培养学生科学思维的趣味实验教学探索——以“光现象”为例

孙梦蝶

南京市江北新区浦口外国语学校，南京 210000

《义务教育物理课程标准（2022年版）》指出，物理课程要培养学生的核心素养。科学思维是核心素养的重要组成部分，科学思维是对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的认识方式；是建构物理模型的抽象概括过程；是基于事实证据和科学推理对不同信息、观点和结论进行质疑和批判，予以检验和修正，进而提出创造性见解的品格和能力。对于初中生来讲，大部分学生的思维还处于浅层阶段，教学中教师不能只关注知识的学习，还应多关注他们的思维过程。物理是一门以实验为基础的自然科学，实验教学是培养学生科学思维的重要环节。笔者以“光现象”的教学为例，以趣味实验为载体，引导学生主动思考问题，建立科学模型，思考证据和结论之间的关系，培养学生质疑创新的意识，促进学生科学思维的发展。

1 通过“反小孔成像”实验，培养模型建构思维

物理模型是人们在研究物理现象时，保留主要因素，忽略次要因素，把复杂的研究对象进行抽象和概括后得到的。物理模型是人们为了研究问题方便而研究出来的，主要是用来研究问题与解决问题。教学中培养学生对物理模型的建构、理解与应用能力，对于培养学生的物理核心素养具有重要的意义。在初中物理中“光线”是一个非常重要的物理模型，建构光线模型的过程很关键，同时，如何应用该模型分析问题也很重要。在常规教学中，教师通常引导学生应用光的直线传播模型去解释生活中的实际问题，比如影子、小孔成像等现象。为了促进学生对光线模型的理解与掌握，提高学生学习物理的兴趣和求知欲，笔者在教学中设计了“小孔成像”与“反小孔成像”两个对比实验。

教师演示：在硬纸板中央剪出五角星的形状，将其覆盖在平板照明灯前，得到一个五角星形状的光源。打开电源照向一个圆形小孔，当小孔距离墙壁较远时，墙上出现如图1所示的光斑。

图1 “小孔成像”实验

教师提问：墙上的光斑是什么形状？光斑是如何形成的？能否用光线模型进行解释？

学生讨论：墙上的光斑是五角星形状的，是来自五角星光源的光经过小孔直线传播，在墙上形成了一个倒立的实像。

教师提问：如果将小孔换成小球，小球距离墙壁较远时，当光源照向小球，墙壁上的影子是什么形状呢？

学生猜想：墙壁上的影子是圆形的。

教师演示：将五角星光源照向小球，当小球距离墙壁较远时，墙上出现如图2所示的影子。

图2 “反小孔成像”实验

教师提问：墙上的影子是什么形状？它和刚刚小孔成的像有何相同之处，有何不同之处？能否用光线模型解释墙上的影子是如何形成的？

学生讨论：墙上的影子是五角星形状的，且和光源的形状相比是倒立的。墙上的影子和刚才光源通过小孔成的像形状一样，只是小孔成的像较亮，而小球后面的影子较暗。因为小孔透光，光线通过小孔直线传播照在墙上形成亮的五角星，而小球会挡光，一部分光线在直线传播时被小球挡住，在墙上形成暗的五角星。

教师展示如图3所示的原理图，并对学生的讨论进行小结。

图3 “小孔成像”和“反小孔成像”原理图

设计意图：“小孔成像”是“光现象”中一个有趣的实验，而“反小孔成像”实验则更让学生感到惊奇。从趣味实验出发引导学生应用光线模型对两个实验进行对比分析，引导学生将所学模型迁移到新的问题当中，促进学生深度学习，培养学生的模型思维。

2 通过“激光射气球”实验，培养科学论证思维

科学论证是科学思维的一个重要构成要素，是基于证据和理由对所研究的科学问题进行描述、判断、解释，提出自己的观点，同时反驳他人的观点。在物理教学中引导学生进行科学论证，可以促进学生概念理解和概念转变，促进学生科学思维能力的发展。在“物体的颜色”教学中，教师通常引导学生观察暗室里不同光照射下物体的颜色，以此来讲解不透明物体的颜色是由反射的色光决定的。但学生往往不能理解为什么物体只反射一部分色光，另一部分色光去了哪里。主要的原因是课堂中缺少“光被吸收”的事实证据，导致课堂论证的逻辑不够完整。笔者在新课教学中增加“激光射气球”的实验，为学生的论证增加证据，培养学生的证据意识。

教师提问：用不同颜色的光照在气球表面，气球看起来会是什么颜色？物体的颜色是由什么决定的？

教师演示：在暗室中分别用白光和红、绿、蓝三种色光，照射红、绿、蓝、白、黑五种颜色的气球。

学生观察气球的颜色，并将实验结果记录在表1中。

表1 不同色光照射气球的实验记录

教师提问：从实验结果看，不同颜色的气球会反射什么颜色的光？

学生论证：白色的气球可以反射所有颜色的光，黑色的气球不反射光，红、绿、蓝三色的气球只反射与自身颜色相同的光。

教师提问：光照到物体表面，一部分光会被物体表面反射进入人眼，另一部分光去了哪里？

学生猜想：另一部分光可能被物体吸收了。

教师演示：用激光笔照射黑色气球，气球爆裂。

教师讲解：由于光具有能量，当用激光笔照射气球时，气球吸收激光的能量，温度就会升高从而爆裂。

教师演示：将红、绿、蓝、白、黑五种颜色的气球充气并固定起来，分别用红、绿、蓝三色激光照射气球。

学生观察气球是否爆裂，并将实验结果记录在表2中。

表2 不同激光照射气球的实验记录

教师提问：从实验结果看，不同颜色的气球分别会吸收什么颜色的光？

学生论证：根据气球的爆裂情况来看，白色气球不吸收光，黑色气球吸收所有颜色的光，红、绿、蓝三色气球吸收与自身颜色不同的光。

教师提问：不同光照射下，物体的颜色看起来不相同。不透明物体的颜色是由什么决定的？

学生论证：光照到不透明物体上，一部分光被反射，进入人眼，人眼看到了颜色，另一部分光被物体吸收，所以不透明物体的颜色是由反射的色光决定的。

设计意图：科学论证依赖于科学证据，教师不能只注重物理结论的教授，而忽视课堂论证的过程，只有结论而无证据的教学是不利于学生科学思维发展的。教师利用“激光射气球”这一趣味实验为学生提供了充分的感官体验，鼓励学生对所得到的事实证据进行论证解释，唤醒学生对证据的关注。

3 通过“彩色的影子”实验，培养科学推理思维

对物理现象进行分析和推理是重要的科学思维过程，科学推理是用已有的物理知识和所给的事实与条件，进行逻辑思维推导，推出正确的判断或结论。物理教学中将陈述性知识放在特定的情境化问题中，融入实际生活，应用物理知识解决实际问题，有助于学生理解物理概念和规律，促进科学推理能力的提高。笔者在“光现象”单元复习中设计了一道情境化问题，引导学生综合运用光的直线传播、物体的颜色、色光的混合等多个知识点分析问题，经历推论思辨、逻辑论证等推理过程。

教师演示：一名同学站在白色背景板前，用一束白光照向他，背景板上出现黑色的影子。

教师提问：你有哪些方法使人影变成红色的呢？

学生猜想：将白色背景板换成红色；人换上红色的衣服；用另一束红光照向原来的人影。

学生实验，并观察现象。

学生讨论：将白色背景板换成红色，人影依然是黑色的。当白光照向实验员，光在直线传播的过程中被人挡住，红色背景板上仍然有一个区域照不到光，因此这个区域看起来就是黑色的影子；而红色背景板的其他区域被白光照射后可以反射红光，因此看起来是红色的。

学生讨论：人换上红色衣服，人影依然是黑色的。当白光照在红色衣服上，红色衣服只反射红光，衣服看起来是红色的，但是由于人挡住了光线，白色背景板上依然有个区域照不到光，因此这个区域的影子看起来仍然是黑色的。

学生讨论：用另一束红光照向原来的人影，可以使人影变成红色。先利用白光照向实验员，在白色背景板上形成一个黑色的影子，就是照不到光的区域。再用另一束红光照向影子，背景板反射红光，因此这片区域看起来就是红色的。

教师提问：将一个红色玩具放置在白色背景板前，让红、绿、蓝三束光照向玩具，背景板上的影子会变成什么颜色呢？

学生猜想：由于色光的混合，墙上会出现彩色的影子。

教师演示：实验结果如图4所示。

图4 彩色的影子实验

教师提问：这些彩色的影子是怎么形成的呢？

学生讨论：以左边的黄色的影子为例，当右边的蓝光照向物体，物体的背后由于照不到光便形成了一个黑色的影子，但是左边的红光和中间的绿光可以照到这个区域，红光和绿光混合后可以得到黄光，于是形成了黄色的影子。

教师展示原理图（图5），并进行小结。

图5 彩色的影子实验原理图

设计意图：通过创设问题情境，引导学生暴露光学方面的迷思概念，再运用逻辑思维、依据科学原理对实验现象进行推理、解释，进而得出结论，帮助学生理解概念。

4 通过“透明的镜子”实验，培养质疑创新能力

中学生的质疑创新能力表现在善于运用分析、综合、抽象、概括，迅速洞察研究对象的本质属性和相互联系，能设计出各种简单、新颖、独特的实验方案。初中生由于接触物理时间不长，创新似乎还很难，教师可以选择性地将生活中的科技发展、趣味实验应用于教学中，启发学生思考，让学生意识到所学知识的价值以及质疑创新的重要性。笔者在光的反射教学中，引导学生对科普节目中出现的实验场景进行讨论分析，并通过动手制作还原节目中的实验装置，发展学生的创新意识和思维。

教师展示：在《是真的吗？》20190810期节目中，两位同学站在平面镜的后面（图6）。

图6 《是真的吗？》透明的镜子实验

学生惊呼：我们能看到男生的下半身，镜子好像透明的一样，可是却看不到女生的下半身，女生的下半身仿佛“隐形”了一样。

教师提问：你能利用平面镜制作出这样的装置吗？

教师引导：我们的眼睛能够看见物体，是因为来自物体的光线进入了眼睛。我们看不见女生的下半身，说明来自女生下半身的光线没有进入眼睛。我们能看见男生的上半身和下半身的“像”，说明来自男生下半身的光线经过反射进入了我们的眼睛。并且男生上半身和下半身的“像”均在观察者的正前方，说明下半身的光线经过反射后，最终沿着男生至观察者的直线方向传播。

教师展示：如图7（a）所示的示意图，要求学生画出反射光线和平面镜的位置。

学生讨论：画出如图7（b）所示的示意图，来自男生的光线经过反射进入观察者眼中，而来自女生的光线由于平面镜的阻挡，不会进入观察者的眼中。

学生讨论：可以将图 7（b）转化为图 7（c），将两个平面镜垂直放置，另外两个平面镜也垂直放置，调整两组平面镜使其对应边互相平行，在平面镜所夹的三角形区域中，放置任何物体都不会对男生的光路产生影响，看起来就像“隐形”了一样。

图7 透明的镜子实验装置构建过程

学生制作实验装置，如图8所示，将塑料瓶放在平面镜后，仍然可以看到瓶身，而隐形区域的塑料盒成功“隐形”。

图8 “透明的镜子”学生实验

设计意图：利用看似“透明”的平面镜实现隐形的实验充满了趣味性，该实验利用的是学过的平面镜成像和光的反射知识，利用所学知识经历理论分析和动手制作的过程，有助于培养学生勤于思考、勇于创新的思维品质。

总之，开展丰富多样的趣味物理实验，引导学生进行模型建构、科学论证、科学推理、质疑创新等活动，对于学生科学思维的形成会起到潜移默化的作用。教师要充分挖掘实验资源，创新实验方法，发挥实验的教育教学功能，更好地培养学生的核心素养。