在光学教学中提升学生核心素养的探索与实践

2019-10-03 12:15王少生邢海根
中学教学参考·理科版 2019年8期
关键词:创新实验逆向思维核心素养

王少生 邢海根

[摘   要]在光学教学中,引导学生用逆向思维分析问题,通过拆解光学组件,分析各组件的功能,再组合,从而培养学生的创新素养。教师可以通过自制教具开展物理教学,提升教学实效。

[关键词]逆向思维;创新实验;核心素养

[中图分类号]    G633.7        [文献标识码]    A        [文章编号]    1674-6058(2019)23-0047-02

一、引导学生用逆向思维分析问题,培养学生逆向思维能力

逆向思维是一种反向思维,表现为反其道而思,是对事物本质的全新认识。“磁生电”现象,就是用逆向思维获得的一项重大成果,在许多发明创造中,逆向思维起了关键性的作用,如我国发明家苏卫星发明的“两向旋转发电机”、洗衣机脱水缸用软轴代替了硬轴等。要培养学生的逆向思维能力,就要在平时教学中抓住契机,及时进行教学与训练。

在学习光路的可逆性时,用PVC胶粘一个“V”形的管子,在管口内侧壁安装几只高亮度发光二极管、纽扣电池及开关组成的电路,在“V”形管的底部粘一个小平面镜,实验时,闭合开关(使发光二极管发光),请两位同学分别用一只眼睛贴着管口向管底观看,问两位同学分别看到了什么。

在学习漫反射时,教师投影一张漫反射图片,问学生漫反射的光线是否一定不平行,再要求学生根据光路的可逆性原理,将箭头全反过来,再观察漫反射的光线是否平行。

在学习凸透镜或凹透镜的焦点时,教师投影一张图片,先问学生该透镜有几个焦点,然后再问学生若让平行光源从透镜的另一侧平行主光轴入射,会出现什么情况,最后再问透镜有几个焦点。

在学习光在水中折射成像时,学生大多知道:人看到水下的物体是物体的像,它的位置升高了。这时,教师可引导学生思考:水下的鱼,看到岸上的物体,位置又是如何呢?

在学习用放大镜观察物体时,学生一般是将物体向放大镜方向靠近,这时教师可让学生试着将放大镜向物体方向靠近;在做凸透镜成像实验时,学生按课本上“由远及近”的步骤进行,教师可以启发学生“反其道”为之。

经过多次学习与训练,使学生形成逆向思考问题的习惯,学会用逆向思维分析生活、生产及未来社会中的现象,提升学生分析与解决问题的能力。

二、教会学生“拆解”光学组件,培养学生发明创新的能力

将两种或者两种以上的物件组合到一起,变成一个新的组合体,该组合体可能具有原有物件没有的功能,这个新的组合体就成了一件发明。如哨子与水壶组合便成了现行的烧水壶,电炉与锅组合在一起就成了电饭锅,等等。拆解,就是将一件组合体按科学的方式进行分离,从而暴露出各部件的功能。要让学生学会运用组合法来创新,可应用 “拆解”法来培养。

在学习潜望镜时,可将其拆解成两块平面镜与三根管子,要求学生课后利用这几种物件自由组合,有的要求做成能看到地面上方的物体,如电能表的表盘;有的要求能看到地下的物体,如下水道中的物体;有的要求能看到水平方向且位于人体后方的物体,如身后的人。

在学习投影仪时,教师可将投影仪上的平面镜拆下,让学生观察图像的位置,让学生发现平面镜的作用,再将投影仪内的强光灯泡拆下,什么也看不见了,让学生发现强光灯的作用。就这样,让学生明白各组件的作用,理解投影仪是如何通过组合而工作的。

在学习双凸透镜的望远镜时,教师先将目镜拆下,让学生从目镜的位置观察远处的物体,学生发现有一个很小的倒立的实像,再装上目镜,再观察远处的物体,发现倒立的像变大了。这时学生发现物镜的功能相当于照相机,目镜的功能相当于放大镜,使学生理解这种望远镜相当于是照相机与放大镜组合而成的。

组合创新,实际上是利用逆向思维,先拆解,分析各部分功能,再组合实验。这样,时间一长,学生便发现要发明一种新功能的器件,可以取部分功能的物件进行组合,从而学会用组合法来创新。

三、加强创新实验教学,激发学生的创新意识

学生对用课本上的实验器材做实验,往往没有“新鲜”感,但如果教师对实验器材进行改造、设计,用自己的办法演示实验,学生就会感到“新奇”,它直接启发学生要勇于探索、大胆创新,对培养学生的发散思维有着积极的作用。它具有一定的诱惑性,“引诱”学生模仿教师,搞小制作,做小实验,这样做的时间长了,便能有效培养学生的创新精神与创新能力。

1.自制新型教具,研究光的反射规律

如图1所示,是一个相互垂直的支架,两侧通过尼龙线与中间立杆上的螺丝构成一个三角形,立杆上竖直固定一根塑料杆,代表法线,在塑料杆正下方的直杆上贴一张反光膜,用两根外壁贴有箭头的空心铝管显示光路(沿管长方向将铝管剪开,使管壁形成一缝隙,当光线沿铝管的内壁照射时,从缝隙中便能看到光的路径),铝管外部通过一个很小的圆环与尼龙线相连,使铝管能沿尼龙线,绕着入射点转动,铝管的下部用尼龙线拉紧,并将线头固定在螺丝钉上,在竖直立杆上粘贴一个量角器。

实验时,将左侧的铝管转到45°角处,让激光从左侧铝管入射,如图2所示,可观察到左侧铝管内的光线。转动右侧铝管,开始看不到铝管内有光线,当右侧铝管也移到45°角处,便能看到右侧铝管内的光线。改变入射角的大小,多做几次实验,便能得出“反射角等于入射角”这一结论。当两铝管与法线的夹角相等时,先用激光筆从左侧铝管照射,可以观察到右侧铝管内的反射光线,再用激光从右侧铝管入射,在左侧铝管内也能看到反射光线,说明光反射时,光路是可逆的。

接下来观察反射光线、入射光线、法线的关系,很容易发现两条光线位于法线(竖直塑料杆)的两侧。

2.自制新型教具,研究光的折射规律

图3是该教具的正面结构图:一个带量角器的圆盘1,半圆形的玻璃砖2,激光器3,拉线4与5,磁片6,铁杆7。其中,带量角器的圆盘的圆心处有一转轴,圆盘可绕转轴旋转。圆盘的背面贴有小磁片,半圆形的玻璃砖的背面贴有铁片,使半圆形的玻璃砖能吸在圆盘上,调整玻璃砖的位置,可使圆形玻璃砖的圆心与圆盘的圆心共轴。在激光头处安装一个螺丝钉,将一棉线头固定,棉线直接拉到转轴并绕转轴半圈拉出,在拉出的线端固定一小磁片,以便在铁质黑板上使用时,可以拉直棉线使之与光线重叠,便于观察光路并记录光路。在铁杆下端固定一根棉线,线端系一个小磁片,可使该装置在铁质黑板上使用时,通过棉线的拉力使之呈竖直状态。

图4是该教具的背面图:圆盘1,小磁片2,转轴3,铁杆4,调节棉线5,螺丝钉6,固定激光器的弹性绳7,激光器8。铁杆上的螺丝钉(它可调节棉线的松紧与棉线到铁杆面上的距离,它可使棉线与光线达到重合)、固定激光器的橡皮绳(可起半固定作用,在必要时,可旋转激光器,微调射出光的方向)。

实验时,一手持住铁杆,打开激光器的开关,激光沿棉线显示入射光线,轻轻旋转圆盘,使光线与圆盘上的某一处线条对齐,该线条处的数字即为入射角的度数,同时可看到在圆盘平面上的折射光线,根据光线所对应的刻线处的数字,即可读出折射角。同时还能看到较强的反射光线,如图5所示。这样很容易得出“三线共面”“两线分居”的结论。

将该装置直接贴在铁质黑板上,由于三个小磁片为强磁片,整个装置就吸在黑板上,同时用铁杆上的拉线及磁片将铁杆固定在竖直方向。此时,打开开关,可看到入射光沿棉线方向竖直射出,旋转圆盘,改变入射角的度数,便可观察折射角与反射角的大小,拉动转轴处的棉线,使它与折射光线或反射光线重合,并用线端的小磁片将棉线固定下来,沿棉线方向在黑板面上画出入射光线、折射光线、反射光线,分析光路,总结“两角关系”。

通过创新实验的教学,一方面能提高学生的学习兴趣,使学生感到很“新奇”;另一方面,有利于培養学生的创新意识与创新精神。教师长期坚持创新实验,学生便学会自己创新。创新实验教学,是提升学生核心素养的一种有效教学方法,是教师研究的永恒课题。

在光学教学中,核心素养中的“物理观念”可通过以讲解为主的直观教学来培养,而“科学思维”需要通过作图训练、逆向思维训练、推导与演算、教具创新来培养。教具创新是提升学生“实验探究”素养的绝佳方法。当然,教无定法,贵在得法,教学实践中要不断探索与创新,通过多种方法组合与优化,力求达到最优教学效果。

[   参   考   文   献   ]

[1]  肖建华.学科核心素养导向的物理深度实验教学思考[J].中学物理教学参考,2017(11):12-15.

[2]  黄祥.高中物理教学中逆向思维能力培养的策略研究[D].贵阳:贵州师范大学,2015.

[3]  陈小平.创新实验设计,培养高中生的物理核心素养[J].课程教学研究,2016(10):67-71.

[4]  吴红良.基于中小学生创新能力培养的教学探索:以机器人教学中的拆解与组合为例[J].基础教育论坛,2015(25):28-29.

(责任编辑 易志毅)

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