巧设实验悖论,践行意义学习——关于多元化透镜规律教学的思考

李玉兰 刘永飞 张丽萍

(1. 石家庄市第四十二中学，河北 石家庄 050024； 2. 河北师范大学物理科学与信息工程学院，河北 石家庄 050024)

学习始于感官感知,实验在学习过程中举足轻重．本文以学生前概念为源头,通过设计与认知相悖的实验,以求唤醒学生探究欲望、增加思维含量、生成意义课堂．谨以人教版“透镜”一节阐释．

1 理解实验悖论:透镜折射作用的本质建构

1.1 营造冲突,激发探求动机

关于透镜对光的作用,教材中通过以下2个演示实验得到结论:凸透镜对光有会聚作用,凹透镜对光有发散作用．

图1 凸透镜对光的会聚作用

图2 凹透镜对光的发散作用

对学生而言,头脑中浮现并坚信这一经验性认识,它即刻成为学生脑中的表层前认知,对教师来说,这看上去的“直白与明了”却为后续准确理解该规律本质埋下了认知冲突的引线．

教师将本环节教材规律的含义表面化,并有意忽略会聚(发散)作用和会聚(发散)光线的区别,为随后“意外”实验现象造势,从而有效激发学生认知冲突．

课堂上教师引导学生观察透镜对任意光线作用的结果时,学生对现象的预设必然统一于教材的权威定义．通过实验事实巧妙营造的相悖情境,暴露了学生错误的推理结论,激发了认知冲突,得以有效聚合学生注意,实现靶向目标问题解决．

(1) 让发散的三束光分别射向凸透镜,观察光通过透镜后的偏折方向(图3)．

(2) 让会聚的三束光分别射向凹透镜,观察光通过透镜后的偏折方向(图4)．

图3 发散光线通过凸透镜

图4 会聚光线通过凹透镜

学生诧异地发现经过凸透镜的光束发散,经过凹透镜的光束会聚．实验事实给予学生强烈的认知冲突,引发其探求知识的积极思维,为理论分析高效助力．

1.2 关联理论,优化知识结构

图5 凹透镜简化模型

借助学生脑中普遍产生的积极情绪,教师顺势引导其认知走向深刻．透过现象分析本质,从规律根源处将难点突破,由现象关联理论,实现知识的结构化．

如图5所示,以凹透镜为例,教师引导学生对凹透镜建模,将其模型化为两块梯形棱镜和一块方砖．如图6、7,运用折射规律画出折射路径,学生自然领会所谓发散,实指光线相对入射光线发生外向于主光轴的偏折,此时教师点出发散作用中“作用”二字的本意,厘清规律本质,改变学生头脑中将规律误解为发散结果的前认知．

图6 光线在凹透镜上部分的折射路径

以上教学流程,不仅激发了学生运用知识的乐趣,贯彻由生活走向物理教学理念,也引导学生思维向深刻性发展,为后续教学思路立标定向．

实验的改进,既帮助学生理解上述结论,也使其领悟了会聚作用与会聚光线、发散作用与发散光线之不同,以及从现象到理论建构“作用”二字的深刻含义．

实验饱含值得深度挖掘的思维材料,借助实验教学能有效拓展学生思维,教师适时引导,能帮助学生多维度建构物理知识和实验方法．

下文将以透镜实验为例,基于学生已有经验,具体阐述促进学生深度学习的教学实施．

图8 光线射向凹透镜上下表现

2 规律实验悖论:透镜会聚结果的可视探究

2.1 细究反常,再启思维高潮

透镜是折射规律的应用,在分析透镜折射原理时,以实验激发认知冲突引出隐含规律,并建构全反射概念．

如图8,此实验中的光束1、2由空气射入玻璃,折射光分别射在凹透镜的上下两面上,光束3、4是经上、下表面反射,进而由玻璃射向空气折射后的光束．新的问题再次激发学生认知冲突.

何以入射光线未发生外向于主光轴的偏折?进而激发学生探究欲望．

学生积极融入课堂,物理课堂教学的生命力即刻显化,教师只需顺势点拨,即可助其思维深化和升华．

2.2 强化意义,探寻规律本质

为保证光路清晰可见,课堂演示可利用光子打到颗粒状烟雾上发生散射的现象,采用示踪法呈现光路．教师于透明的封闭盒中进行演示实验,点燃熏香后,便清晰立体的显现出了光束行进的路径．

将入射光射向透镜上表面,出现图9现象．随着光束入射角度的变化,光束6、7的亮度随之发生变化,变换至图10时,折射光束7已不存在,而光束6则变亮．此时入射光由空气射入玻璃后的折射光射在上表面并被全部反射,反射光又于玻璃射向空气时发生折射,就出现了图10的实验现象．

图9 光线在凹透镜上表面发生反射与折射

光从一种透明介质斜射入另一透明介质时一般会发生折射．当光从光密介质斜射向光疏介质,入射角超过某一角度C(临界角)时,就不再发生折射,出现全反射现象．

3 现象实验悖论:透镜反射规律的意义深化

3.1 深挖现象,扩展思维方向

教材中选用入射面为平面的透镜,目的是光线平行于主光轴(即垂直于入射面)入射,反射光线与入射光线重合,学生观察不到反射光线,回避了在学习透镜时再解释反射的问题．但细心观察的学生会发现折射光线比入射光线暗,由此可见,问题非回避而自解．相反,如果学生在实验中能看到反射光线,光学的很多规律便可全盘激活,学生对透镜的认知也会更加全面且系统．

实际教学中我们常采用标准透镜演示,仔细观察发现,凹透镜左侧可见反射光线会聚于一点(图11);凸透镜左侧可见反射光线反向延长线亦会聚于一点(图12)．

图11 光线在凹透镜在侧的会聚现象

图12 光线在凸透镜在侧的发散现象

3.2 嫁接前知,整合透镜知识

对以上出现的现象,教师可借势引导学生由表象走向理论,如图13、14,将凹面镜、凸面镜知识进行回顾并应用其阐释实验现象．

图13 凹面镜对光线的作用

4 教学启示

4.1 营造冲突,调动积极情绪

感性材料是思维活动的源泉和依据,各种类型的物理实验,形象直观地展示了物理规律支配现象的轮廓,为学生学习提供了丰富的感性材料．

由实验直接展示问题结论,对学生的求知欲具有抑制作用．教学中教师转换策略,巧设悖论制造悬念,唤醒学生求知激情．

4.2 铺展思维,落实意义学习

现实中,课堂上的实验行为大多被同化,演示更多是对教材既定内容的“照搬”或“比猫画虎”式验证,达不到激发学生兴趣面、建构知识体之新课程理念．

事实上,放大实验教学,兼并课后实验、仿真实验,挖掘学生尽可能多的兴趣学习空间,引导其深度学习、重度思考,在激活探究和思维能力的同时实现意义学习．