基于實驗方案設計與優化的課堂深度學習
——以“探究光的反射定律”為例

薛 梅

（南京師范大學附屬中學新城初級中學 江蘇 南京 210019）

課堂中學生活動表面化、思維淺層次的學習狀態將會影響學生對物理概念的理解和應用，要改變這種學習狀態，關鍵是改進課堂教學設計，從課堂教學的起點提升課堂教學的質量，促進學生學科思維能力的養成.本文以初中物理“探究光的反射定律”為例［1］，展示基于“深度學習”相關理論的教學設計.

1 分析教材

傳統的學生實驗器材如圖1所示，平面鏡水平放置，一塊標有刻度的金屬板豎直地立于平面鏡上，并卡在凹槽內，無法折疊.演示用器材設計相對好些，金屬板B可以繞接縫ON向前或向后翻折，來探究反射光線、入射光線和法線是否在同一平面內.

圖1 光的反射傳統實驗器材

（1）平時依據教材內容設計學生活動，存在以下問題

1）金屬板面與平面鏡垂直放置，課本上是直接告知的，學生并不理解為什么，所以當金屬板面與平面鏡鏡面不垂直時，入射光束貼著金屬板入射時，認為反射光束依然在金屬板上.

2）法線是實驗前信息快遞告知的，學生對法線的作用理解并不深刻，描述結論經常將法線丟了.

3）入射光方向只能在金屬板所在的平面內改變.

4）當金屬板B向后折時，金屬板B上看不到反射光束，認為反射光束消失了.

（2）引發了筆者對于課堂教學有效性的4點思考

1）要實現的教學目標是什么？

2）怎樣設計活動對于實現這些目標效果更佳？

3）學生能從活動中學到什么？

4）該學習活動要發展學生哪些方面的技能？

2 實驗改進

物理實驗是觀察、操作和思維互為影響的活動過程，實驗教學不是研究有多少知識點，而是研究在知識點上有多少思維點，這就要求教師能有意識地引導學生學習和掌握思維點，讓學生學會思考.為了促使學生深度思維升階，筆者對“探究光的反射定律”實驗教學進行了如下改進.

2.1 學生自制并改進實驗器材

改進器材1：如圖2（a）所示，透明的塑料罐子，罐內底部用雙面膠固定一個小平面鏡，蓋子上用電烙鐵或大釘子開小孔，用夾子夾住一小段蚊香放入瓶中.

圖2 改進實驗器材1

操作方法：如圖2（b）所示，點燃蚊香放入瓶中，幾秒后用激光筆從上方斜射入一束光.

改進器材2：如圖3所示，利用平面鏡、燕尾夾、紙板、量角器、美工刀自制光的反射器.用夾子固定紙板豎直立于水平放置的平面鏡上，紙板可以自由地繞ON轉動到與鏡面垂直的不同平面.紙板右側面剪出弧形，上半部可以向后折，下半部固定不動.

圖3 改進實驗器材2“探究三線共面”

操作方法：一束激光貼著左邊紙板射向鏡面上的O點，右邊紙板的上半部分向后折，折的部分看不到反射光束，留下的部分依然能看到.

2.2 創新實驗設計

2.2.1 創設情境 喚醒深度思維

創設情境：如圖4所示，學生利用自制的器材操作實驗，讓光從不同方向斜射向同一入射點，觀察現象，轉動觀察的角度，當轉到某個角度時會發現反射光束與入射光束重合了.

圖4 觀察反射光線、入射光線共面現象

師：你發現反射光線和入射光線在位置上有什么關系？

生：如圖5所示，學生嘗試用竹簽在花泥上模擬反射光線和入射光線并講解.通過以上實驗觀察說明反射光線和入射光線在同一個平面內.

圖5 建立共面的空間概念

師：你覺得反射光線和入射光線所在的這個面與鏡面是什么關系？

生：讓入射光貼著紙板入射，當紙板平面與鏡面垂直時，能顯示出入射光束和反射光束，當紙板平面與鏡面不垂直時，發現紙板上只有入射光束，從而說明反射光線和入射光線所在的這個平面與鏡面垂直.

設計意圖：課本上紙板面與鏡面垂直是直接告知的，但是對抽象思維處于較低水平的初學物理的學生來說，只有通過實驗這一橋梁，在豐富的感性材料基礎上，再用竹簽在花泥上，模擬光反射模型，能在學生頭腦中建立光反射的空間概念，使學生對光反射現象的認識從感性上升到理性.

2.2.2 模型建構 滲透思維方法

創設情境：如圖6所示，動畫顯示反射光束和入射光束所在的3個與鏡面垂直的面.

圖6 建立法線

師：你發現什么？

生：通過觀察，學生發現三面共線，且這根線與鏡面是垂直的.

師：我們將這根線稱為法線.

設計意圖：經歷了上述法線建立的過程，讓學生明白鏡面的法線不只是數學上的“輔助線”作用，它實際的作用是用來確定反射光線和入射光線的空間位置關系的，有法線所在的這個平面一定是跟鏡面垂直的.

3 反思創新 引領深度學習

3.1 探究活動后的兩個思考題

課堂的探究活動結束了，但是我們應該思考學生還能有更好的思維發展嗎？引導學生“反思創新”，則是進行深度學習的高階思維訓練.在完成光的反射定律的探究活動后，筆者給學生留了兩個思考題：

（1）如果沒有法線你會如何描述反射定律？

（2）你覺得法線的建立有什么好處？

3.2 在思考題回答中引領學生深度學習

學生思考后以文字形式回答.筆者認真分析了學生的深度思考，總結如下：

3.2.1 思考題（1）的回答

1）光反射時，反射光線與入射光線在與鏡面垂直的同一平面內.

2）光反射時，反射光線與入射光線分居于兩光線夾角平分線的兩側.

3）光反射時，反射光線與鏡面的夾角與入射光線與鏡面的夾角相等.

4）入射光線與鏡面的夾角和反射光線與鏡面的夾角相等且θ≤90°.

5）特殊情況：垂直入射時，反射光線、入射光線與鏡面的夾角都為θ=90°，反射光線、入射光線合為一線.

3.2.2 思考題（2）的回答

1）法線是反射光線和入射光線夾角的角平分線，引入法線的作用是為了引入兩角相等做必要的鋪墊，為了更好地探究反射角與入射角的關系.

2）可以讓人們知道反射光線與入射光線確定的平面與鏡面是垂直關系.

3）法線的引入，可以更好地確定反射光線的位置，并且有且只有一條.

4）觀察現象時多一個參照物，總結結論時更加方便，更好地描述現象.

5）為了更好地將正確的光路在光路圖中顯示出來.

6）將線與面的關系轉換成了線與線的關系.

學生在描述結論時注意到學科融合將數學的知識應用到了物理中，而且在思考以上問題時必然會回顧實驗內容以及反復閱讀課本內容，并將自己的想法與課本內容對比，這樣可以促進學生對知識的深層加工，深度學習也在學生的回顧、分析、比較的過程中得以實現.

物理是一門以理論為導向、以實驗為基礎、理論和實驗相互統一的自然科學.學習物理知識，邏輯思維很重要.讓學生深度學習的目的就是為了培養學生相應的物理素養和形成物理觀念的能力，為其終身發展奠定堅實的基礎［2］.