以可視化實驗為支架改善《光的反射現象》教學

〔摘 要〕 促進學生核心素養發展是當下教育教學的出發點，也是歸宿點。在科學課中，學生科學思維的發展需要教師引導學生解決思維過程中存在的障礙，搭建思維進階的支架。筆者基于可視化實驗策略，對實驗教學進行改進和創新，幫助學生獲取關于客觀事物的豐富、直觀的直接經驗，進而對可視化的信息進行思維加工處理，鍛煉學生的思維靈活性、模型建構能力和推理論證能力，切實提升了學生的科學思維能力。

〔關鍵詞〕 小學科學；可視化；科學思維

〔中圖分類號〕 G424 〔文獻標識碼〕 A 〔文章編號〕 1674-6317 （2025） 03 058-060

《義務教育科學課程標準（2022年版）》提出，探究和實踐是科學學習的主要方式，要加強對探究和實踐活動的研究與指導，設計并實施能夠促進學生深度學習的思維型探究和實踐。許多科學概念和規律都源于實驗，很多時候，學生的科學思維也是在思維型探究和實踐過程中，對實驗探究的現象和信息進行思維加工而得以發展的。但許多傳統實驗因材料、儀器、技術等因素的限制，容易產生現象不明顯、誤差大、缺乏規律等問題，學生以科學性、嚴謹性的態度進行分析歸納、抽象概括則存在一定困難。這不利于學生從科學的視角認識客觀事物的本質屬性、內在規律及相互關系，也就不利于學生科學思維的發展。

因此，一線科學教師應對實驗進行深入研究與探索，將低能見度的現象、無規律的信息、難歸納的結論采用可視化的方式呈現，幫助學生克服思維障礙，提升科學思維能力。本文以教科版科學五年級上冊第一章第6節《光的反射現象》為例，通過對實驗的創新與改進，探索以可視化實驗為支架的教學策略，激發學生的探究欲望，豐富學生的學習體驗，發展學生的科學思維。

一、情境可視化提高思維靈活性

科學思維是學生在與情境互動的過程中，進行信息加工、處理和組合，進行有意義的知識建構而得以發展的。在這個過程中，學生的大部分信息來自視覺，而且視覺在思維理解上比其他感覺更有優勢。創設可視化的學習情境，可以把原本以語言講授為主的課堂轉變為語言與圖形并重的知識傳播場域，為傳統課堂上基于語言的理解提供補充，減輕了語言通道的認知負荷，提升了知識建構的效率。在科學課堂上，可視化的情境能夠調動學生探究的欲望，提升學生信息加工的效率，提高其思維的靈活性。

對于五年級《光的反射現象》一課，教材以照鏡子的情境引導學生關注光的反射。在思考“為什么在鏡子中能看見自己”時，大部分學生只知道是光反射了，但并不能說出其中的奧秘。學生對于這一現象表現出的興致也不高，難以提出可探究的科學問題，其思維的積極性沒有得到激發。

筆者在教學實踐中進行了創新，創設了可視化的光現象情境。筆者基于丁達爾效應，利用小型噴霧器，讓學生驚奇地看到了一束光從暗盒中照射到了黑板上，在復習鞏固“光沿直線傳播”的同時，引導學生展開推理，思考“這束光是從暗盒的哪個部位發出的，光源可能在哪個位置”。學生興致勃勃地表達各自的推論：有的學生認為“因為光是沿直線傳播的，所以沿著光線往回找到暗盒的盡頭就是光源的位置”，大部分學生都認可這一想法；有的學生指出“光源不一定就在光線往回的盡頭，如果里面有一面鏡子呢”。這一想法如一石激起千層浪，大家恍然大悟，不斷提出新的想法：“可能在暗盒的最左邊”“在暗盒的右邊也是可以的”“光可能是在暗盒里面的任意位置，只要改變鏡子的角度就能照射到黑板上”。最后，一位學生提出“暗盒里面也有可能不止一面鏡子”的想法，又讓大家展開更深度的思考。在進行充分的推理過程中，學生已經深刻認識到“光是會被鏡子反射的”，從而順勢過渡到對“光的反射現象存在什么規律”的研究。可以發現，創設了可視化的光反射情境后，學生的積極性被充分調動，他們能夠基于可視化的信息進行加工處理，有根據地展開推理，思維不斷地深入、發散，充分提高了思維的靈活性。

二、現象可視化助力模型建構

在小學科學學科核心素養中，科學思維指向的主要是模型建構、推理論證、創新思維等方面的能力。其中，模型建構是以經驗事實為基礎，進行抽象和概括、建構模型，進而運用模型分析、解釋現象和數據。即個體運用頭腦中已有的科學知識，基于經驗事實或者實驗現象對客觀事物進行抽象概括或假設，抓住主要因素，忽略次要因素，從而把復雜的研究對象理想化為簡單的研究對象的思維過程。因此，科學模型建構不僅是科學思維的重要組成部分，也是學生科學核心素養發展的載體，對落實學生科學核心素養發展具有牽引價值。模型建構是學生認識科學現象，進行科學思維的起點。對于小學生而言，其在建構科學模型的過程中，需要大量的直觀現象和直接經驗。但部分傳統實驗中抽象、不易理解的實驗現象，則給學生建構模型造成了阻礙。

在《光的反射現象》一課中，教材設計使用手電筒照射平面鏡，在墻上做一處標記，關閉教室的燈光后，不斷調整手電筒和平面鏡的位置，使燈光照射到標記上。然后重復多次，直至“能夠預測平面鏡會將光反射到什么位置”。要求學生能夠預測光的反射方向，并對光反射現象的規律有比較清晰的認識。但傳統實驗存在多個“不可視”的現象，讓學生在建構“光的反射現象規律”這一模型時存在較大障礙。第一，手電筒的光線較弱，即使關閉教室燈光，光路仍然是不易觀察到的。第二，學生手持手電筒和平面鏡，容易造成抖動和位置變化，每次實驗之間存在的聯系和規律不直觀，學生不易分析歸納。第三，多次靜態的光反射現象，無法幫助學生從動態的角度理解光線從不同角度照射時的情境。

基于可視化策略，筆者在進行教學時，對實驗進行了創新，制作了光反射規律探究裝置：將平面鏡固定在半圓形的木板中，木板上不同位置標注了與平面的夾角度數。學生使用激光筆照射鏡子，并利用小型噴霧器噴出水霧，讓光線顯形。學生嘗試從不同的角度照射鏡子，記錄下入射光線與平面的夾角和反射光線與平面的夾角，同時畫出光的傳播路線。接著，學生基于全部小組的大數據進行觀察、分析、歸納后，所有小組一致地發現入射光線照射到鏡子的角度，跟反射光線離開鏡子的角度是相等的。為了給學生建構概念模型提供更豐富直觀的現象，筆者還使用了一個半球形的透明罩，在內部充滿艾條煙霧后，使用激光筆從左邊沿著中間線向右移動，引導學生觀察動態的現象。基于直接觀察到的豐富的可視化現象，學生進行抽象、概括，建構光反射現象的模型。在分享回報環節，學生都建構了比較完整、正確的模型：“我發現光線照射到鏡子后，它的方向發生了改變。”“入射光線和反射光線與平面的夾角總是相等的。”“反射光線也是沿直線傳播的。”甚至有部分學生還建構了“法線”這一小學階段不要求掌握的模型，指出“入射光線和反射光線之間的圖形總是軸對稱圖形，中間有一條線能把這個圖形分成兩半”。由此可見，基于可視化實驗的教學策略，對教學進行改進后，學生直接獲得了更明顯的現象和更有規律的信息，對信息進行加工的難度明顯下降了，更容易對豐富的信息進行抽象和概括，構建完整的科學模型。

三、數據可視化促進推理論證

科學思維中的推理論證能力指向的是學生能夠基于證據和邏輯，運用各種思維方法，建立證據和解釋之間的關系并提出合理的見解。推理論證往往始于疑問，要求學生具有證據意識，能夠從科學表象中找到可靠的證據進行推理，并尋找新的證據進行論證，從而得出比較可靠的結論。證據是學生展開推理論證的支撐，而小學科學中的部分實驗，讓學生無法從一定角度觀察到實驗現象的變化，難以從科學表象中找到證據。

以《光的反射現象》一課為例，學生通過實踐探究，基于肉眼看見的現象，已經認識到光遇到鏡子會反射。而在探究活動之后，教材直接通過文字資料讓學生理解“與鏡面發射相同，任何物體都會反射光，只不過光在物體表面的反射情況不同，我們能看到物體是因為它們的反射光進入了我們的眼睛”。筆者在課后調查中發現，通過文字閱讀，學生并不認可任何物體都發射光。因為學生都是基于自身已有的知識和思維水平進行思維的，無法在缺乏經驗基礎的情況下展開合理的推理論證。很明顯，從“鏡子能夠反射光”演繹推理至“所有物體都能反射光”是缺乏證據的，學生在生活中很少看見其他物體的光反射現象，因而也就無法進行科學合理的推理論證。

基于可視化實驗策略，筆者嘗試讓其他物體的不可視的反射現象，通過數據顯形。因此，筆者在教學中引入了自制的“光反射現象數字化探究裝置”（如圖）。利用激光切割技術和開源編程，筆者設計了一個接近暗室的“T”形通道，包括直通道和反射通道。首先，在直通道前蓋的幾何中心固定好光源，確保光線沿通道中心傳播。其次，在直通道中設計了一個與反射通道成45°的反射槽，用于固定反射物，使光線剛好被反射到反射通道的尾部中心。最后，在反射通道尾蓋的幾何中心固定能夠檢測光強的光強度傳感，并將數值直接傳輸到裝置表面的LCD顯示屏。

光反射現象數字化探究裝置

在教學中，筆者引導學生將生活中常見的物體如鏡子、木板、卡紙、塑料片等插入反射槽，并記錄LCD顯示屏上的光強度數據。基于記錄的各種情況下反射光的光強度數據（如表），學生進行分析比較，展開歸納推理。經過數據分析發現，插入各種物體時檢測的反射光數據都比沒有插入反射物時大，進而得出結論：大部分物體都能反光，不同物體反射光線的能力不同。在此基礎上，部分學生還提出了關于“為什么不同物體反射光線的情況不同”的猜想，并利用這個數字化的探究裝置自主設計研究了“物體的顏色、表面粗糙程度與反射情況之間的關系”，進行了深度的學習。在學習之后的調查中，學生都表示深刻地認識到了“我們能看見物體，是因為它們都反射光”。

可見，將一些肉眼無法直接觀察的現象轉化為“有形”的數據后，在證據的支撐下，學生的推理論證更加科學規范，能夠很好地解釋事物的內在規律。在這個過程中，學生實現了深度的可視學習，領悟了定量研究的科學方法，鍛煉了創新思維能力，促進了自身推理論證能力的提升。

四、結語

科學思維能力的提升依托于持續的科學素養導向下的教學，是在一系列的教育行為和實踐活動中得以提升的。這需要一線科學教師為學生科學思維的發展搭建支架。可視化實驗策略關注學生在思維過程中存在的障礙，基于更新材料、變革技術、轉換方法等手段，能通過對探究實驗的二次加工和創新，化抽象為具體，化無形為有形，充分提高學生的思維靈活性，提升學生的模型建構、推理論證等能力，促進學生科學思維不斷進階發展。

【本文系珠海市2024年教育科研規劃課題“以創新實驗為支架的小學科學深度學習研究”課題成果之一，課題批準號：2024ZHGHKT039】

參考文獻

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