基于探究式教學提升學生核心素養
——以初中物理“光的折射”為例

黃 鵬

(重慶巴蜀常春藤學校,重慶 401127)

2016年9月教育部發布了《中國學生發展核心素養》的研究成果,明確了中國學生發展的3個方面、6大素養和18個基本要點,[1]其中物理核心素養主要由“物理觀念”、“科學思維”、“科學探究”、“科學態度與責任”4個要素構成.物理核心素養是學生在接受物理教育過程中逐步形成的適應個人終身發展和社會發展需要的關鍵能力和必備品格,是學生科學素養的重要組成部分,是物理學科育人價值的集中體現.

探究式教學是提升物理核心素養的重要有效途徑.從形式上看,探究式教學表現出模擬科學探究的特點;從組織結構上看,它強調以學生為中心,強調學生對知識的主動探究和主動發現;從目標分析上看,它著重培養學生科學探究能力與科學品質.[2,3]加強探究式教學的研究對學生核心素養培養至關重要.初中物理“光的折射”集物理現象、物理概念、物理規律、知識應用于一體.是培養學生能力和鍛煉學生思維的經典教學案例,值得深入研究.筆者在2017年第5屆“華夏杯”全國物理教學創新大賽中執教了“光的折射”,嘗試融合類比建模、直覺猜想、證偽、逆向思維等思想方法,借這節課的探究式教學設計與同仁們探討如何提升學生物理核心素養.

1 理清關系,分級制定,目標明確

學生發展核心素養是對三維目標的提煉和升華,是三維目標的高階表達．要提升學生核心素養和物理學科核心素養,首先要理清學生發展核心素養、學科核心素養、課程標準之間的關系:學科核心素養是學生發展核心素養的具體表達,學科課程標準是完成任務的目標理念和要求.[4]因此,可以把學生核心素養作為終極追求的一級目標,學科核心素養作為學科特色的二級目標,學科課程標準作為具體實施的三級目標.“光的折射”一課的學科核心素養具體化目標分級制定見表1.

表1 分級目標

筆者將“光的折射”一課中的物理觀念、科學探究、科學思維和科學態度與責任等物理學科核心素養對應學生發展核心素養的3個方面,并基于義務教育物理課程標準分解教學目標.[4]既有對以往三維目標的繼承和發展,更有對物理學科核心素養在本節課中的具體落實.這樣的教學目標明確具體,邏輯清晰,操作性強.

2 創設情境,引入新課,激趣生疑

通過一個學生耳熟能詳的故事“坐井觀天”導入情境:當枯井中無水時,利用光的直線傳播,學生容易確定青蛙看到的天空范圍;如果風云變幻、大雨傾盆,使井中注滿水,青蛙看到的天空范圍會變化嗎?如圖1,用攝像頭模擬青蛙的眼睛,用底部透明的杯子模擬水井,桌子下面是模擬夜空.讓學生親眼看到加水后,青蛙能看到的星星變多.為什么看到的星星會變多呢?帶著疑問進入新課.

圖1 模擬“坐井觀天”

基于核心素養的探究式教學需要學生積極的學習態度作為支撐,而創設情境是誘發學生探究興趣的有效手段.通過生動有趣的情境導入可以提高學生的積極性,使學生從課堂學習之初,就對本節課將要進行的探究產生濃厚的興趣.[2]

3 建立模型,提出概念,引起新疑

圖2 光的折射實驗光路

通過演示激光斜射入水(滴幾滴牛奶)中,學生可以觀察到:光從空氣斜射入水中時,傳播方向發生了偏折,在水面處還同時發生了反射.面對實驗現象,建立物理模型,把光的折射現象用如圖2所示的光路模型表達出來,運用類比(光的反射)的方法,介紹入射光線、折射光線、法線、入射角和折射角等概念,為折射規律的探究打下基礎.由此提出新問題:光的折射遵循怎樣的規律呢?

通過實驗現象,使學生獲得感性認識,不僅激發學生探究意識,還加深了學生對物理現象的認識,培養了學生結合物理現象建立物理模型的能力.模型的建立自然引出對折射規律的探究.

4 科學探究,尋找規律,總結方法

先和學生一起回顧光的反射定律:3線共面、兩線分居、兩角相等以及光路可逆.類比光的反射,學生很容易猜想光的折射規律,從而展開對光的折射規律探究.

4.1 教師演示,3線關系

介紹探究3線關系的實驗器材,如圖3所示.它是一個右面可以翻折的光屏,先將它們固定在同一平面,讓一束光從空氣斜射入玻璃,此時學生可以觀察到入射光線,折射光線和法線;然后翻折光屏的右面,看是否還能接收到折射光線.如果不能接收到折射光線,3線共面;反之則3線不在同一平面.同時發現在改變入射角的過程中,兩條光線一直位于法線兩側.

圖3 自制光的折射演示儀

4.2 學生探究,兩角關系

介紹學生探究所用的實驗器材,帶激光器的刻度盤、水和玻璃,著重通過實驗介紹光線通過半圓形玻璃磚的特點，如圖4所示.為了得到更普遍的規律,奇數組探究光在空氣和水之間的折射規律,偶數組探究光在空氣和玻璃間的折射規律.強調實驗中的注意事項:激光不要照射眼睛;分工合作,有人操作,有人記錄;通過學案上記錄的數據總結規律.記錄表格見表2和表3.

圖4

入射角i30°40°50°60° 折射角r

從表2的數據中,學生歸納總結出入射角和折射角之間的規律: ① 當光從空氣斜射入玻璃或水時,折射角小于入射角.② 折射角隨著入射角的增大而增大,隨著入射角的減小而較小.

表3

從表3的數據中,學生歸納總結出入射角和折射角之間的規律: ① 當光從玻璃或水斜射入空氣時,折射角大于入射角.② 折射角隨著入射角的增大而增大,隨著入射角的減小而減小.從以上兩個表格的數據中,學生可以對比總結出光的折射也是光路可逆的.得出以上結論后小組間可以交流數據和結論,看得出的結論是否具有普遍性.

總結出以上基本規律后,鼓勵學生跳出表格的束縛,引導學生自由探究特殊情況: ① 當光垂直入射到介質表面時,光的傳播方向不發生偏折,此時入射角和折射角都等于0°.② 當光從水或者玻璃斜射入空氣時,入射角增大,會出現折射光線消失的現象.一般學生都會發現全反射現象,教師不要回避,最好在肯定學生之后,簡單介紹它是高中階段將學習的全反射現象,并且鼓勵學生課下進一步研究.

探究教學的核心是關注物理知識的生成和論證過程.通過物理現象激發學生的興趣是培養學生觀察能力的基本途徑,形成具體的物理現象有助于學生建立物理模型,是形成物理概念和規律的前提.[5]從現象到概念規律的認識,是完成從感性認識到理性認識的第一次飛躍過程,學生經歷“觀察現象——建立模型——類比猜想——實驗檢驗——交流評估”的探究過程,不僅獲得了物理的基本概念和規律,更獲得了科學探究的方法,也提高了思維能力和團隊意識.

5 前后呼應,釋疑解難,學以致用

用光的折射規律來解釋日常生活中的現象是本節課的難點,但由于折射規律的探究是非常充分的,規律是學生自己通過實驗探究得出的,教學難點得到較輕松突破.

5.1 解釋“坐井觀天”

圖5 “坐井觀天”光路圖

為什么有水時青蛙看到的天空范圍變大了?引導學生畫出如圖5所示的光路圖,由于光發生了折射,光從空氣斜射入水中時,不在沿直線傳播,因折射角小于入射角,此時進入青蛙眼睛的光線應來自于更外側,所以更大范圍的天空進入了青蛙眼睛.理解了“坐井觀天”的實驗原理后,介紹電影《戰狼Ⅱ》里面坦克的觀察窗,如果要擴大坦克兵看到的范圍,學生很容易聯想到裝入玻璃或水,因為它和“坐井觀天”有異曲同工之妙.

5.2 解釋“叉魚”

圖6 “叉魚”光路圖

在社會日益文明和發達的今天,學生也應該掌握一些基本的生存技能,引出“叉魚”實驗.在魚缸側壁貼上一條卡通魚,讓學生先通過觀察孔瞄準卡通魚,然后用攝像頭檢驗學生的確瞄準了目標,接著鎖定觀察孔不動,將魚叉滑入觀察孔卻叉到了魚的上方.為什么瞄準了卻叉到魚的上方?引導學生任取兩條魚反射的光線到水面,作出兩條折射光路,學生很容易理解兩個折射角的大小關系(∠4>∠2),判斷出兩條折射光線是發散的,從而很好的理解折射形成的虛像在真實物體的上方.

5.3 解釋“星星眨眼”

圖7

“一閃一閃亮晶晶,滿天都是小星星”是我們熟悉的歌謠,可是為什么會出現“星星眨眼”呢?如圖7所示,先利用酒精噴燈和激光筆(帶滿天星燈頭)模擬星光閃爍,接著引導學生分析酒精噴燈起到加熱空氣和引起氣流的作用,然后聯系到大氣層本來就是不均勻的,因此星光穿過大氣層要發生多次折射.又由于大氣層不是穩定的,大氣的擾動就會使星光的偏折程度不斷變化,一會兒進入人的眼睛,一會兒偏離人的眼睛,所以人們看到了星星閃爍.可以通過類比艷陽天時,水的動蕩引起觀察到的游泳池底晃動,幫助學生理解;還可以介紹俗語“星星眨眼,離雨不遠”,因為星星閃爍越厲害,說明高空氣流越不穩定,天氣很可能發生變化,讓學生感受勞動人民的智慧.

物理來源于生活,又高于生活.物理探究式教學只有貼近生活,才能有效激活學生探究之源,使學生在生活中學習,又學會運用物理知識解釋生活中的現象,解決生活中的物理問題.這就是課程理念倡導的“從生活走向物理,從物理走向社會”.通過生活中的現象,不僅激發學生探究意識,也加深了學生對物理規律的理解,還培養學生的科學思維.探究身邊的問題可以使學生從被動接受變為主動探究,有利于提升學生的核心素養.

6 延伸課堂,逆行思維,感受神奇

在“叉魚”實驗中學生體驗的是人的視角,即從水上看水下物體,最后可以用視頻“神奇的射水魚”啟發學生逆向思維,從魚的視角結束本堂課.讓學生感受大自然的神奇,并思考:射水魚是直接瞄準的昆蟲嗎?請學生在課外繼續探究,還可以上網查詢相關資料.

要提升學生的核心素養離不開課堂探究學習,但是物理探究教學不應該局限于課堂,還要延伸到課外,為學生創造探究實踐的機會.[2]探究實踐活動比課堂探究具有更強的綜合性和自主性,對于學生物理觀念的內化、科學思維的形成和創新能力的培養等都有不可取代的重要作用.

7 小結

總之,基于探究式教學提升學生核心素養具有重要意義.科學探究是一個過程,是一種學習方式和科學研究的雛形,是一種學習物理觀念、發展科學思維、形成科學態度和責任的手段和途徑.[8]然而,如何設計系統的科學探究,仍然是一個復雜的課題,需要我們廣大教師的智慧和創造性.讓我們共同努力,為提升學生的核心素養,把物理探究教學推向一個新境界.