用可视化教学培养学生核心素养

宋勇 杨思锋 熊荣领 刘娟

摘要：在“光的折射”一节教学中，我们通过自制教具来放大实验现象，还原思维过程，展示习题情境，实现在真实实验基础上将物理观念、科学思维和科学探究的教学可视化，促进学生学科核心素养培育目标的达成。

关键词：真实实验 可视化 自制教具 核心素养

物理教学必须以实验为主要载体，通过真实的实验演示和探究，揭示物理规律，形成物理观念，达到培育学生核心素养的目标。如今在信息技术手段迅速融合课堂教学的新形势下，各种仿真模拟实验代替了真实的实验，学生在设计好的实验视频或者动画里，观察由别人演示的实验，这种教学很难让学生获得真实的物理体验。因此，我们倡导在真实实验的背景下，研究将物理教学可视化的策略。在人教版八年级上册“光的折射”一节的教学中，我们设计了多元的实验环节，自制了多种实验教具，力图将物理观念可视化，增强物理现象的可视化程度，实现规律应用的可视化，从而提升教学效率，培养核心素养。

一、引入环节的可视化教学策略

本节课最常用的引入是给学生展示一幅筷子在水里“弯折”的图片（如图1），我们认为，这种引入会给学生带来一种对于折射的错误“前认识”。这是因为看到弯折的筷子其实是筷子所成的虚像，并且筷子在水里的形状与光折射时的光路（如图2）从形状上看是相反的。这种引入方式，有可能会让学生误解光的折射光路也跟筷子在水里的弯折相同。

为了降低学生对折射现象的认识难度，增强教学引入环节的可视化效果，我们设计了井底之蛙观察井外天空的教学活动：利用底部透明的容器代表枯井，容器底部有一摄像头代表青蛙的眼睛，在距容器顶部某高度水平放置一张描绘有星空的图片，摄像头可以将图片拍摄后实时展示在大屏幕上（如图3）。往容器中加入水后，摄像头拍到的范围将变大，屏幕上看到的星星变多了（如图4）。这种视觉上的冲击瞬间让学生充满了好奇和疑惑，引发学生的思考：是什么原因让青蛙看到的范围变大了呢？

接下来，教师引导学生尝试画出两种情况下的光路图（如图5、图6）。在没有加水时，看到的范围是A1A2，运用光的直线传播原理可以画出A1O和A2O两条光路。这一过程也是在复习光的直线传播原理。在加入水之后，看到的范围变成了B1B2，由于光在空气和水中都是沿直线传播的，引导学生分别作出光在空气中的光路B1C1、B2C2及光在水中的光路C1O、C2O，这样，学生自主地作出了光从空气到水中的光路B1C1O和B2C2O，显然，在C1和C2处，光路发生了偏折。这一环节中，学生在运用已有知识（光的直线传播原理）的同时发现了新问题（光在空气和水的分界面处发生了偏折现象），教师启发学生思考：光从空气射入水中时，发生了怎样的变化？让学生初步感知光的折射现象。

以上教学过程基于真实的实验，通过学生自主探究将光的折射现象展现在学生面前。这种可视化的设计，抓住了折射的本质，便于学生形成正确的物理观念。

二、演示实验和分组实验的可视化策略

本节课的教学重点是教师演示折射现象和学生分组探究折射规律。为了提升可视化程度，我们利用自制的实验器材进行教学活动的设计，力图实现物理观念培养的可视化、学生科学思维素养培养的可视化，让物理规律不再抽象，落实培养学科核心素养的目标。

环节一：利用“光的折射”演示仪（图7），放大演示实验的可视化效果

制作材料：激光笔（强光、线光源）、铁质硬板、亚克力砖。

制作方法：将两块半圆形铁质硬板依靠合页连接，组装成一组可折转光屏，直径为1米，同时标注角度和圆半径线，形成圆形光屏;折射介质使用的厚度1厘米的半圆形亚克力砖，直径为39.5 cm，一面打磨为粗糙面，方便显现光路。

常规教学时，采用演示折转光屏可使光屏上没有折射光路，但“在光屏上看不到折射光路”并不能得出“折射光线与入射光线以及法线在同一平面内”的结论，本教具的设计采用“光屏折转”但玻璃砖仍与入射光在同一平面内的做法，通过演示操作的对比可以发现：当左右两块光屏在同一平面内时，折射光和入射光的传播路径均可在光屏上呈现（图7），但当两光屏不在同一平面内时，右边光屏上便看不到折射光的传播路径，由于玻璃砖依然与左边光屏处在同一平面内，因此，在玻璃砖上依然可见折射光。以此可以说明光在折射时，折射光线与入射光线以及法线在同一平面内，这种对照实验的可视化设计便于学生形成正确的物理观念。

以上这种放大实验现象的设计，让学生在“三线共面”的学习中，通过真实的实验获得直观的感受，从而对“共面”的理解更加深刻。

环节二：利用“多功能光学探究装置”，提升学生分组实验的可视化效果

制作材料：激光笔（强光、线光源）、铁质硬板、有机玻璃砖、水槽。

传统的实验装置如图8所示，缺点是只能改变入射光的方向，不能探究折射光线、入射光线和法线之间的关系，而且只能探究光从空气射入一种介质的情况。为了能让学生完整探究光的折射规律，我们自制了“多功能光学探究装置”，其光屏用两块铁质硬板（依靠合页连接）制成，通过改变激光笔的方向，可以改变入射光的方向。光屏上标注圆形和对应角度，便于测量入射

角和折射角的大小，同时光屏的右侧可以向后折转，实现对“折射光线、入射光线以及法线是否在统一平面内”的探究。当前侧放置水槽时，可以探究光从空气射入水中的折射规律，如图9、10所示。要研究光从空气进入到玻璃时，可以换用半圆形有机玻璃砖，利用磁铁将其吸附在光屏上，如图11、12所示。

环节三：利用“叉鱼光路演示器”（图13），实现科学思维过程的可视化

制作材料：水槽（亚克力板制成）、塑料小鱼、激光笔、塑料圆筒、细长杆、加湿器、铁架台等。

制作及使用方法：鱼缸底部内测固定一塑料小鱼，小鱼的顶部开口，鱼缸底部外测装有激光笔，鱼缸上方右侧利用铁架台装一塑料圆筒，装入适量水后，调节激光笔和圆筒的角度，使激光笔发出的光从小鱼的开口處穿过，经折射后能穿过圆筒。另配有一细长杆，可穿过圆筒到达水中鱼缸底部。

本器材是为了还原“看到鱼”的光路和“叉不到鱼”的过程。位于鱼缸底部的激光笔发出的光路AOB代替我们观察到鱼时，鱼“发出”的光路，如图14，通过加湿器可以使这条光路非常明显，这是人“看到鱼”的光路。在B位置沿光路OB的方向固定一圆管，通过此圆管可以接收到鱼发出的光路OB，即可看到鱼。然而，由于光在O处发生了偏折，加上人的错觉，认为鱼位于顺着BO方向上的D位置（实际为鱼的虚像位置），故沿BOD的方向是叉不到鱼的。我们用细杆沿圆管插入水中到达D位置，用来模拟“叉不到鱼”的过程，如图15所示。

利用这个教具进行对比演示，使看到鱼的光路和叉不到鱼的过程展现在学生面前，还原了物理规律在生活中的应用过程，帮助学生完成分析推理过程，实现科学思维素养培养的可视化。

三、习题情境的可视化策略

在本节课的巩固环节，我们设置了如下课堂练习：

图16为一个玻璃制成的三棱镜，请画出光从空气射入三棱镜又射回空气的光路图。

本题旨在检测学生在学过折射知识以后，会不会根据折射规律进行两次折射光路的判断。学生完成作图后，为帮助学生理解其对光路的作用，再利用图17的真实实验进行对比，帮助学生理解三棱镜对光线的作用，为今后学习光的色散进行合理的铺垫。这种将习题情境进行可视化展示的手段，让枯燥的解题变成有趣的探究，提升了学生运用物理观念解决实际问题的能力。

物理学是一门实验学科，初中生往往缺少理性思维的能力，通过真实实验的可视化教学手段，能让学生在感性认识的基础上更深入地理解物理观念，也更能体现物理学科的特点，实现物理观念、科学思维及科学探究的可视化，从而更好地实施学科核心素养的培育。

参考文献：

[1]人民教育出版社，课程研究所，物理课程教材研究开发中心.义务教育教科书物理（八年级上册）[M].北京：人民教育出版社，2012.

[2]中华人民共和国教育部.普通高中课程标准（2017年版2020年修订）[M].北京：人民教育出版社，2020.

[3]杨思锋，宋勇.基于真实实验的中学物理可视化教学实践研究[J].物理教学，220（06）：41-43.

责任编辑：黄大灿

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