基于实验方案设计与优化的课堂深度学习——以“探究光的反射定律”为例

薛 梅

（南京师范大学附属中学新城初级中学 江苏 南京 210019）

课堂中学生活动表面化、思维浅层次的学习状态将会影响学生对物理概念的理解和应用，要改变这种学习状态，关键是改进课堂教学设计，从课堂教学的起点提升课堂教学的质量，促进学生学科思维能力的养成.本文以初中物理“探究光的反射定律”为例［1］，展示基于“深度学习”相关理论的教学设计.

1 分析教材

传统的学生实验器材如图1所示，平面镜水平放置，一块标有刻度的金属板竖直地立于平面镜上，并卡在凹槽内，无法折叠.演示用器材设计相对好些，金属板B可以绕接缝ON向前或向后翻折，来探究反射光线、入射光线和法线是否在同一平面内.

图1 光的反射传统实验器材

（1）平时依据教材内容设计学生活动，存在以下问题

1）金属板面与平面镜垂直放置，课本上是直接告知的，学生并不理解为什么，所以当金属板面与平面镜镜面不垂直时，入射光束贴着金属板入射时，认为反射光束依然在金属板上.

2）法线是实验前信息快递告知的，学生对法线的作用理解并不深刻，描述结论经常将法线丢了.

3）入射光方向只能在金属板所在的平面内改变.

4）当金属板B向后折时，金属板B上看不到反射光束，认为反射光束消失了.

（2）引发了笔者对于课堂教学有效性的4点思考

1）要实现的教学目标是什么？

2）怎样设计活动对于实现这些目标效果更佳？

3）学生能从活动中学到什么？

4）该学习活动要发展学生哪些方面的技能？

2 实验改进

物理实验是观察、操作和思维互为影响的活动过程，实验教学不是研究有多少知识点，而是研究在知识点上有多少思维点，这就要求教师能有意识地引导学生学习和掌握思维点，让学生学会思考.为了促使学生深度思维升阶，笔者对“探究光的反射定律”实验教学进行了如下改进.

2.1 学生自制并改进实验器材

改进器材1：如图2（a）所示，透明的塑料罐子，罐内底部用双面胶固定一个小平面镜，盖子上用电烙铁或大钉子开小孔，用夹子夹住一小段蚊香放入瓶中.

图2 改进实验器材1

操作方法：如图2（b）所示，点燃蚊香放入瓶中，几秒后用激光笔从上方斜射入一束光.

改进器材2：如图3所示，利用平面镜、燕尾夹、纸板、量角器、美工刀自制光的反射器.用夹子固定纸板竖直立于水平放置的平面镜上，纸板可以自由地绕ON转动到与镜面垂直的不同平面.纸板右侧面剪出弧形，上半部可以向后折，下半部固定不动.

图3 改进实验器材2“探究三线共面”

操作方法：一束激光贴着左边纸板射向镜面上的O点，右边纸板的上半部分向后折，折的部分看不到反射光束，留下的部分依然能看到.

2.2 创新实验设计

2.2.1 创设情境 唤醒深度思维

创设情境：如图4所示，学生利用自制的器材操作实验，让光从不同方向斜射向同一入射点，观察现象，转动观察的角度，当转到某个角度时会发现反射光束与入射光束重合了.

图4 观察反射光线、入射光线共面现象

师：你发现反射光线和入射光线在位置上有什么关系？

生：如图5所示，学生尝试用竹签在花泥上模拟反射光线和入射光线并讲解.通过以上实验观察说明反射光线和入射光线在同一个平面内.

图5 建立共面的空间概念

师：你觉得反射光线和入射光线所在的这个面与镜面是什么关系？

生：让入射光贴着纸板入射，当纸板平面与镜面垂直时，能显示出入射光束和反射光束，当纸板平面与镜面不垂直时，发现纸板上只有入射光束，从而说明反射光线和入射光线所在的这个平面与镜面垂直.

设计意图：课本上纸板面与镜面垂直是直接告知的，但是对抽象思维处于较低水平的初学物理的学生来说，只有通过实验这一桥梁，在丰富的感性材料基础上，再用竹签在花泥上，模拟光反射模型，能在学生头脑中建立光反射的空间概念，使学生对光反射现象的认识从感性上升到理性.

2.2.2 模型建构 渗透思维方法

创设情境：如图6所示，动画显示反射光束和入射光束所在的3个与镜面垂直的面.

图6 建立法线

师：你发现什么？

生：通过观察，学生发现三面共线，且这根线与镜面是垂直的.

师：我们将这根线称为法线.

设计意图：经历了上述法线建立的过程，让学生明白镜面的法线不只是数学上的“辅助线”作用，它实际的作用是用来确定反射光线和入射光线的空间位置关系的，有法线所在的这个平面一定是跟镜面垂直的.

3 反思创新 引领深度学习

3.1 探究活动后的两个思考题

课堂的探究活动结束了，但是我们应该思考学生还能有更好的思维发展吗？引导学生“反思创新”，则是进行深度学习的高阶思维训练.在完成光的反射定律的探究活动后，笔者给学生留了两个思考题：

（1）如果没有法线你会如何描述反射定律？

（2）你觉得法线的建立有什么好处？

3.2 在思考题回答中引领学生深度学习

学生思考后以文字形式回答.笔者认真分析了学生的深度思考，总结如下：

3.2.1 思考题（1）的回答

1）光反射时，反射光线与入射光线在与镜面垂直的同一平面内.

2）光反射时，反射光线与入射光线分居于两光线夹角平分线的两侧.

3）光反射时，反射光线与镜面的夹角与入射光线与镜面的夹角相等.

4）入射光线与镜面的夹角和反射光线与镜面的夹角相等且θ≤90°.

5）特殊情况：垂直入射时，反射光线、入射光线与镜面的夹角都为θ=90°，反射光线、入射光线合为一线.

3.2.2 思考题（2）的回答

1）法线是反射光线和入射光线夹角的角平分线，引入法线的作用是为了引入两角相等做必要的铺垫，为了更好地探究反射角与入射角的关系.

2）可以让人们知道反射光线与入射光线确定的平面与镜面是垂直关系.

3）法线的引入，可以更好地确定反射光线的位置，并且有且只有一条.

4）观察现象时多一个参照物，总结结论时更加方便，更好地描述现象.

5）为了更好地将正确的光路在光路图中显示出来.

6）将线与面的关系转换成了线与线的关系.

学生在描述结论时注意到学科融合将数学的知识应用到了物理中，而且在思考以上问题时必然会回顾实验内容以及反复阅读课本内容，并将自己的想法与课本内容对比，这样可以促进学生对知识的深层加工，深度学习也在学生的回顾、分析、比较的过程中得以实现.

物理是一门以理论为导向、以实验为基础、理论和实验相互统一的自然科学.学习物理知识，逻辑思维很重要.让学生深度学习的目的就是为了培养学生相应的物理素养和形成物理观念的能力，为其终身发展奠定坚实的基础［2］.