基于核心素養培養的“平面鏡”實驗教學設計

曹蘊瑞 申 潔

（蘇州市振華中學校，江蘇 蘇州 215000）

物理學是一門以實驗為基礎的科學，所以物理學習離不開真實的實驗研究與體驗，實驗中的每一個發現都是推動思維不斷提升的動力.初中學生正處于從形象思維向抽象思維過渡的關鍵時期，初中物理學習更需要從實驗和現象出發，聚焦實驗，提升學生的思維能力.2018年9月習總書記在世界公眾科學素質促進大會上指出科學技術是第一生產力，創新是引領發展的第一動力.蒸汽機的發明把人類帶進了蒸汽時代，發電機和電動機的發明把人類帶進了電氣時代，計算機的出現和普及將人類帶進了信息時代，每一次創新都是推動人類文明向前邁進的基石.所以，物理學科教學的目標應定位于提升學生的核心素養，培養創新人才.筆者經過一線教學實踐探索，嘗試通過合理的教學途徑逐步培養學生的創新能力.在實踐總結的基礎上，筆者認為物理學科能力發展的重要途徑是體驗，探究，創新.這也是物理學習應有的方式.本文以筆者參加2020年江蘇省初中物理優秀課評比獲一等獎的“平面鏡”一課的為例，淺談基于核心素養培養的初中物理實驗教學設計的3個方面.

1 創設問題情境，引發認知沖突，在情境體驗中深化對平面鏡的認識

課堂教學的精心設計體現在真實問題情境的創設中，而創設能引發認知沖突的問題情境有助于深化學生的認識.比如：平面鏡這節課的課題引入，筆者嘗試創設了“真假燭焰”的問題情境，在玻璃板前放置一支點燃的蠟燭，板后放置兩支蠟燭，一支在像的位置不點燃（如圖1），另一只在邊上點燃，看到3支點燃的蠟燭，但只有兩支能將火柴引燃.通過對比實驗引發學生的認知沖突，激發學生的好奇心，使學生對物和像有新的認識.在解謎的環節通過抽拉板發現抽板——燭焰消失（如圖2），推板——燭焰出現這一現象對情境進行了深化（如圖3），把沖突的關鍵聚焦到玻璃板（平面鏡）上，自然過渡到本節課課題研究和新課學習.在這里的實驗情境創設可以對學生的前概念誤區起到一定的矯正作用.讓學生在體驗過程中意識到像落在玻璃板后面的蠟燭上，從而對科學概念的建構起到促進作用.也為后面的實驗探究環節做鋪墊.情境在這里起到了橋梁的作用，給學生科學概念的建構提供了跨越的支撐.課堂教學的每一個教學環節的進行都有賴于情境的創設.

圖1 “真假燭焰”情境

圖2 抽板燭焰消失

圖3 推板燭焰出現

2 豐富學習體驗，在活動中促進科學探究能力和科學思維水平的提升

這節課的設計主要在以下3個方面對學生的科學思維和探究能力進行培養：① 如何進行猜想和假設；②如何培養問題意識；③ 如何收集證據.

2.1 基于經驗和體驗進行猜想假設

課堂教學中引導學生進行科學猜想應該基于學生的生活經驗和課堂上的觀察體驗，通過教學活動情境的設計讓學生在感性認識中暴露出前概念.比如：將玻璃板前的蠟燭前后左右移動，引導學生觀察玻璃板后燭焰的變化，同時讓學生嘗試表述觀察到的實驗現象，從而讓學生體驗并發現“像在板后，像隨物動”（如圖4）；再請兩位學生當場體驗照鏡子的動態過程（如圖5），人向鏡面靠近時，觀察像有哪些變化并進行表述.學生的直覺體驗是“近大遠小，物近像近”.從而自然生成了“像的大小會隨物體到鏡面的距離變化而變化嗎？”這一探究課題.這些基于學生經驗和體驗的認知呈現，為科學探究提供了鋪墊，也是學生探究學習活動的起點.通過觀察和表述現象這一教學過程鍛煉了學生的觀察能力和語言表述能力，從經驗和體驗生成猜想，引發探究.

圖4 像隨物動

圖5 照鏡子體驗

2.2 培養學生的問題意識，在解決問題的過程中提升思維

在器材的選擇和比較中可以培養學生的問題意識，讓學生在解決問題的過程中提升思維，強化對學習資源的優化選擇.器材有選擇性，課才有開放性，思維才有生成性.當學生用鏡子發現確定虛像位置出現困難時，會聯想到引入實驗時用到的玻璃，此時筆者提供透明玻璃和貼膜玻璃給學生選擇和比較，經過實驗對比學生會發現透明玻璃中棋子的像很暗，沒有貼膜玻璃效果清晰，這是為什么呢？當學生將此時的發現與燭焰在玻璃板中能形成的清晰的像進行現象對比后自然會生成思考，找到原因——主要是由于光線強弱的不同.然后讓學生思考解決方案，如何使透明玻璃板中棋子的像更清晰？學生自然而然想到對棋子增加光照或者減弱玻璃板后面的光強.這其實就是做中思，做中學的過程.在棋子的設計改進上，用黑色吸管設計制作了不對稱的“黑帽子”（如圖6），目的是讓學生在探究過程中襯托和強化物像對稱的現象.不一定每個學生都能發現這里的機關，但如果有學生發現左右不對稱那更能說明平面鏡成像的對稱性.教學過程的設計不一定都要顯性化，有些隱性設計可以給學生創造更多探究的可能性.

圖6 “黑帽子”棋子

2.3 通過采集數據、收集證據培養實證意識，使探究學習有層次、有臺階.

在探究實驗的過程中培養學生邊觀察邊記錄數據的實驗習慣，從而培養學生的實證意識.基于學生關于平面鏡成的像有“近大遠小”的猜想，教師可以更有針對性的設計實驗探究環節.同時，教師應考慮到這是8年級學生初學物理首次進行的以尋找規律為目的的探究性實驗，探究能力尚處于起步階段，設計能力較弱，所以在實驗表格設計中筆者對物理量的表達進行了細化，同時在表格中適當留白（如表1），給學生留出生成空間，有助于學生在測量后進一步思考，確定新的測量對象得出更多的探究結論.通過這樣的方式給學生的表格設計過程提供適應性臺階.通過數據采集和比較，學生自然可以糾正前概念的誤區，得出“像的大小并不隨距離改變而改變”，像與物體始終等大.教師此時可以生活現象為例簡單說明“近大遠小”的視覺效果.在數據處理的過程中，通過完善表格，分析數據，學生會發現像與物體的對稱性，最終得出物像對稱的特點.科學意識、科學觀念、科學方法和科學思維的培養可以滲透和貫穿于實驗探究的過程中.

表1 探究像的大小與距離變化的關系

3 注重學以致用，發展學科素養，在應用實踐中培養創新能力

學以致用的觀點是義務教育物理課程標準中倡導的“從生活走向物理，從物理走向社會”理念體現.基于學生在數學學科已經學過對稱圖形，得出平面鏡成像特點后筆者讓學生嘗試根據對稱性直接作圖，目的是給學生一個思維訓練空間，進行數學方法到物理作圖的遷移，然后通過學生之間交流評價的方式來強化光學作圖的規范性，結合成像特點強化物理圖像模型建立時的學科特征，如“虛像用虛線”.對稱法作圖是本節內容在知識層面的應用，我們還可以把它引申到現實生活中前擋玻璃的傾斜設計，凸顯出知識在生活中的應用價值.筆者在課堂上呈現的可拆卸式的潛望鏡模型則是技術層面的應用.通過學生的真實體驗，利用手機投屏技術現場展示觀察口的畫面，增強全體學生的體驗感.在此基礎上引發學生思考潛望鏡的光學結構，請學生先猜一猜其內部構造，再進行現場解剖，利用激光發射器展示光路，讓學生在真實情境中直觀地看到光線模型，為下一節“光的反射”內容的教學形成鋪墊.充分體現從實際問題到物理模型的建構過程，同時讓學生了解光學儀器的結構，激發學生動手實踐的意識.學以致用的價值在于引領學生形成從物理走向社會的意識.

創造力的培養源于體驗、實踐和創新制作的過程.本節課上筆者嘗試將平面鏡成像的應用進行拓展延伸，從一面鏡子到兩面鏡子進行組合，逐漸減小兩面鏡子的夾角，讓學生體驗成像漸變增多的過程（如圖7），在體味對稱美的動態過程中形成新的沖突，產生新思考，留下新的探究空間.

圖7 兩面鏡子成像

傳承、熏陶和感染是引發學生共情，激發學生動手動腦的良性循環方式.在上一個情境拓展中拋出新問題：當兩面鏡子的夾角減小到0°時，會看到什么現象？然后展示深邃燈（如圖8）.通過深邃燈的設計可以將鏡面成像向無窮遠處延伸，也將教學向遠處延伸，給學生留下更多可思可探的空間.課堂教學的情境創設為學生提供更多可能才能讓學生有更多見識、獲得更多啟發，激發學生的好奇心，形成更多的模仿意識，生成嘗試的動機.由此產生的內驅力是培養創新能力的源動力.在學生躍躍欲試的狀態下，給學生器材，他們會迫不及待地去嘗試.在課堂教學的結尾環節給學生3面小鏡子制作萬花筒，通過動手制作實踐，帶給學生更大的收獲和成就感.此教學設計環節通過自制教具和學生自制學具的呈現，讓學生在震撼的視覺體驗中感受創意為生活帶來的驚喜.課堂結尾筆者設計了選擇性創意設計作業作為應用拓展：① 設計制作簡易潛望鏡或完善萬花筒的設計，將制作過程寫成一份微報告.②深入探究雙面鏡成像個數與鏡面夾角的關系，形成一份探究報告.目的是將探究和設計理念從課堂延伸到課外，從實踐層面培養學生的創新能力.

圖8 深邃燈

真正的學習源于每一次思維活動的開展.不是簡單的經驗復制，而是學生自身知識體系的建構和完善，是學生基于真實問題情境的體驗、思考、探究、應用、創新…核心素養的培養應溶于每一個豐富靈動的課堂內外.