用實驗探究縮短與概念的思維距——“光的折射”教學設計及反思

湯建國

（溧陽市上沛中學，江蘇 溧陽 213361）

本文基于實驗探究下開展的物理概念教學，本文針對蘇科版8年級物理上冊中“光的折射”教學設計的一些設想和思考.

1 現象引入探究，避免概念空降

概念“空降”會使學生出現對概念理解形成“空心”，從而感知概念是神秘的、突兀的.很多時候正是因為學生對概念缺乏深刻的認同，造成了學生對概念的掌握不夠牢固，一旦面臨新的或較復雜的問題情境，就會不自覺地產生“認知背叛”.

圖1

“光的折射”教學中，筆者先從生活現象引入學生探究實驗，讓學生從生活中發現問題：（1）觀察“折射斷筆”.提供一杯水，讓學生利用手邊的筆、直尺等學習工具放入杯中，引導學生從上面、側面對水杯中的筆或尺進行觀察，并描述實驗現象.引發學生思考，筆、直尺怎么會出現“折斷”現象呢？（2）“模擬叉魚”.在泡沫塑料白板上畫上魚，白板放入水中，讓學生用竹針對準水中白板上的魚（看到的）叉下（如圖1），通過分組實驗，學生比賽，實際體驗，看誰能叉準？激發學生興趣，增強學生對“光進入另一種介質中偏折”現象的感性認識.當學生用尖針去叉看到的魚，發現總是叉不到，吃驚之余，產生認知沖突.上述現象是怎樣引起的？能否用以前學的知識解釋？激發學生對探究光折射知識的內心需求.

2 舊知順化新知，剖析概念內涵

順化是把新學習的物理概念和物理規律整合到原有認知結構的模式之中，當學生原有認知結構與物理問題中新模型相遇對比時，使學生腦中形成認知的認同或質疑，引發科學探究的求知欲，重建對概念的認識，使認知結構得到豐富和擴展.教學過程中，教師應幫助學生以舊知識順化新知識，使學生掌握新知識，順利實現知識的遷移.

學習“光的折射”前，學生認知結構里對“光的反射”知識已有一定的理解和掌握，教學中，筆者通過引導學生回憶“光的反射”相關概念，來遷引光折射的基本概念：折射光線、折射角、光的折射定義.而光的折射概念是光從一種介質斜射入另一種介質時，傳播方向會發生偏折的現象.教學中如果只是讓學生“知道”和“記住”了“什么是光的折射”，那只是在概念的“外圍”，即對概念的記憶和本義的理解，并沒有真正觸及“光的折射”概念的“核心”.光的折射概念的關鍵是“斜射”、“入”、“偏折”.其中的“入”是與反射的“返回”著重對應區別.

圖2

課堂教學中筆者組織學生實驗探究：（1）用激光將一束光線斜射入空杯底，杯底出現光斑.保持入射光線不變，請另一位學生向杯中慢慢加水.觀察水槽底部光斑的位置是否發生變化？（2）用激光演示器演示光的折射現象，讓學生看到光在界面反射和進入水中折射的路徑.并請學生用筆在白紙上大致畫出所看到的現象.通過實驗情景讓學生看清光斜射后會進入另一種介質，并發生了偏折現象，光的反射也是“斜射、偏折”，但不是“進入”而是“返回”原來介質中.光的折射現象的本質就會通過此環節得到很好的呈現（如圖2）.然后引導學生通過回憶舊知入射光線、反射光線、法線、入射角、反射角，為學生認識和理解“折射光線、折射角、光的折射”概念做足思考輔墊.光的折射概念的建立使學生對光折射規律的“定性”研究成為可能，促進了光的折射知識在學生思維中的認知發展.

3 探究概念外延，揭示折射規律

物理概念是物理學習過程中思維活動的起點和終點.運用物理概念尋找物理規律，拓展概念外延，最終通過物理規律的探究來鞏固概念，實現對概念本質特征思維的螺旋上升.

課堂中學生在掌握了光的折射概念的基礎上，筆者讓學生根據光路圖及光的反射，猜想光的折射規律？意圖讓學生通過對比光的反射規律建立有依據的猜想及探究.

學生很自然地提出了“折射光線、入射光線和法線的位置關系”及“折射角和入射角的大小關系”的猜想和探究.為使實驗探究參與面廣，效果好.課堂著重精心設計了4組探究實驗.

圖3

（1）圍繞“折射光線、入射光線和法線的位置關系”，課堂設計了水杯和K T板（如圖3，中間帶縫，可以轉動），學生通過激光筆斜射，發現“折射光線和入射光線在法線兩側”，通過轉動半面K T板，學生很清晰看到轉動后的K T板上的折射光路消失，證明了“折射光線、入射光線和法線在同一平面內”.

（2）圍繞“光從空氣斜射入水（玻璃）中”，“光從水（玻璃）斜射入空氣中”，折射光線向哪里偏折？筆者讓學生用玻璃磚放在紙上對應玻璃磚位置做實驗（如圖4）.并指導學生通過幾何知識：兩點決定一直線確定光路，記錄下觀察到的光從空氣到玻璃再到空氣中的傳播路徑圖.光從空氣垂直射入水（玻璃）中”，光線怎樣（如圖5）？交流實驗探究結果.

圖4

圖5

學生通過幾何方法在白紙上畫出光從空氣到玻璃，再從玻璃中射出到空氣中的傳播路徑（如圖6），該實驗的設計同時解決了“光從空氣中斜射入玻璃”和“光從玻璃斜射入空氣中”現象，達到了一舉兩得的成效.使學生很明顯看到：光從空氣中斜射入玻璃或其他介質時，折射光線向法線偏折（折射角小于入射角）.光從玻璃或其他介質斜射入空氣中時，折射光線遠離法線偏折（折射角大于入射角）.

圖6

圖7

（3）如圖7，指導學生把玻璃放在白紙上，改變幾次入射光的方向，用不同色筆畫出觀察結果，仔細觀察并對比現象，深入剖析折射角隨入射角變化的規律.

（4）圍繞“光折射時光路是否也可逆”的疑問.課堂組織學生從光反射時光路可逆，去猜想光的折射時光路可能也是可逆的，并提出設計方案.

圖8

學生設計（如圖8）：把玻璃磚放在原白紙上，讓光從玻璃磚下面沿剛才所畫線反向射入，看最后出射光路與原入射光（從上面時）是否重合，達到了預期的探究效果.

通過上述4組探究實驗，展示折射概念的外延，使學生順利地對折射規律有了深刻的理解和掌握.

4 回應課堂起點，深化概念應用

課堂最后環節，為使光的折射概念在學生的思維中形成螺旋上升，筆者利用課件動畫呈現了“魚的虛像形成的原因”.引導分析并說出叉準魚的“奧妙”是什么？并再次讓學生進行“模擬叉魚”，進一步激發學生的熱情，體驗成功的喜悅.組織學生分組實驗，觀察玻璃磚后的鋼筆“錯位”，讓學生再次體驗折射使眼睛產生的錯覺.播放了“海市蜃樓”、天空出現的“三日同輝”等影像資料，讓學生領略折射現象不僅會使眼睛“受騙”，有時還會產生一些很美的奇觀.

5 課堂問題反思，著力改進提升

反思1：本課重在“探究”，意在概念，初二學生盡管有的思維和實驗探究能力較強，但畢竟是少數，且課堂又是面對全體，大部分學生的物理思維能力和實驗探究能力較欠缺.所以課堂的探究沒能放得太寬泛，特別是探究光的折射規律時，由于學生的實際操作水平和表達能力有差異，課堂中可采用生生指導、師生指導共同完成，為后面用光的折射規律解釋生活中的折射現象提供更多的方便.

反思2：課堂中用光的折射規律解釋折射現象時，如從水中看岸上的樹，折射斷筆，向水中叉魚等生活實例，教師應該組織學生通過自主嘗試畫折射光路圖的方法，加深對光折射規律的理解，從而揭示折射現象的神奇奧秘，而不是教師通過課件簡單演示完成，這是課堂教學中遺憾之處.