初中物理規律深度學習探討
——以“光的反射定律”為例

祁鳳虎

(江蘇省徐州經濟技術開發區實驗學校，江蘇 徐州 221000)

深度學習是相對淺層學習而言的一種學習方式，初中物理規律的深度學習更注重規律形成過程和規律邏輯關系的理解，本文以蘇科版初中物理教材中“光的反射”教學為例，就如何分析教材、重整教材以及如何深度追問，分享筆者的思考。

1 研讀教材，發現問題

在當前關注學生核心素養培養的背景下，我們的教材觀要有所轉變，要從“教教材”切換為“用教材教”，對于本節課的核心“探究光的反射規律”的處理，蘇科版教材的編寫思路符合學生思維邏輯發展的特點，先探究“線”的空間位置關系，然后再探究“角”的大小關系，但仔細分析教材的細節處理，發現還存在一些問題，具體為如下兩個方面。

1.1 關于三線共面

蘇科版教材關于這一內容的處理是提供了如圖1所示的實驗方案。圖1中紙板可繞中央軸轉動，使用紙板的目的是除了顯示光路外，還說明三線共面。

圖1

實踐后發現該演示實驗光線的可見度不高，很難達到理想的效果，很多教師為了提高實驗可視度在激光筆前端綁上一個圓柱形玻璃棒，不過新的問題又隨之而來，當紙板向前翻折時，由于光源的變化在紙板B上也會出現光束。

1.2 關于法線和兩角概念的提出

蘇科版教材采用信息快遞的方式給出了法線、入射角、反射角的概念。

筆者認為把法線概念直接給學生，不利于后續對入射角、反射角的理解，總是會錯誤地認為入射角(反射角)是入射光線(反射光線)與平面鏡鏡面的夾角。

2 優化設計，深度學習

為了解決教材中出現的不足，促進學生認知深度發展，筆者認為需要對教材進行二次開發，讓光的反射規律直觀地呈現出來，培養學生的核心素養。

2.1 直觀全面呈現光的反射現象

不需要借助于圖1中的紙板，只需要關上窗簾，借助于水霧、煙等來顯示光路，或選擇大功率的激光筆作為光源直接在空氣中照射平面鏡，讓學生直觀地觀察到光的反射現象，當一束入射光斜射到平面鏡上，只有一束特定方向的反射光，當轉動激光筆改變入射光的角度，發現反射光的角度也隨之而發生改變。

2.2 借助“細線”固化光路

為了便于量化研究，筆者選擇如圖2裝置進行實驗。

圖2

(1) 實驗器材：鐵架臺2個(圖中標1)、大功率激光筆(圖中標2)、強磁鐵2個(圖中標3)、平面鏡(圖中標4)、透明塑料板(圖中標5)、細線(圖中標6)、具有一定厚度的長方體盒子、小螺帽、記號筆、夾子若干。

(2) 實驗步驟：① 將強磁鐵放在平面鏡下， 并用記號筆在鏡面上標注強磁鐵所放位置(“位置1”)，該點作為入射點；② 調整激光筆使入射光打在入射點，可以觀察到在透明塑料板上出現一個光斑，并用記號筆記錄光斑的位置(“位置2”)，在該位置放一強磁鐵；在細線上穿2個小的鐵螺帽，一端固定在激光筆頭部，一個螺帽吸在“位置1”，另一個螺帽吸在“位置2”，使細線繃直(因為光在同一種均勻介質中沿直線傳播)，則入射光線、反射光線、入射點就被記錄下來了。

2.3 定性探究共面

將光線“固定”后，如何探究入射光、反射光與平面鏡之間的空間位置關系？

借助于有一定厚度的長方體盒子來進行定性分析，當線固定好后，細線與盒子的側面完全貼合時，可以發現盒子的底部也與平面鏡完全貼合，由此可得出結論入射光線與反射光線共面，且“兩線”所在的平面垂直于平面鏡所在平面，用量角器可以量出兩根細線與平面鏡的夾角相等，為后面引出“法線”“反射角等于入射角”打下基礎。定性探究“共面”的意義，可以在引入“法線概念”、總結出規律后引導學生進行反證，加深對“三線共面”的理解。

2.4 引出“法線”，總結規律

教材中對于“法線”的引入比較突然，不利于學生深入認識規律，因為就平面鏡而言似乎不引入法線也能夠解釋光的反射現象。從深度學習的視角，筆者認為有必要讓學生認識到引入“法線”對規律表征的重要性。

(1) 在引入“法線”的概念之前，描述入射光線和反射光線的關系比較冗長，相比于兩線所在平面與鏡面垂直而言，引入“法線”后，“三線共面”“入射光線、反射光線位于法線兩側”的描述要簡潔很多。

(2) 在引入“法線”的概念之前，入射角和反射角也可以定義，則需要將其定義為上文中提到的光線與鏡面(界面)的夾角，對于平面鏡似乎也不是太難理解，但是后續學習我們會遇到曲面鏡，倘若如此定義，則入射角、反射角不容易測量，理解上也存在較大的難度，引入“法線”后，“反射角等于入射角”的描述要準確很多。

(3) 引入“法線”概念不僅僅是為了表述光的反射規律，也是為后續學習光的折射、定義折射角以及表述光的折射規律打下基礎。

為了消除課堂引入“法線”的頓挫感，使學生更好地理解“三線”位置，感受到物理規律的簡潔美，筆者設置了如下問題，將學生的思維引向深入。

問題1：通過前面的實驗，我們記錄了入射光線、反射光線、入射點，還用量角器進行了測量，發現兩根細線與平面鏡的夾角相等，從空間上看，入射光線與反射光線有著怎樣的關系？請用簡潔的語言描述。

設計意圖：放手讓學生自由描述，最終鎖定“軸對稱”，引出“法線”的概念。

問題2：“法線”真實存在嗎？

分析：法線是過入射點畫出的垂直于鏡面的直線，實際不存在。

問題3：既然不存在，那我們引入這樣一個概念的意義是什么?

設計意圖：引導學生從引入“法線”前后對光的反射的描述，自己總結出“反射光線、入射光線與法線在同一平面內”“反射光線與入射光線分居法線兩側”“反射角等于入射角”的結論，切身感受在引入“法線”后規律描述的準確性和簡潔美。也可以結合學生的回答，進行必要的追問與提示，促進學生對反射定律的內化。

3 追問反思，深入理解

物理規律的多種表征方式都是非常嚴謹和準確的，筆者在進行光的反射教學時發現總有學生會提問：為什么不能描述為“入射角等于反射角”？這的確是一個值得思考的問題，如果我們從數學的視角去思考，或是從光路的可逆性角度思考，描述為“入射角等于反射角”也未嘗不可，但是如果教師在備課的過程中不加以反思，僅僅是在課堂上強調這里只能說成“反射角等于入射角”，則太過于武斷，學生很難感受到規律中所蘊含的邏輯關系，甚至很可能會將學生帶入歧途。

為了給學生解釋這個問題，筆者查閱了人教版高中物理3-4的教材，也在知網上查閱了相關文獻。反射角等于入射角的描述當然符合邏輯，同時也反映了兩者的因果關系，但是并非僅僅是這些原因才導致了規律只能描述成“反射角等于入射角”，在自然界中存在入射光、卻沒有反射光的現象，這也是反射定律在該處描述成“反射角等于入射角”的原因之一。

那么，在哪些情況下有可能不存在“反射光線”呢？筆者認為雖然是在初中階段，適當地給有認知需求的學生舉出實例，進行知識的拓展，有助于學生深入理解規律，感受科學的嚴謹性，促進物理觀念的形成，不存在“反射光線”的情況可以給學生拓展性介紹如下兩種情況：

(1) 光的偏振現象，有條件的話可以和學生一起做實驗，演示線偏振光以布儒斯特角入射時沒有反射現象的情形(如圖3)，感受反射光消失的實驗過程，體驗初中物理教材對光的反射規律的準確性。

圖3

(2) 將人教版高中物理3-5教材中關于“黑體”的材料介紹給相關學生閱讀，讓學生認識到當光入射到絕對黑體表面時會被全部吸收，這時只有入射光而沒有反射光。

上述兩種存在入射光而沒有反射光的情形雖然在初中階段沒有辦法向學生進行準確的解釋，但是這種上位銜接式教學有助于學生在第一次接觸物理規律時就有正確的認識，有效發展學生的科學思維，培養嚴謹的科學態度。

夸美紐斯在《大教學論》中寫道：“一切都是從感官開始的?！鄙疃葘W習也應該建立在學生感官感知的基礎之上，我們初中教師應該盡可能地給學生提供可以直接感知的現象，讓物理規律的探究變得更為直觀，在一系列的可視化情境中進行探究活動，培養學生的發散思維，從一個個具象化的現象中抽象、概括出簡潔、準確的規律，適當質疑與反思規律描述的邏輯性，幫助學生深入學習，逐步建立深刻的理性認知。