實驗探究培養物理科學思維核心素養*
——自制教具建構法線 驗證光的反射定律

張 晶

(大連市第二十一中學 遼寧 大連 116021)

韓宏穎

(大連市第四十四中學 遼寧 大連 116013)

李 麗

(大連市第二十一中學 遼寧 大連 116021)

*人民教育出版社課程教材研究所“十三五”課題“基于核心素養發展的初中物理知識建構策略研究”階段性成果,課題編號：KC2016-051

實驗探究培養物理科學思維核心素養*
——自制教具建構法線 驗證光的反射定律

張 晶

(大連市第二十一中學 遼寧 大連 116021)

韓宏穎

(大連市第四十四中學 遼寧 大連 116013)

李 麗

(大連市第二十一中學 遼寧 大連 116021)

科學思維是核心素養的主要組成部分．以往反射定律的證明和法線概念的建構過程過于粗略，忽略了邏輯推理的過程和科學思維能力的培養．本文結合自制教具給出證明反射定律和建構法線概念的過程．

核心素養 反射定律 法線概念建構 自制教具

1 問題背景

光的反射是相互作用主題下的重要組成內容，也是繼光的直線傳播后對于光的傳播路徑的進一步學習，同時也為后續學習和綜合運用平面鏡成像奠定了知識基礎．反射定律無疑是本課的核心內容．而在證明反射定律的實驗探究過程中，傳統的講法有以下不足：第一，只是在單一平面范圍內改變入射光線的入射角去探究，實驗結論缺乏普遍性；第二，對于法線的建構或作用基本不涉及，直接給出法線概念．不利于學生科學素養的形成；第三，對于反射角和入射角的概念直接給出，學生不理解也易錯．以上做法不利于學生科學精神的培養．

圖1 中國學生發展核心素養

中國學生發展核心素養(圖1)于2016年9月18日正式公布．所謂“學生發展核心素養”，主要是指學生應具備的，能夠適應終身發展和社會發展需要的必備品格和關鍵能力．核心素養是關于學生知識、技能、情感、態度、價值觀等多方面的綜合表現；核心素養包括人文底蘊、科學精神、學會學習、健康生活、責任擔當、實踐創新6大素養18個基本要點．

科學思維是科學精神素養的主要組成部分，主要指中學物理中重要的思維方法，從物理學視角對客觀事物的本質屬性、內在規律及相互關系的認識方式，是基于經驗事實建構理想模型的抽象概括過程；是分析綜合、推理論證等科學思維方法的內化；是基于事實證據和科學推理對不同觀點和結論提出質疑、批判，進而提出創造性見解的能力與品質．

2 自制教具介紹

圖2 自制教具的器材

器材組成(圖2)：支架(附可伸縮中軸)，半圓面(2個，可繞支架軸旋轉)，反射面，激光筆(附磁鐵).

器材安裝：將半圓板和反射面依次插在支架主軸上，在支架圓環上用磁鐵吸附激光筆，如圖3所示.

圖3 器材安裝

3 自制教具建構法線 驗證光的反射定律

探究光的反射規律，實驗目的是確定反射光線的位置.

首先，初步確定反射光線位置．用激光筆在空間中向鏡面發出入射光線，去找反射光線．由幾何知識，空間相交的兩條直線能夠確定一個平面，利用一個平面去承接反、入射光線，能夠承接兩光線．多次更換入射光線射向平面鏡的方向，均能利用平面找到入、反射光線．由以上操作，得出結論：光的反射現象中，反射光線、入射光線共面(下文稱為平面A)，并且觀察、測量發現此平面與反射面垂直，如圖4所示.

圖4 反射光線和入射光線共面

其次，確定反、入射光線所在的平面A．由于反射光線的位置還未知，僅根據一條入射光線不能確定該平面．在已知反、入射光線所共平面A與鏡面垂直的情況下，在入射點做一條與鏡面垂直的線(即法線)和入射光線就可以唯一確定該平面A．得出反、入射光線和法線共面且異側，如圖5所示.

圖5 反、入射光線分居法線兩側

再次，在平面A上唯一確定反射光線的位置．在平面A上只有反、入射光線和法線，多次改變入射光線的角度后，學生能觀察、測量得出，反、入射光線到法線的夾角相等．即命名反、入射光線到法線的夾角為反、入射角．順利得出反射角等于入射角，如圖6所示.

圖6 觀察和測量得出反射角等于入射角

4 反思

以上邏輯分析尋找反射光線位置的過程，不僅證明了光的反射定律，也很好地建構了法線，讓學生認識到了法線的意義是唯一確定反、入射光線所在的平面與鏡面垂直．同時使學生理解了反、入射角是如何定義的．

學生科學思維能力是核心素養的重要組成部分，物理邏輯思維能力的提高不僅有利于概念的進階學習，也是進行實驗探究設計實驗的等一系列探究活動的必備關鍵能力，同時在探究活動的進行過程中，使學生具有在科學方面的學習動機和興趣，有學習科學的積極態度，能意識到科學對技術進步和社會發展的影響．

科學思維重視學生學習科學思想與方法，提升科學探究能力、分析解決問題的能力，深刻影響著物理學科的核心素養．

2017-02-12)