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        培養(yǎng)學生科學思維的趣味實驗教學探索
        ——以“光現(xiàn)象”為例

        2022-10-18 00:06:18孫夢蝶
        物理教學探討 2022年9期
        關鍵詞:平面鏡小孔氣球

        孫夢蝶

        南京市江北新區(qū)浦口外國語學校,南京 210000

        《義務教育物理課程標準(2022年版)》指出,物理課程要培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng)。科學思維是核心素養(yǎng)的重要組成部分,科學思維是對客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關系的認識方式;是建構(gòu)物理模型的抽象概括過程;是基于事實證據(jù)和科學推理對不同信息、觀點和結(jié)論進行質(zhì)疑和批判,予以檢驗和修正,進而提出創(chuàng)造性見解的品格和能力。對于初中生來講,大部分學生的思維還處于淺層階段,教學中教師不能只關注知識的學習,還應多關注他們的思維過程。物理是一門以實驗為基礎的自然科學,實驗教學是培養(yǎng)學生科學思維的重要環(huán)節(jié)。筆者以“光現(xiàn)象”的教學為例,以趣味實驗為載體,引導學生主動思考問題,建立科學模型,思考證據(jù)和結(jié)論之間的關系,培養(yǎng)學生質(zhì)疑創(chuàng)新的意識,促進學生科學思維的發(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,把復雜的研究對象進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。教學中培養(yǎng)學生對物理模型的建構(gòu)、理解與應用能力,對于培養(yǎng)學生的物理核心素養(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鍵,同時,如何應用該模型分析問題也很重要。在常規(guī)教學中,教師通常引導學生應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。為了促進學生對光線模型的理解與掌握,提高學生學習物理的興趣和求知欲,筆者在教學中設計了“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,當小孔距離墻壁較遠時,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?能否用光線模型進行解釋?

        學生討論: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,小球距離墻壁較遠時,當光源照向小球,墻壁上的影子是什么形狀呢?

        學生猜想:墻壁上的影子是圓形的。

        教師演示:將五角星光源照向小球,當小球距離墻壁較遠時,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,并對學生的討論進行小結(jié)。

        圖3 “小孔成像”和“反小孔成像”原理圖

        設計意圖:“小孔成像”是“光現(xiàn)象”中一個有趣的實驗,而“反小孔成像”實驗則更讓學生感到驚奇。從趣味實驗出發(fā)引導學生應用光線模型對兩個實驗進行對比分析,引導學生將所學模型遷移到新的問題當中,促進學生深度學習,培養(yǎng)學生的模型思維。

        2 通過“激光射氣球”實驗,培養(yǎng)科學論證思維

        科學論證是科學思維的一個重要構(gòu)成要素,是基于證據(jù)和理由對所研究的科學問題進行描述、判斷、解釋,提出自己的觀點,同時反駁他人的觀點。在物理教學中引導學生進行科學論證,可以促進學生概念理解和概念轉(zhuǎn)變,促進學生科學思維能力的發(fā)展。在“物體的顏色”教學中,教師通常引導學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),導致課堂論證的邏輯不夠完整。筆者在新課教學中增加“激光射氣球”的實驗,為學生的論證增加證據(jù),培養(yǎng)學生的證據(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、藍三種色光,照射紅、綠、藍、白、黑五種顏色的氣球。

        學生觀察氣球的顏色,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入人眼,另一部分光去了哪里?

        學生猜想: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、白、黑五種顏色的氣球充氣并固定起來,分別用紅、綠、藍三色激光照射氣球。

        學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?

        學生論證:光照到不透明物體上,一部分光被反射,進入人眼,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。

        設計意圖:科學論證依賴于科學證據(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)的教學是不利于學生科學思維發(fā)展的。教師利用“激光射氣球”這一趣味實驗為學生提供了充分的感官體驗,鼓勵學生對所得到的事實證據(jù)進行論證解釋,喚醒學生對證據(jù)的關注。

        3 通過“彩色的影子”實驗,培養(yǎng)科學推理思維

        對物理現(xiàn)象進行分析和推理是重要的科學思維過程,科學推理是用已有的物理知識和所給的事實與條件,進行邏輯思維推導,推出正確的判斷或結(jié)論。物理教學中將陳述性知識放在特定的情境化問題中,融入實際生活,應用物理知識解決實際問題,有助于學生理解物理概念和規(guī)律,促進科學推理能力的提高。筆者在“光現(xiàn)象”單元復習中設計了一道情境化問題,引導學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。

        學生實驗,并觀察現(xiàn)象。

        學生討論:將白色背景板換成紅色,人影依然是黑色的。當白光照向?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。

        學生討論:人換上紅色衣服,人影依然是黑色的。當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、藍三束光照向玩具,背景板上的影子會變成什么顏色呢?

        學生猜想: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?

        學生討論:以左邊的黃色的影子為例,當右邊的藍光照向物體,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),并進行小結(jié)。

        圖5 彩色的影子實驗原理圖

        設計意圖:通過創(chuàng)設問題情境,引導學生暴露光學方面的迷思概念,再運用邏輯思維、依據(jù)科學原理對實驗現(xiàn)象進行推理、解釋,進而得出結(jié)論,幫助學生理解概念。

        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、趣味實驗應用于教學中,啟發(fā)學生思考,讓學生意識到所學知識的價值以及質(zhì)疑創(chuàng)新的重要性。筆者在光的反射教學中,引導學生對科普節(jié)目中出現(xiàn)的實驗場景進行討論分析,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,兩位同學站在平面鏡的后面(圖6)。

        圖6 《是真的嗎?》透明的鏡子實驗

        學生驚呼: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:我們的眼睛能夠看見物體,是因為來自物體的光線進入了眼睛。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,要求學生畫出反射光線和平面鏡的位置。

        學生討論: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,不會進入觀察者的眼中。

        學生討論: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”學生實驗

        設計意圖:利用看似“透明”的平面鏡實現(xiàn)隱形的實驗充滿了趣味性,該實驗利用的是學過的平面鏡成像和光的反射知識,利用所學知識經(jīng)歷理論分析和動手制作的過程,有助于培養(yǎng)學生勤于思考、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,引導學生進行模型建構(gòu)、科學論證、科學推理、質(zhì)疑創(chuàng)新等活動,對于學生科學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)揮實驗的教育教學功能,更好地培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng)。

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