運用實驗闖關策略培養學生的分析與論證能力

彭妙 謝桂英 余耿華

摘 要：在光的色散一課中，學生難以理解色光的分解與合成.以問題設計為教學階梯，以實驗設計為闖關策略，進行教學實踐，培養學生的分析與論證能力和促進學生的思維進階.

關鍵詞：實驗設計;闖關;分析與論證能力;思維進階

中圖分類號：G633.7???? 文獻標識碼：B???? 文章編號：1008-4134（2021）14-0025-04

基金項目：廣州市海珠區教育科學“十三五”規劃課題“指向分析與論證能力培養的初三物理教學策略研究”（項目編號：2019C041）;廣州市第三批市教育系統創新學術團隊項目“中學物理演示實驗改進創新及其在教學中的應用研究”（項目編號：1201630019）.

作者簡介：彭妙（1983-），男，湖南岳陽人，本科，中學一級教師，研究方向：初中物理教學;

謝桂英（1976-），女，廣東廣州人，碩士，中學高級教師，研究方向：中學物理實驗教學;

余耿華（1976-），男，廣東廣州人，碩士，中學高級教師，研究方向：中學物理實驗教學.

美國教育家布魯姆將思維由低到高分為記憶、理解、應用、分析、評價、創造六個層次，其中前三個層次為低階思維，后三個層次為高階思維[1].在當前的教育中培養學生的思維由低階向高階發展，顯得尤為重要.筆者嘗試了利用創新制作的教具進行教學，在光的色散一課中設計了五個環節，在教學推進的過程中學生進行思維闖關，旨在培養學生的分析與論證能力，并促進學生的思維由低階向高階方向發展.

1 發現教學問題，創新制作教具

1.1 教學中存在的問題

人教版物理教材八年級上冊第四章“光現象”中第五節“光的色散”一課中，雖然實驗現象可以明顯觀察到白光經過三棱鏡后形成彩色的光帶，但學生難以接受白光通過三棱鏡時，會經過兩次折射而“分解”為七種色光.實驗室沒有配套的器材能夠直觀呈現“色散時光的傳播路徑”，學生分析問題與解決問題的能力不能得到有效培養，妨礙了學生思維的進階.

1.2 實驗器材的設計思路

基于實驗室沒有色散時光的傳播路徑裝置，設計制作激光筆底座，使紅、綠激光能夠重疊在一條直線上傳播并呈現路徑;兩束光共線到達三棱鏡之后，由于偏折角度不同會形成兩條光路，可以有效幫助教師設計問題階梯.而利用色光的混合儀將光斑較大較亮地投到大屏幕上，使實驗可視化效果增強，電位器采用分壓式接法可以使光斑的亮度連續調節，獲得更豐富的色彩，能使學生了解白光的組成和不同色光混合的現象[2].使器材成為培養學生分析與論證能力的有效載體，增強實驗教學的趣味性和吸引力，提高實驗教學的質量和效果[3].

1.3 實驗器材的創新制作

色散演示儀的創新制作：取一塊長約20cm、寬約3cm、厚2cm的木條，底部開兩個圓槽安裝兩個強磁體（如圖1所示），側面固定四個圖釘，頂部不做處理（如圖2所示）.找一個內徑比綠光激光筆外徑略大的塑料管A，用皮筋將管固定在圖2所示的木條頂部（如圖3所示）.找一個外徑與A內徑相同的塑料管B，在B正中央固定一小段玻璃柱作為分光器（如圖4所示）.將該綠光激光筆與另一只帶磁吸套管的紅光激光筆前后放置（如圖5、圖6所示）.開啟兩激光筆的開關，可以觀察到兩路激光重疊在一起.

將三棱鏡的側面用502膠水固定一個薄片強力磁體，便于吸附在黑板上.

色光混合演示儀的創新制作：網購額定功率3W（直徑2cm、工作電壓5-12V）的紅、綠、藍高亮度LED燈珠各一個;3個旋扭式電位器（50Ω或100Ω），如圖7所示.將3個LED燈珠和3個電位器按照電路圖8連接，采用該分壓法連接，可以方便調節LED燈珠的發光亮度，獲得更豐富的色彩，電源連接一條USB插頭（可方便接在移動電源上）.最后將LED燈珠分別固定在3條長20cm、內徑2.5cm的管內的一端.最后將三條管固定在可以立放的木板上，測試效果如圖9所示.

2 設計思維階梯，引導學生闖關

第一關.

教師：請同學們回顧光的折射知識，完成任務單中三棱鏡將光折射后到達光屏的光路圖（如圖10所示）.（教師巡視、指導，必要時提醒學生：光在三棱鏡中經歷了幾次折射？）

學生：在任務單上完成光路圖.

設計意圖：通過課前復習讓學生畫光的折射光路圖作為引入，使學生加深對知識的印象，屬于思維的記憶層次.提醒學生“光在三棱鏡中經歷了幾次折射”強化了學生對光的折射規律的理解，屬于思維的理解層次.該環節為學生的思維進階穩固了基礎，還為引出新課做好鋪墊.

第二關.

教師：請同學們用三棱鏡觀察教室里的日光燈，依據我們復習的光的折射規律，想想我們應該在哪個角度可以透過三棱鏡看到日光燈呢？并請注意觀看的時間不要過長，防止光線過強傷害眼睛（教師巡視、指導）.

學生：取出三棱鏡，透過三棱鏡觀察日光燈，并不斷調整觀察的角度.

教師：（必要時提示）同學們，你們有什么新的發現嗎？

學生：哇，我看到了彩色的光帶.

設計意圖：學生在觀察光的折射現象時，既體驗了實驗過程的樂趣，又在理論結合實踐的過程中更加深刻地理解了光的折射現象——看到的物體（像）與物在不同的方位，而且與所學的知識吻合（即現象得到驗證），屬于思維的應用層次.設計學生在體驗實驗的過程中有新的發現——看到彩色的光帶，又為教師引入光的色散概念做好了鋪墊.

第三關.

教師：這就是光的色散現象（在黑板上板書課題）.英國科學家牛頓在1666年最先利用三棱鏡觀察到了白光的色散.下面老師來演示這一實驗（用白光經過狹縫，再經三棱鏡后在教室的光屏上形成彩色的光帶）.現在我們利用三棱鏡看到了牛頓當年看到的“色散”現象.請猜想白光經過三棱鏡時偏折形成彩色光帶的光路情況是怎樣的呢？你能否嘗試在任務單上畫出所猜想的光路呢？并寫出這些顏色排列的順序.

學生：嘗試在任務單上畫出色散形成原因的光路.

教師：（展示、討論學生的猜想，選出最合理的猜想光路圖，用彩色粉筆將“紅橙黃綠藍靛紫”七個字用相應的顏色寫在黑板上，將猜想最多的色散形成的光路也在黑板上畫出.）畢竟這只是大部分同學的猜想，現在老師提供一支紅光激光筆、一支綠光激光筆、一個三棱鏡、一張白紙（同時把器材隨機吸附在黑板上），請大家思考如何利用以上器材來設計實驗驗證色散現象？（基礎薄弱的學生可以增加設問：如何用以上器材設計實驗驗證一束光變多束光呢？）

學生：（分組討論后，請代表回答）首先應該設法讓紅、綠兩束光重疊在一條直線上傳播，然后將三棱鏡放在重疊光束傳播的路徑上，用白紙在三棱鏡的另一側承接，并觀察白紙，若白紙上出現兩條光路，則驗證了色散現象.

教師：非常好，那我們就來進行實驗.（按照學生的表述進行操作，注意自制帶底座的激光筆較高，應該放在后方，驗證情況如圖11所示;若學生動手能力較強，可以引導學生進行操作.）

教師：由此可以說明白光并不是單一的色光，而是由多種色光混合而成的復色光.那么當白光經過三棱鏡時可以分解為各種不同的色光，是三棱鏡對這些色光有什么不同的作用嗎？

學生：三棱鏡對不同的色光偏折的角度不同.

教師：對了，即色散的本質是三棱鏡對不同色光偏折的角度不同（同時寫在黑板上）.

設計意圖：學生在討論用實驗驗證色散的光路情況時，會思考實驗的目的、器材的作用、實驗的步驟、采集的證據等等情況，屬于思維的分析層次.同時學生經歷討論、完善實驗方案的過程，同伴提供建議的過程和教師提供建議的過程，學生會經歷思維的自我評價與同伴評價，屬于高階思維.

第四關.

教師：白光可以分解為7種色光，如果人們要制作彩色電視機的屏幕，并且獲得白光，是否在電視屏幕中一定要安裝顯示7種色光的裝置呢？

教師：如果用發出7種色光的裝置來制作彩色電視機的屏幕，技術上是很難實現的，而且科學家發現只需要三種色光即可組合出各種不同顏色的光，包括白光.這三種色光就是紅、綠、藍，我們把這三種光叫色光的三原色.（用粉筆圈出已板書的“紅、綠、藍”，并板書“色光的三原色”.）

教師：（拿出色光的合成演示儀，分別演示紅、綠、藍三種色光，如圖12所示）同學們想一想，如果我們要用這三種色光來獲得其他顏色的光，應該如何操作呢？

學生：應該將這些光混合在一起.

教師：好，請這位同學上來試試.

學生：在教師的指導下操作器材，其他學生提出三種色光不同組合混合的建議，操作器材的學生進行嘗試，如圖13所示.

教師：感謝這位同學.我們通過三原色的兩兩組合分別獲得了哪幾種顏色呢？

學生：青色、黃色、紫色.

教師：三原色同時組合又獲得了什么顏色？

學生：白色.

教師：因此，我們把這種現象叫色光的混合（板書色光的混合）.

教師：如果我們要獲得更多種顏色的光，又應該怎么辦呢？

學生：（討論后回答）可以分別任意調節三原色的亮度，然后進行組合來獲得其他不同顏色的光.

教師：（演示用電位器任意調節三原色的亮度，組合獲得其他不同顏色的光）看來，人們只需要這三種色光按照不同的亮度混合就可以獲得幾乎所有的其他色光了.

設計意圖：利用該創新實驗儀器，很好地落實了《義務教育物理課程標準（2011年版）》要求的“學生通過實驗，了解白光的組成和不同色光混合的現象”.實驗現象非常明顯，實驗操作非常便捷，在師生的互動中學生的學習積極性很高，在觀察不同色光混合得到豐富色彩的過程，學生參與的熱情較高，在驚嘆中對知識有了更深刻的記憶.通過創新器材有效幫助學生快速簡便地驗證分析的結果，使分析與驗證的過程交互出現，在師生互動、生生互動的過程中，發生評價的過程，有效地促進學生的思維進階.

第五關.

教師：同學們，我們發現白光可以分解為七種肉眼可見的色光，是不是白光就只能分解成這七種色光呢？有沒有可能還存在我們肉眼看不到的光呢？

學生：應該不只這七種色光.

教師：你猜想可能還存在幾種色光呢？

學生：可能還有兩種.

教師：他們可能在這七種色光光譜的哪個位置呢？

學生：在紅光和紫光附近.

教師：你猜想的依據是什么？

學生：人的聽覺頻率范圍是20Hz-20000Hz之間，還存在著超聲波和次聲波是人耳聽不到的.我認為人的視覺應該與聽覺類似，都是有一定范圍的，所以在紅光和紫光附近可能都存在肉眼無法感知到的光.

教師：非常好.事實上英國物理學家、天文學家威廉·赫謝爾于1800年發現在紅光的附近有一種看不見的光，能使溫度計示數升高，后來人們把它叫“紅外線”.德國物理學家、化學家里特于1801年發現在紫光的附近有一種看不見的光，能使氯化銀變黑，后來人們把這種看不見的光叫“紫外線”（板書：紅外線、紫外線）.

教師：演示紅外線和紫外線的作用及小結.

設計意圖：巧設提問，強調“肉眼可見”，使學生明確“感覺是不可靠的”，進一步引導學生進行猜想，因而聯想對比舊知識的基礎上提出創新的觀點——猜想七種色光以外還存在肉眼看不見的其他色光，是思維的創新過程.通過合理的問題階梯，鼓勵學生說出自己的想法，給予表達的機會，培養口頭分析與論證能力，促進學生的思維不斷進階，幫助其實現思維闖關.

教師的板書設計（如圖14所示），在課堂教學的過程中生成，使知識不會零散化、碎片化，幫助學生建立知識之間的內在聯系，增強學生掌握知識的系統性，提高其綜合解決問題的能力、創新能力[4].

3 評價教學效果，反思進階效度

教師利用創新色散演示儀和色光混合演示儀進行教學的闖關策略為：復習引入，回憶概念;經歷體驗，理解知識;鞏固理解，應用知識;依托器材，分析論證;師生互動，自評互評;對比知識，創新思維.該策略以創新色散演示儀和色光混合演示儀為中心，以思維進階為目的，問題設計層層遞進，引導學生通過五個環節的教學活動實現思維闖關，培養了學生分析問題的能力、科學表述能力，促進了學生高階思維的發展.初中生分析與論證能力的形成不是一朝一夕的事，正是教師在長期的教學過程中科學施教、堅持不懈，才使學生逐漸掌握分解信息、找出特征、發現本質、揭示因果間的關系，促進綜合素質發展[5].

參考文獻：

[1]曹鍵糧，彭朝陽.巧設物理“問題鏈”發展學生的高階思維能力[J].物理教學探討，2018，36（02）：69-72.

[2]中華人民共和國教育部.義務教育物理課程標準（2011年版）[M].北京：北京師范大學出版社，2011.

[3]張海燕.初中物理課堂生活化教學策略分析[J].中學課程輔導（教師通訊），2021（06）：31-32.

[4]馬北河.中學物理知識結構化教學促進學生學習能力提升的教學實踐策略探究[J].中國現代教育裝備，2017（10）：45-47.

[5]彭妙.指向分析與論證能力培養的初中物理教學策略研究[J].中學物理，2019，37（24）：12-14.

（收稿日期：2021-03-27）