孫夢蝶

南京市江北新區(qū)浦口外國語學(xué)校，南京 210000

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》指出，物理課程要培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)。科學(xué)思維是核心素養(yǎng)的重要組成部分，科學(xué)思維是對客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識方式；是建構(gòu)物理模型的抽象概括過程；是基于事實證據(jù)和科學(xué)推理對不同信息、觀點和結(jié)論進(jìn)行質(zhì)疑和批判，予以檢驗和修正，進(jìn)而提出創(chuàng)造性見解的品格和能力。對于初中生來講，大部分學(xué)生的思維還處于淺層階段，教學(xué)中教師不能只關(guān)注知識的學(xué)習(xí)，還應(yīng)多關(guān)注他們的思維過程。物理是一門以實驗為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，實驗教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的重要環(huán)節(jié)。筆者以“光現(xiàn)象”的教學(xué)為例，以趣味實驗為載體，引導(dǎo)學(xué)生主動思考問題，建立科學(xué)模型，思考證據(jù)和結(jié)論之間的關(guān)系，培養(yǎng)學(xué)生質(zhì)疑創(chuàng)新的意識，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展。

1 通過“反小孔成像”實驗，培養(yǎng)模型建構(gòu)思維

物理模型是人們在研究物理現(xiàn)象時，保留主要因素，忽略次要因素，把復(fù)雜的研究對象進(jìn)行抽象和概括后得到的。物理模型是人們?yōu)榱搜芯繂栴}方便而研究出來的，主要是用來研究問題與解決問題。教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生對物理模型的建構(gòu)、理解與應(yīng)用能力，對于培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng)具有重要的意義。在初中物理中“光線”是一個非常重要的物理模型，建構(gòu)光線模型的過程很關(guān)鍵，同時，如何應(yīng)用該模型分析問題也很重要。在常規(guī)教學(xué)中，教師通常引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用光的直線傳播模型去解釋生活中的實際問題，比如影子、小孔成像等現(xiàn)象。為了促進(jìn)學(xué)生對光線模型的理解與掌握，提高學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣和求知欲，筆者在教學(xué)中設(shè)計了“小孔成像”與“反小孔成像”兩個對比實驗。

教師演示：在硬紙板中央剪出五角星的形狀，將其覆蓋在平板照明燈前，得到一個五角星形狀的光源。打開電源照向一個圓形小孔，當(dāng)小孔距離墻壁較遠(yuǎn)時，墻上出現(xiàn)如圖1所示的光斑。

圖1 “小孔成像”實驗

教師提問：墻上的光斑是什么形狀？光斑是如何形成的？能否用光線模型進(jìn)行解釋？

學(xué)生討論：墻上的光斑是五角星形狀的，是來自五角星光源的光經(jīng)過小孔直線傳播，在墻上形成了一個倒立的實像。

教師提問：如果將小孔換成小球，小球距離墻壁較遠(yuǎn)時，當(dāng)光源照向小球，墻壁上的影子是什么形狀呢？

學(xué)生猜想：墻壁上的影子是圓形的。

教師演示：將五角星光源照向小球，當(dāng)小球距離墻壁較遠(yuǎn)時，墻上出現(xiàn)如圖2所示的影子。

圖2 “反小孔成像”實驗

教師提問：墻上的影子是什么形狀？它和剛剛小孔成的像有何相同之處，有何不同之處？能否用光線模型解釋墻上的影子是如何形成的？

學(xué)生討論：墻上的影子是五角星形狀的，且和光源的形狀相比是倒立的。墻上的影子和剛才光源通過小孔成的像形狀一樣，只是小孔成的像較亮，而小球后面的影子較暗。因為小孔透光，光線通過小孔直線傳播照在墻上形成亮的五角星，而小球會擋光，一部分光線在直線傳播時被小球擋住，在墻上形成暗的五角星。

教師展示如圖3所示的原理圖，并對學(xué)生的討論進(jìn)行小結(jié)。

圖3 “小孔成像”和“反小孔成像”原理圖

設(shè)計意圖：“小孔成像”是“光現(xiàn)象”中一個有趣的實驗，而“反小孔成像”實驗則更讓學(xué)生感到驚奇。從趣味實驗出發(fā)引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用光線模型對兩個實驗進(jìn)行對比分析，引導(dǎo)學(xué)生將所學(xué)模型遷移到新的問題當(dāng)中，促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的模型思維。

2 通過“激光射氣球”實驗，培養(yǎng)科學(xué)論證思維

科學(xué)論證是科學(xué)思維的一個重要構(gòu)成要素，是基于證據(jù)和理由對所研究的科學(xué)問題進(jìn)行描述、判斷、解釋，提出自己的觀點，同時反駁他人的觀點。在物理教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)論證，可以促進(jìn)學(xué)生概念理解和概念轉(zhuǎn)變，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維能力的發(fā)展。在“物體的顏色”教學(xué)中，教師通常引導(dǎo)學(xué)生觀察暗室里不同光照射下物體的顏色，以此來講解不透明物體的顏色是由反射的色光決定的。但學(xué)生往往不能理解為什么物體只反射一部分色光，另一部分色光去了哪里。主要的原因是課堂中缺少“光被吸收”的事實證據(jù)，導(dǎo)致課堂論證的邏輯不夠完整。筆者在新課教學(xué)中增加“激光射氣球”的實驗，為學(xué)生的論證增加證據(jù)，培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)意識。

教師提問：用不同顏色的光照在氣球表面，氣球看起來會是什么顏色？物體的顏色是由什么決定的？

教師演示：在暗室中分別用白光和紅、綠、藍(lán)三種色光，照射紅、綠、藍(lán)、白、黑五種顏色的氣球。

學(xué)生觀察氣球的顏色，并將實驗結(jié)果記錄在表1中。

表1 不同色光照射氣球的實驗記錄

教師提問：從實驗結(jié)果看，不同顏色的氣球會反射什么顏色的光？

學(xué)生論證：白色的氣球可以反射所有顏色的光，黑色的氣球不反射光，紅、綠、藍(lán)三色的氣球只反射與自身顏色相同的光。

教師提問：光照到物體表面，一部分光會被物體表面反射進(jìn)入人眼，另一部分光去了哪里？

學(xué)生猜想：另一部分光可能被物體吸收了。

教師演示：用激光筆照射黑色氣球，氣球爆裂。

教師講解：由于光具有能量，當(dāng)用激光筆照射氣球時，氣球吸收激光的能量，溫度就會升高從而爆裂。

教師演示：將紅、綠、藍(lán)、白、黑五種顏色的氣球充氣并固定起來，分別用紅、綠、藍(lán)三色激光照射氣球。

學(xué)生觀察氣球是否爆裂，并將實驗結(jié)果記錄在表2中。

表2 不同激光照射氣球的實驗記錄

教師提問：從實驗結(jié)果看，不同顏色的氣球分別會吸收什么顏色的光？

學(xué)生論證：根據(jù)氣球的爆裂情況來看，白色氣球不吸收光，黑色氣球吸收所有顏色的光，紅、綠、藍(lán)三色氣球吸收與自身顏色不同的光。

教師提問：不同光照射下，物體的顏色看起來不相同。不透明物體的顏色是由什么決定的？

學(xué)生論證：光照到不透明物體上，一部分光被反射，進(jìn)入人眼，人眼看到了顏色，另一部分光被物體吸收，所以不透明物體的顏色是由反射的色光決定的。

設(shè)計意圖：科學(xué)論證依賴于科學(xué)證據(jù)，教師不能只注重物理結(jié)論的教授，而忽視課堂論證的過程，只有結(jié)論而無證據(jù)的教學(xué)是不利于學(xué)生科學(xué)思維發(fā)展的。教師利用“激光射氣球”這一趣味實驗為學(xué)生提供了充分的感官體驗，鼓勵學(xué)生對所得到的事實證據(jù)進(jìn)行論證解釋，喚醒學(xué)生對證據(jù)的關(guān)注。

3 通過“彩色的影子”實驗，培養(yǎng)科學(xué)推理思維

對物理現(xiàn)象進(jìn)行分析和推理是重要的科學(xué)思維過程，科學(xué)推理是用已有的物理知識和所給的事實與條件，進(jìn)行邏輯思維推導(dǎo)，推出正確的判斷或結(jié)論。物理教學(xué)中將陳述性知識放在特定的情境化問題中，融入實際生活，應(yīng)用物理知識解決實際問題，有助于學(xué)生理解物理概念和規(guī)律，促進(jìn)科學(xué)推理能力的提高。筆者在“光現(xiàn)象”單元復(fù)習(xí)中設(shè)計了一道情境化問題，引導(dǎo)學(xué)生綜合運用光的直線傳播、物體的顏色、色光的混合等多個知識點分析問題，經(jīng)歷推論思辨、邏輯論證等推理過程。

教師演示：一名同學(xué)站在白色背景板前，用一束白光照向他，背景板上出現(xiàn)黑色的影子。

教師提問：你有哪些方法使人影變成紅色的呢？

學(xué)生猜想：將白色背景板換成紅色；人換上紅色的衣服；用另一束紅光照向原來的人影。

學(xué)生實驗，并觀察現(xiàn)象。

學(xué)生討論：將白色背景板換成紅色，人影依然是黑色的。當(dāng)白光照向?qū)嶒瀱T，光在直線傳播的過程中被人擋住，紅色背景板上仍然有一個區(qū)域照不到光，因此這個區(qū)域看起來就是黑色的影子；而紅色背景板的其他區(qū)域被白光照射后可以反射紅光，因此看起來是紅色的。

學(xué)生討論：人換上紅色衣服，人影依然是黑色的。當(dāng)白光照在紅色衣服上，紅色衣服只反射紅光，衣服看起來是紅色的，但是由于人擋住了光線，白色背景板上依然有個區(qū)域照不到光，因此這個區(qū)域的影子看起來仍然是黑色的。

學(xué)生討論：用另一束紅光照向原來的人影，可以使人影變成紅色。先利用白光照向?qū)嶒瀱T，在白色背景板上形成一個黑色的影子，就是照不到光的區(qū)域。再用另一束紅光照向影子，背景板反射紅光，因此這片區(qū)域看起來就是紅色的。

教師提問：將一個紅色玩具放置在白色背景板前，讓紅、綠、藍(lán)三束光照向玩具，背景板上的影子會變成什么顏色呢？

學(xué)生猜想：由于色光的混合，墻上會出現(xiàn)彩色的影子。

教師演示：實驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 彩色的影子實驗

教師提問：這些彩色的影子是怎么形成的呢？

學(xué)生討論：以左邊的黃色的影子為例，當(dāng)右邊的藍(lán)光照向物體，物體的背后由于照不到光便形成了一個黑色的影子，但是左邊的紅光和中間的綠光可以照到這個區(qū)域，紅光和綠光混合后可以得到黃光，于是形成了黃色的影子。

教師展示原理圖（圖5），并進(jìn)行小結(jié)。

圖5 彩色的影子實驗原理圖

設(shè)計意圖：通過創(chuàng)設(shè)問題情境，引導(dǎo)學(xué)生暴露光學(xué)方面的迷思概念，再運用邏輯思維、依據(jù)科學(xué)原理對實驗現(xiàn)象進(jìn)行推理、解釋，進(jìn)而得出結(jié)論，幫助學(xué)生理解概念。

4 通過“透明的鏡子”實驗，培養(yǎng)質(zhì)疑創(chuàng)新能力

中學(xué)生的質(zhì)疑創(chuàng)新能力表現(xiàn)在善于運用分析、綜合、抽象、概括，迅速洞察研究對象的本質(zhì)屬性和相互聯(lián)系，能設(shè)計出各種簡單、新穎、獨特的實驗方案。初中生由于接觸物理時間不長，創(chuàng)新似乎還很難，教師可以選擇性地將生活中的科技發(fā)展、趣味實驗應(yīng)用于教學(xué)中，啟發(fā)學(xué)生思考，讓學(xué)生意識到所學(xué)知識的價值以及質(zhì)疑創(chuàng)新的重要性。筆者在光的反射教學(xué)中，引導(dǎo)學(xué)生對科普節(jié)目中出現(xiàn)的實驗場景進(jìn)行討論分析，并通過動手制作還原節(jié)目中的實驗裝置，發(fā)展學(xué)生的創(chuàng)新意識和思維。

教師展示：在《是真的嗎？》20190810期節(jié)目中，兩位同學(xué)站在平面鏡的后面（圖6）。

圖6 《是真的嗎？》透明的鏡子實驗

學(xué)生驚呼：我們能看到男生的下半身，鏡子好像透明的一樣，可是卻看不到女生的下半身，女生的下半身仿佛“隱形”了一樣。

教師提問：你能利用平面鏡制作出這樣的裝置嗎？

教師引導(dǎo)：我們的眼睛能夠看見物體，是因為來自物體的光線進(jìn)入了眼睛。我們看不見女生的下半身，說明來自女生下半身的光線沒有進(jìn)入眼睛。我們能看見男生的上半身和下半身的“像”，說明來自男生下半身的光線經(jīng)過反射進(jìn)入了我們的眼睛。并且男生上半身和下半身的“像”均在觀察者的正前方，說明下半身的光線經(jīng)過反射后，最終沿著男生至觀察者的直線方向傳播。

教師展示：如圖7（a）所示的示意圖，要求學(xué)生畫出反射光線和平面鏡的位置。

學(xué)生討論：畫出如圖7（b）所示的示意圖，來自男生的光線經(jīng)過反射進(jìn)入觀察者眼中，而來自女生的光線由于平面鏡的阻擋，不會進(jìn)入觀察者的眼中。

學(xué)生討論：可以將圖 7（b）轉(zhuǎn)化為圖 7（c），將兩個平面鏡垂直放置，另外兩個平面鏡也垂直放置，調(diào)整兩組平面鏡使其對應(yīng)邊互相平行，在平面鏡所夾的三角形區(qū)域中，放置任何物體都不會對男生的光路產(chǎn)生影響，看起來就像“隱形”了一樣。

圖7 透明的鏡子實驗裝置構(gòu)建過程

學(xué)生制作實驗裝置，如圖8所示，將塑料瓶放在平面鏡后，仍然可以看到瓶身，而隱形區(qū)域的塑料盒成功“隱形”。

圖8 “透明的鏡子”學(xué)生實驗

設(shè)計意圖：利用看似“透明”的平面鏡實現(xiàn)隱形的實驗充滿了趣味性，該實驗利用的是學(xué)過的平面鏡成像和光的反射知識，利用所學(xué)知識經(jīng)歷理論分析和動手制作的過程，有助于培養(yǎng)學(xué)生勤于思考、勇于創(chuàng)新的思維品質(zhì)。

總之，開展豐富多樣的趣味物理實驗，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行模型建構(gòu)、科學(xué)論證、科學(xué)推理、質(zhì)疑創(chuàng)新等活動，對于學(xué)生科學(xué)思維的形成會起到潛移默化的作用。教師要充分挖掘?qū)嶒炠Y源，創(chuàng)新實驗方法，發(fā)揮實驗的教育教學(xué)功能，更好地培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)。