足什么條件?(請用公式理論推導)。該問題引導學生在確定入射和出射介質的情況下,找到發(fā)生全反射的臨界狀態(tài)。同時,引導學生推導當折射角為90°的時候入射角的表達式。學生在推導的時候可能會說只有當角度大于這個臨界狀態(tài)的時候才能稱之為全反射,教師需要及時糾正為大于等于臨界角都定義為全反射。

        當完成了上述探究和相關的討論之后,教師引導學生歸納全反射的定義、全反射產(chǎn)生的條件以及臨界角、光密介質和光疏介質的定義。

        2.4? ? 首尾呼應,小組討論魔術原理

        課堂引入時使用的變臉實驗其實是一個比較難理解的實驗,教師可以讓學生觀看PPT展示的原理圖(圖4),并且讓學生上臺來近距離研究實驗裝置。這樣的方式比教師直接講授更能激起學生的興趣(圖5),更能培養(yǎng)學生的模型建構和科學推理能力。

        在探究的過程中,為了簡化模型,可以讓隔板和水的折射率幾乎相等,這樣學生就能夠更快速地構建模型。

        2.5? ? 結合實際,從物理走進生活

        在了解了全反射的原理之后,教師可以跟學生一起就全反射的實際應用進行討論:生活中的全反射棱鏡、光纖、水中的氣泡、海市蜃樓,等等。

        3? ? 課后反思

        教師在教學的過程中總是希望將計劃的內容“講”完,但是學生的接受能力不同,所導致的學習效果也不同。因此,并不是教師“講”了,學生“聽到”了,就代表著學生能將所學的物理規(guī)律應用于解決物理問題中。所以,“以生為本”的教學方式,教學進度一定跟學生的實際水平有關,教師有時候需要給學生一點時間思考與討論,才能更加有利于學生思考,真正實現(xiàn)高效的課堂。

        參考文獻:

        [1]徐慧.以問激疑,由疑啟思——“全反射”的教學設計[J]. 物理教學,2017,39(02):18-22.

        [2]高嵩,邢宏光.設計進階實驗,引發(fā)認知沖突——“全反射”教學設計[J].物理教學探討, 2018,36(10):32-34.

        (欄目編輯? ? 鄧? ?磊)

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