初中物理教學中的項目開發與實踐
——以“光學與應用”的拓展教學為例

朱 紅

(江蘇省南菁高級中學實驗學校教育集團暨陽校區,江蘇 無錫 214400)

學生在初中物理學習中的常見困難在于缺乏日常生活經驗、將所學知識應用于生活中的能力,而校本化的拓展課程作為國家課程的有益補充,能夠滿足學生個性化的學習需求。教師通過精心設計項目活動,使學生在完成項目任務的過程中深度體驗物理學習的方式,感受物理觀念的生發過程,在調動學生學習積極性的同時,完善其知識體系,拓寬視野,以形成有利于學生個人終身發展和社會發展所需的必備品格和關鍵能力。

本文以初中“光學與應用”的拓展教學實踐為例, 采用如圖1所示的教學流程，探討在拓展課程中培養學生核心素養的思路和具體方法。

1 情境引入,確立項目主題

項目活動1:抬頭顯示器的原理探討

情境：在現實生活中,駕駛員由于在駕車時低頭觀察汽車儀表,往往會忽略路況,容易造成交通事故。為此汽車廠商開發出一種抬頭顯示器：汽車儀表安裝在駕駛臺上,顯示面水平朝上,駕駛員可以做到不低頭、不轉頭就能借助透明擋風玻璃看到豎直顯示的儀表的像。如果你是汽車設計師,為了實現這一要求,擋風玻璃應該如何放置?

討論與分析：汽車前擋風玻璃可視為平面鏡,由于汽車儀表水平放置,要讓汽車儀表與所成的像垂直,解決方案是讓擋風玻璃與水平面的夾角接近45°。教師對學生的合理想法給予積極評價,引出本次物理拓展課的主題：光學與應用。

評價與反思：學生對所學材料產生濃厚興趣后，可以增強學生學習的動力。高效的教學活動應從精彩的引入開始，在活動伊始教師為學生提供了一個來源于生活的問題,給學生耳目一新之感,學生提出了有創意的思路,既復習了平面鏡成像的知識,又激發了興趣,產生了主動學習的積極愿望。學生從中體會到學以致用的樂趣,深刻認識到科學技術對人類社會進步的重要作用,樹立科學態度。

2 動手操作,體驗物理觀念的形成過程

項目活動2:水膜透鏡的制作與應用

2.1 制作水膜透鏡

準備一根玻璃棒,將鐵絲緊密纏繞在棒上,制成一個內徑約為4mm的圓環，將圓環浸沒在清水中后馬上取出,圓環內會形成一層水膜。

2.2 觀察水膜透鏡

將水膜透鏡貼近課本,透過水膜透鏡觀察書上的字。輕輕甩去一點水膜中的水,注意保持水膜完好,再用水膜透鏡貼近課本,再次透過水膜透鏡觀察書上的字。教師要求學生將兩次觀察到的現象分別記錄下來,并嘗試進行解釋。

2.3 比較水膜透鏡和膠水膜透鏡

將圓環在膠水中浸一下后取出,形成膠水膜。將水膜透鏡和膠水膜透鏡分別貼近課本,且使這兩透鏡與課本的距離相同,發現透過膠水膜觀察到的正立的字更大一些,要求學生嘗試解釋其中的原因。

評價與反思：南京師范大學劉炳昇教授說過：“物理小制作可以激發學生的學習動機；拓寬感知渠道,強化有用信息；突出本質因素,促進理性升華。”水膜透鏡的制作材料來源于日常生活用品,取材方便,制作簡單,學生容易獲得成功。學生通過制作水膜透鏡并進行觀察,可以理解透鏡知識在實際生活中的應用。學生通過深度思考,比較通過兩種透鏡所觀察到的實驗現象,能夠感悟到：膠水比清水對光的折射程度更大,從而自然想到要制成放大倍數更大的放大鏡,可以采用對光的折射程度更大的材料,從而在活動中加深了對光的折射、透鏡成像等知識的理解。學生在應用物理知識的過程中,強化了物理觀念,并內化為解決實際問題的實踐能力。

3 經歷實驗,培養探究能力

項目活動3:全反射的應用——光導纖維

3.1 認識全反射現象

教師提出問題:光從水中斜射入空氣中時,在分界面處會同時發生反射和折射。不斷增大入射角,若入射角增大到一定程度,會發生什么現象？

學生猜想與假設:當光從水中斜射入空氣中時,折射角隨著入射角的增大而增大,由于折射角大于入射角,折射角會比入射角先達到90°。若繼續增大入射角,折射光會看不到。

設計并進行實驗:如圖2所示，學生利用實驗器材,將激光筆射出的光束從水中斜射入空氣中,不斷增大入射角,觀察所看到的現象。

圖2

分析論證:光從水中斜射入空氣中時,當入射角增大到一定程度時,反射現象能夠存在而折射現象消失。

引出全反射概念：光從折光能力較強的介質進入到折光能力較弱的介質時,當入射角大于某一角度(臨界角)時,折射光線會消失。

3.2 演示實驗：會拐彎的光

展示自制的教具：將一直徑約1cm粗的吸管剪成3cm長,用剪刀在靠近大號可樂瓶底部處開一個小孔,小孔的大小與吸管粗細差不多相同,將吸管插入小孔中并露出約2cm長，使吸管水平放置,吸管和可樂瓶用膠水粘牢。

將可樂瓶裝滿水,擰緊瓶蓋。將綠色激光筆用鐵架臺固定好放在小孔的另一側并正對小孔,調整好角度,使激光能夠透過可樂瓶穿過吸管,在教室的白墻上可以看到光斑。擰開可樂瓶蓋子,水從小孔流出,發現墻上的光斑消失了,同時水流變綠了,光線沿著水流傳播。隨著可樂瓶中的水逐漸變少,水流中的光線隨著水流不斷移動(如圖3)。請一位學生走上講臺,把手攤開放在吸管下方,使水流到學生的手心,可以發現手心處有光斑，教師用手機將該光斑拍下來,利用希沃授課助手軟件投影出來(如圖4)。

圖3

圖4

課堂內學生學習氣氛高漲,教師引導學生分析流水中光線彎曲的原因：水流中的激光在水與空氣的交界面處不斷發生全反射,從而使得光線不斷拐彎前行。

3.3 全反射的應用：光導纖維

如圖5所示，把某種介質做成細絲,使光以一定角度從細絲的一端射入,光可以在細絲中不斷地發生全反射而前行,最終從細絲的另一端射出,光導纖維就是根據這一原理制成的。將光導纖維制成光纜，可以進行遠距離通信，醫學上用光導纖維制造出了用來觀察人體內臟的內窺鏡。

圖5

反思與評價：《義務教育物理課程標準(2011年版)》指出：“通過科學探究,使學生經歷基本的科學探究過程,學習科學探究方法,發展初步的科學探究能力,形成尊重事實、探索真理的科學態度。”在物理教學中突出探究活動,可以有效保持學生的好奇心,激發他們的求知欲,使學生體驗科學研究的樂趣,領悟科學思想。在本活動中,學生先通過探究活動認識全反射現象,再通過觀察、實驗進行鞏固,在頭腦中建立了豐富的感性認識,然后學習全反射在實際中的應用(光導纖維),整個活動過程環環相扣,思維難度層層遞進,學生的學習潛能得到了發揮。最后教師向學生介紹光導纖維在醫學、通信等方面的應用,有利于學生關注科學技術的新進展,符合課程標準所提倡的“關注科技發展的動態,關注技術應用帶來的社會進步和問題,樹立正確的科學觀”的要求,這對培養學生的核心素養具有重要的作用。

4 利用趣味實驗,提高學生的科學思維能力

項目活動4:消失的小貓咪

為每組分發一個裝二英寸照片的白色透明小塑料袋,用黑色油性筆在一張小紙片上畫上可愛的小貓咪圖,將小紙片放入小塑料袋,再用記號筆在塑料袋外表面畫一個比小貓咪圖大的黑框。在燒杯中裝適量的水,將塑料袋浸入水中,注意不要讓水進入塑料袋內，如圖6所示，人眼在水面上方看水中的塑料袋,發現只能看到黑框,黑框里的小貓咪“消失”了。

圖6

理論分析與建模：人眼之所以能看到一個本身不發光的物體,是由于在物體表面反射的光線射入人眼。如圖7所示,設點S1為塑料袋表面黑框上的點,來自點S1的光從水中斜射入空氣,入射角∠1較小且小于臨界角,因此在水和空氣的分界面處不會發生全反射,折射光可以射入人眼,因此人眼就能看到水中塑料袋表面的黑框。如圖8所示,設點S2為小貓咪圖上的點,袋內紙片周圍存在空氣,來自點S2的光先由空氣斜射入水中,折射角∠3小于入射角∠2,折射光線向法線偏折。射到水中的光再向空氣中斜射時,入射角∠4較大,當∠4大于等于臨界角時,發生全反射,因此人眼就不能看到水中塑料袋內的小貓咪。

圖7

圖8

反思與評價：該實驗操作簡單、趣味性強,能夠活躍學習氣氛,增強學生的活動體驗。在“消失的小貓咪”實驗中,學生從水面上方觀察水中的塑料袋,會看到奇妙的現象：“只見框、不見貓”,大大出乎學生的意料。意外中蘊涵著教學良機,教師因勢利導,化意外為契機,運用全反射、光的折射等知識深刻剖析其中所蘊含的物理原理,可以達到深度學習的目的,學生的科學思維能力也得到了提升。

將項目學習策略應用到物理拓展課程教學中,可以提高學生參與的熱情,拓寬學生的視野,促進學生的思維向獨特性、靈活性和深刻性等方面發展。學生在活動中增強了學習的主動性與實踐性,自身核心素養也得到了全面發展。