基于深度學習的初中物理教學設計與實施①
——以“平面鏡成像”教學為例

韋 丹 李建鋒

(1.廣東省深圳市龍崗區龍城高級中學教育集團寶龍外國語學校,廣東 深圳 518172;2.廣東省深圳市龍崗區龍城天成學校,廣東 深圳 518172)

義務教育物理課程目標是培養學生的物理學科核心素養,要求學生能在各種復雜多變的、有意義的、開放的真實情境中,利用已有的知識與經驗,通過不斷實踐、討論、質疑和反思,解決各種復雜且陌生的問題。[1]物理深度學習具有指向物理觀念的概念關聯與意義建構、形成科學思維的質疑論證與推理建模、注重科學探究的活動設計與評估、觸發評價體系的反思與體悟等特征。[2]深度學習是一種培養學生核心素養的有效途徑,筆者以省級實驗精品課“平面鏡成像”為例,引導學生在實驗中探究,在探究中構建,在構建中批判,在批判中遷移,在遷移中應用,切實培養學生的物理學科核心素養。

1 基于深度學習的“平面鏡成像”教學設計

平面鏡成像是生活中常見的物理現象,是在 “光的反射”后的學習內容,為“凸透鏡成像”的學習提供必要的認知基礎,起到承前啟后的作用。教材給出的實驗方案存在預設結論、刻意引導的痕跡,實驗功能單一,其探究過程的思維容量較小,難以促使學生進入深度學習的狀態。此外,教師往往直接告知平面鏡成像的原理并要求學生進行程序化的作圖訓練,學生只停留在淺層學習階段,不能深刻理解其原理。針對以上問題,筆者圍繞“知識主線”“問題主線”“活動與評價主線”和“深度學習”,進行促進深度學習的教學設計(圖1)。

圖1

2 基于深度學習的“平面鏡成像”教學實施

2.1 平面鏡成像規律的探究

在真實的實驗情境下,利用生成的課堂資源,提出探究任務,驅動學生深度思考:如何通過建構模型來探究平面鏡成像的規律?

教學片段1

教師巡視指導學生的第一次分組實驗,根據教材實驗方案開展探究活動。提問:根據實驗數據,你們有什么發現?

學生討論、歸納:在一定實驗誤差范圍內,像的大小與物的大小相等,像與物到鏡面的距離相等,像與物的連線與鏡面垂直。

教師引導學生分析實驗數據的誤差來源。提問:為什么實驗中我們找到的像和物沒有完全對稱,我們如何改進實驗來準確地找到像的位置呢?

學生討論、分享:蠟燭A與B的體積較大,所以像的位置存在一定誤差,可以通過縮小蠟燭體積來減小實驗誤差。

教師展示自制平面鏡成像儀(圖2),解釋長桿LED點光源的原理,即任何一個發光物體可以認為由一個個點光源構成,將立體的蠟燭簡化為一個點光源模型,探究像與物的位置關系。

圖2

學生分組實驗:改變長桿LED點光源從孔中伸出的長度,如圖3所示,固定一個孔,使長桿LED點光源伸出長度為30 mm,眼睛在鏡前觀察,可看到LED燈在鏡子后面的像,移動磁吸式標尺,直至與像完全重合,確定LED點光源的位置和磁性標識在鐵桿上的位置。如果LED點光源伸出長度為 0 mm,可以移動小圓磁來探究像與物位置關系。移動LED燈,重做實驗,將數據記錄在表格中。

圖3

設計意圖：在完成教材實驗探究后,教師引導學生分析實驗誤差來源,運用自制實驗器材,引導學生主動構建點光源模型,由立體光源到點光源,為本節課平面鏡成像的作圖作了有效鋪墊,符合深度學習指向物理觀念的概念關聯與意義建構的特征。

2.2 平面鏡成虛像的驗證

教師在講授平面鏡成虛像的原理時,必須將學生的經驗與新知相聯系,在新舊知識點間搭建好互相印證的橋梁,才能引導學生對新知識的意義進行有效建構,撬動深度學習。

教學片段2

教師提問:平面鏡成的像是實像還是虛像呢?我們該如何探究?

學生選取合適的實驗材料——光屏,通過實驗現象分析,得出結論:平面鏡成的是虛像,因為其所成的像無法用光屏承接。

教師展示課本的平面鏡成像光路圖,說明:平面鏡成像的本質是光的反射。由于人眼總是認為光沿直線傳播,所以虛像其實是由實際光線的反向延長線會聚而成的。

教師再次提問:能否通過實驗確定像的位置并驗證平面鏡成像的規律?

學生小組操作、作圖并展示,將平面鏡安裝在凹槽中且讓其與垂直平面的“0”刻度線重合。在垂直平面上鋪上坐標紙,將LED燈從其中一個孔伸出1 mm,利用兩只激光器模擬LED燈發出的兩條入射光線(圖4),根據光路在坐標紙上畫出入射點和兩條反射光線(圖5),畫出反射光線的反向延長線的交點,確定像的位置。改變LED燈的位置,重做實驗,記錄多組數據,比較物與像的位置關系,進而驗證平面鏡成像的規律。

圖4

圖5

教師演示實驗,在前面實驗的基礎上直接用激光重現反射光線的反向延長線,通過延長線的交點確定像的位置,比較像與物的位置關系(圖6)。

圖6

設計意圖：教師引導學生探究平面鏡成虛像的原理,然后讓學生利用自制實驗器材從平面鏡成像原理逆向驗證平面鏡成像的規律,培養了學生運用逆向思維解決實際問題的能力。該環節使學生的經驗與新知識相互關聯、支撐,既鍛煉了學生的動手能力,又培養了學生分析和解決問題的能力,符合深度學習的遷移與應用的特征。

2.3 平面鏡成像實驗的拓展

基于實驗解決生活中的真實問題,能促使學生在深度思考中提高核心素養,而平面鏡成像實驗的拓展為學生科學思維和創新意識的培養提供了很好的平臺。

教學片段3

教師提問:如果平面鏡與底板不垂直,會有什么現象?

學生進行小組實驗探究,進行交流:通過調節旋鈕改變左側底板與鏡面的夾角,右側底板保持與鏡面垂直。將發光的蠟燭豎立在左側底板上(圖7),發現無論怎么鏡子后方的蠟燭都無法與前者所成的像重合。將右側底板調節到其與鏡面的夾角跟左側底板與鏡面的夾角一樣時,才能使右側底板上的蠟燭與鏡子所成的像重合(圖8)。比較此時物與像的位置和大小關系,可再次驗證平面鏡成像的規律。

圖7

圖8

教師提問:為什么小汽車的擋風玻璃是傾斜的?

學生回答:為了使像不成在司機正前方,如果像成在司機正前方會導致司機看不清前方景象,容易引起交通事故。

設計意圖：通過設置情境,聯系生活,利用擋風玻璃的設計原理持續激發學生的學習興趣,體現了“從生活走向物理,從物理走向社會”的課程理念,實驗探究的拓展也給學生提供了運用物理知識解決實際問題的機會,彰顯了深度學習的遷移與應用的特征。

3 總結與反思

本節課利用自制的創新實驗器材促進學生深度學習,首先通過創設生活情境,引發學生深度思考平面鏡成像的原理,強調理解與批判,讓學生積極參與課堂教學。接著引導學生運用平面鏡成像的原理拓展實驗探究,旨在關注概念的關聯與意義建構,發展學生的科學思維。最后創設擋風玻璃的生活情境,引導學生運用物理知識解決實際問題,重在遷移與應用,拓寬深度學習的廣度。