用可視化教學培養學生核心素養

宋勇 楊思鋒 熊榮領 劉娟

摘要：在“光的折射”一節教學中，我們通過自制教具來放大實驗現象，還原思維過程，展示習題情境，實現在真實實驗基礎上將物理觀念、科學思維和科學探究的教學可視化，促進學生學科核心素養培育目標的達成。

關鍵詞：真實實驗 可視化 自制教具 核心素養

物理教學必須以實驗為主要載體，通過真實的實驗演示和探究，揭示物理規律，形成物理觀念，達到培育學生核心素養的目標。如今在信息技術手段迅速融合課堂教學的新形勢下，各種仿真模擬實驗代替了真實的實驗，學生在設計好的實驗視頻或者動畫里，觀察由別人演示的實驗，這種教學很難讓學生獲得真實的物理體驗。因此，我們倡導在真實實驗的背景下，研究將物理教學可視化的策略。在人教版八年級上冊“光的折射”一節的教學中，我們設計了多元的實驗環節，自制了多種實驗教具，力圖將物理觀念可視化，增強物理現象的可視化程度，實現規律應用的可視化，從而提升教學效率，培養核心素養。

一、引入環節的可視化教學策略

本節課最常用的引入是給學生展示一幅筷子在水里“彎折”的圖片（如圖1），我們認為，這種引入會給學生帶來一種對于折射的錯誤“前認識”。這是因為看到彎折的筷子其實是筷子所成的虛像，并且筷子在水里的形狀與光折射時的光路（如圖2）從形狀上看是相反的。這種引入方式，有可能會讓學生誤解光的折射光路也跟筷子在水里的彎折相同。

為了降低學生對折射現象的認識難度，增強教學引入環節的可視化效果，我們設計了井底之蛙觀察井外天空的教學活動：利用底部透明的容器代表枯井，容器底部有一攝像頭代表青蛙的眼睛，在距容器頂部某高度水平放置一張描繪有星空的圖片，攝像頭可以將圖片拍攝后實時展示在大屏幕上（如圖3）。往容器中加入水后，攝像頭拍到的范圍將變大，屏幕上看到的星星變多了（如圖4）。這種視覺上的沖擊瞬間讓學生充滿了好奇和疑惑，引發學生的思考：是什么原因讓青蛙看到的范圍變大了呢？

接下來，教師引導學生嘗試畫出兩種情況下的光路圖（如圖5、圖6）。在沒有加水時，看到的范圍是A1A2，運用光的直線傳播原理可以畫出A1O和A2O兩條光路。這一過程也是在復習光的直線傳播原理。在加入水之后，看到的范圍變成了B1B2，由于光在空氣和水中都是沿直線傳播的，引導學生分別作出光在空氣中的光路B1C1、B2C2及光在水中的光路C1O、C2O，這樣，學生自主地作出了光從空氣到水中的光路B1C1O和B2C2O，顯然，在C1和C2處，光路發生了偏折。這一環節中，學生在運用已有知識（光的直線傳播原理）的同時發現了新問題（光在空氣和水的分界面處發生了偏折現象），教師啟發學生思考：光從空氣射入水中時，發生了怎樣的變化？讓學生初步感知光的折射現象。

以上教學過程基于真實的實驗，通過學生自主探究將光的折射現象展現在學生面前。這種可視化的設計，抓住了折射的本質，便于學生形成正確的物理觀念。

二、演示實驗和分組實驗的可視化策略

本節課的教學重點是教師演示折射現象和學生分組探究折射規律。為了提升可視化程度，我們利用自制的實驗器材進行教學活動的設計，力圖實現物理觀念培養的可視化、學生科學思維素養培養的可視化，讓物理規律不再抽象，落實培養學科核心素養的目標。

環節一：利用“光的折射”演示儀（圖7），放大演示實驗的可視化效果

制作材料：激光筆（強光、線光源）、鐵質硬板、亞克力磚。

制作方法：將兩塊半圓形鐵質硬板依靠合頁連接，組裝成一組可折轉光屏，直徑為1米，同時標注角度和圓半徑線，形成圓形光屏;折射介質使用的厚度1厘米的半圓形亞克力磚，直徑為39.5 cm，一面打磨為粗糙面，方便顯現光路。

常規教學時，采用演示折轉光屏可使光屏上沒有折射光路，但“在光屏上看不到折射光路”并不能得出“折射光線與入射光線以及法線在同一平面內”的結論，本教具的設計采用“光屏折轉”但玻璃磚仍與入射光在同一平面內的做法，通過演示操作的對比可以發現：當左右兩塊光屏在同一平面內時，折射光和入射光的傳播路徑均可在光屏上呈現（圖7），但當兩光屏不在同一平面內時，右邊光屏上便看不到折射光的傳播路徑，由于玻璃磚依然與左邊光屏處在同一平面內，因此，在玻璃磚上依然可見折射光。以此可以說明光在折射時，折射光線與入射光線以及法線在同一平面內，這種對照實驗的可視化設計便于學生形成正確的物理觀念。

以上這種放大實驗現象的設計，讓學生在“三線共面”的學習中，通過真實的實驗獲得直觀的感受，從而對“共面”的理解更加深刻。

環節二：利用“多功能光學探究裝置”，提升學生分組實驗的可視化效果

制作材料：激光筆（強光、線光源）、鐵質硬板、有機玻璃磚、水槽。

傳統的實驗裝置如圖8所示，缺點是只能改變入射光的方向，不能探究折射光線、入射光線和法線之間的關系，而且只能探究光從空氣射入一種介質的情況。為了能讓學生完整探究光的折射規律，我們自制了“多功能光學探究裝置”，其光屏用兩塊鐵質硬板（依靠合頁連接）制成，通過改變激光筆的方向，可以改變入射光的方向。光屏上標注圓形和對應角度，便于測量入射

角和折射角的大小，同時光屏的右側可以向后折轉，實現對“折射光線、入射光線以及法線是否在統一平面內”的探究。當前側放置水槽時，可以探究光從空氣射入水中的折射規律，如圖9、10所示。要研究光從空氣進入到玻璃時，可以換用半圓形有機玻璃磚，利用磁鐵將其吸附在光屏上，如圖11、12所示。

環節三：利用“叉魚光路演示器”（圖13），實現科學思維過程的可視化

制作材料：水槽（亞克力板制成）、塑料小魚、激光筆、塑料圓筒、細長桿、加濕器、鐵架臺等。

制作及使用方法：魚缸底部內測固定一塑料小魚，小魚的頂部開口，魚缸底部外測裝有激光筆，魚缸上方右側利用鐵架臺裝一塑料圓筒，裝入適量水后，調節激光筆和圓筒的角度，使激光筆發出的光從小魚的開口處穿過，經折射后能穿過圓筒。另配有一細長桿，可穿過圓筒到達水中魚缸底部。

本器材是為了還原“看到魚”的光路和“叉不到魚”的過程。位于魚缸底部的激光筆發出的光路AOB代替我們觀察到魚時，魚“發出”的光路，如圖14，通過加濕器可以使這條光路非常明顯，這是人“看到魚”的光路。在B位置沿光路OB的方向固定一圓管，通過此圓管可以接收到魚發出的光路OB，即可看到魚。然而，由于光在O處發生了偏折，加上人的錯覺，認為魚位于順著BO方向上的D位置（實際為魚的虛像位置），故沿BOD的方向是叉不到魚的。我們用細桿沿圓管插入水中到達D位置，用來模擬“叉不到魚”的過程，如圖15所示。

利用這個教具進行對比演示，使看到魚的光路和叉不到魚的過程展現在學生面前，還原了物理規律在生活中的應用過程，幫助學生完成分析推理過程，實現科學思維素養培養的可視化。

三、習題情境的可視化策略

在本節課的鞏固環節，我們設置了如下課堂練習：

圖16為一個玻璃制成的三棱鏡，請畫出光從空氣射入三棱鏡又射回空氣的光路圖。

本題旨在檢測學生在學過折射知識以后，會不會根據折射規律進行兩次折射光路的判斷。學生完成作圖后，為幫助學生理解其對光路的作用，再利用圖17的真實實驗進行對比，幫助學生理解三棱鏡對光線的作用，為今后學習光的色散進行合理的鋪墊。這種將習題情境進行可視化展示的手段，讓枯燥的解題變成有趣的探究，提升了學生運用物理觀念解決實際問題的能力。

物理學是一門實驗學科，初中生往往缺少理性思維的能力，通過真實實驗的可視化教學手段，能讓學生在感性認識的基礎上更深入地理解物理觀念，也更能體現物理學科的特點，實現物理觀念、科學思維及科學探究的可視化，從而更好地實施學科核心素養的培育。

參考文獻：

[1]人民教育出版社，課程研究所，物理課程教材研究開發中心.義務教育教科書物理（八年級上冊）[M].北京：人民教育出版社，2012.

[2]中華人民共和國教育部.普通高中課程標準（2017年版2020年修訂）[M].北京：人民教育出版社，2020.

[3]楊思鋒，宋勇.基于真實實驗的中學物理可視化教學實踐研究[J].物理教學，220（06）：41-43.

責任編輯：黃大燦

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