以可视化实验为支架改善《光的反射现象》教学

〔摘 要〕 促进学生核心素养发展是当下教育教学的出发点，也是归宿点。在科学课中，学生科学思维的发展需要教师引导学生解决思维过程中存在的障碍，搭建思维进阶的支架。笔者基于可视化实验策略，对实验教学进行改进和创新，帮助学生获取关于客观事物的丰富、直观的直接经验，进而对可视化的信息进行思维加工处理，锻炼学生的思维灵活性、模型建构能力和推理论证能力，切实提升了学生的科学思维能力。

〔关键词〕 小学科学；可视化；科学思维

〔中图分类号〕 G424 〔文献标识码〕 A 〔文章编号〕 1674-6317 （2025） 03 058-060

《义务教育科学课程标准（2022年版）》提出，探究和实践是科学学习的主要方式，要加强对探究和实践活动的研究与指导，设计并实施能够促进学生深度学习的思维型探究和实践。许多科学概念和规律都源于实验，很多时候，学生的科学思维也是在思维型探究和实践过程中，对实验探究的现象和信息进行思维加工而得以发展的。但许多传统实验因材料、仪器、技术等因素的限制，容易产生现象不明显、误差大、缺乏规律等问题，学生以科学性、严谨性的态度进行分析归纳、抽象概括则存在一定困难。这不利于学生从科学的视角认识客观事物的本质属性、内在规律及相互关系，也就不利于学生科学思维的发展。

因此，一线科学教师应对实验进行深入研究与探索，将低能见度的现象、无规律的信息、难归纳的结论采用可视化的方式呈现，帮助学生克服思维障碍，提升科学思维能力。本文以教科版科学五年级上册第一章第6节《光的反射现象》为例，通过对实验的创新与改进，探索以可视化实验为支架的教学策略，激发学生的探究欲望，丰富学生的学习体验，发展学生的科学思维。

一、情境可视化提高思维灵活性

科学思维是学生在与情境互动的过程中，进行信息加工、处理和组合，进行有意义的知识建构而得以发展的。在这个过程中，学生的大部分信息来自视觉，而且视觉在思维理解上比其他感觉更有优势。创设可视化的学习情境，可以把原本以语言讲授为主的课堂转变为语言与图形并重的知识传播场域，为传统课堂上基于语言的理解提供补充，减轻了语言通道的认知负荷，提升了知识建构的效率。在科学课堂上，可视化的情境能够调动学生探究的欲望，提升学生信息加工的效率，提高其思维的灵活性。

对于五年级《光的反射现象》一课，教材以照镜子的情境引导学生关注光的反射。在思考“为什么在镜子中能看见自己”时，大部分学生只知道是光反射了，但并不能说出其中的奥秘。学生对于这一现象表现出的兴致也不高，难以提出可探究的科学问题，其思维的积极性没有得到激发。

笔者在教学实践中进行了创新，创设了可视化的光现象情境。笔者基于丁达尔效应，利用小型喷雾器，让学生惊奇地看到了一束光从暗盒中照射到了黑板上，在复习巩固“光沿直线传播”的同时，引导学生展开推理，思考“这束光是从暗盒的哪个部位发出的，光源可能在哪个位置”。学生兴致勃勃地表达各自的推论：有的学生认为“因为光是沿直线传播的，所以沿着光线往回找到暗盒的尽头就是光源的位置”，大部分学生都认可这一想法；有的学生指出“光源不一定就在光线往回的尽头，如果里面有一面镜子呢”。这一想法如一石激起千层浪，大家恍然大悟，不断提出新的想法：“可能在暗盒的最左边”“在暗盒的右边也是可以的”“光可能是在暗盒里面的任意位置，只要改变镜子的角度就能照射到黑板上”。最后，一位学生提出“暗盒里面也有可能不止一面镜子”的想法，又让大家展开更深度的思考。在进行充分的推理过程中，学生已经深刻认识到“光是会被镜子反射的”，从而顺势过渡到对“光的反射现象存在什么规律”的研究。可以发现，创设了可视化的光反射情境后，学生的积极性被充分调动，他们能够基于可视化的信息进行加工处理，有根据地展开推理，思维不断地深入、发散，充分提高了思维的灵活性。

二、现象可视化助力模型建构

在小学科学学科核心素养中，科学思维指向的主要是模型建构、推理论证、创新思维等方面的能力。其中，模型建构是以经验事实为基础，进行抽象和概括、建构模型，进而运用模型分析、解释现象和数据。即个体运用头脑中已有的科学知识，基于经验事实或者实验现象对客观事物进行抽象概括或假设，抓住主要因素，忽略次要因素，从而把复杂的研究对象理想化为简单的研究对象的思维过程。因此，科学模型建构不仅是科学思维的重要组成部分，也是学生科学核心素养发展的载体，对落实学生科学核心素养发展具有牵引价值。模型建构是学生认识科学现象，进行科学思维的起点。对于小学生而言，其在建构科学模型的过程中，需要大量的直观现象和直接经验。但部分传统实验中抽象、不易理解的实验现象，则给学生建构模型造成了阻碍。

在《光的反射现象》一课中，教材设计使用手电筒照射平面镜，在墙上做一处标记，关闭教室的灯光后，不断调整手电筒和平面镜的位置，使灯光照射到标记上。然后重复多次，直至“能够预测平面镜会将光反射到什么位置”。要求学生能够预测光的反射方向，并对光反射现象的规律有比较清晰的认识。但传统实验存在多个“不可视”的现象，让学生在建构“光的反射现象规律”这一模型时存在较大障碍。第一，手电筒的光线较弱，即使关闭教室灯光，光路仍然是不易观察到的。第二，学生手持手电筒和平面镜，容易造成抖动和位置变化，每次实验之间存在的联系和规律不直观，学生不易分析归纳。第三，多次静态的光反射现象，无法帮助学生从动态的角度理解光线从不同角度照射时的情境。

基于可视化策略，笔者在进行教学时，对实验进行了创新，制作了光反射规律探究装置：将平面镜固定在半圆形的木板中，木板上不同位置标注了与平面的夹角度数。学生使用激光笔照射镜子，并利用小型喷雾器喷出水雾，让光线显形。学生尝试从不同的角度照射镜子，记录下入射光线与平面的夹角和反射光线与平面的夹角，同时画出光的传播路线。接着，学生基于全部小组的大数据进行观察、分析、归纳后，所有小组一致地发现入射光线照射到镜子的角度，跟反射光线离开镜子的角度是相等的。为了给学生建构概念模型提供更丰富直观的现象，笔者还使用了一个半球形的透明罩，在内部充满艾条烟雾后，使用激光笔从左边沿着中间线向右移动，引导学生观察动态的现象。基于直接观察到的丰富的可视化现象，学生进行抽象、概括，建构光反射现象的模型。在分享回报环节，学生都建构了比较完整、正确的模型：“我发现光线照射到镜子后，它的方向发生了改变。”“入射光线和反射光线与平面的夹角总是相等的。”“反射光线也是沿直线传播的。”甚至有部分学生还建构了“法线”这一小学阶段不要求掌握的模型，指出“入射光线和反射光线之间的图形总是轴对称图形，中间有一条线能把这个图形分成两半”。由此可见，基于可视化实验的教学策略，对教学进行改进后，学生直接获得了更明显的现象和更有规律的信息，对信息进行加工的难度明显下降了，更容易对丰富的信息进行抽象和概括，构建完整的科学模型。

三、数据可视化促进推理论证

科学思维中的推理论证能力指向的是学生能够基于证据和逻辑，运用各种思维方法，建立证据和解释之间的关系并提出合理的见解。推理论证往往始于疑问，要求学生具有证据意识，能够从科学表象中找到可靠的证据进行推理，并寻找新的证据进行论证，从而得出比较可靠的结论。证据是学生展开推理论证的支撑，而小学科学中的部分实验，让学生无法从一定角度观察到实验现象的变化，难以从科学表象中找到证据。

以《光的反射现象》一课为例，学生通过实践探究，基于肉眼看见的现象，已经认识到光遇到镜子会反射。而在探究活动之后，教材直接通过文字资料让学生理解“与镜面发射相同，任何物体都会反射光，只不过光在物体表面的反射情况不同，我们能看到物体是因为它们的反射光进入了我们的眼睛”。笔者在课后调查中发现，通过文字阅读，学生并不认可任何物体都发射光。因为学生都是基于自身已有的知识和思维水平进行思维的，无法在缺乏经验基础的情况下展开合理的推理论证。很明显，从“镜子能够反射光”演绎推理至“所有物体都能反射光”是缺乏证据的，学生在生活中很少看见其他物体的光反射现象，因而也就无法进行科学合理的推理论证。

基于可视化实验策略，笔者尝试让其他物体的不可视的反射现象，通过数据显形。因此，笔者在教学中引入了自制的“光反射现象数字化探究装置”（如图）。利用激光切割技术和开源编程，笔者设计了一个接近暗室的“T”形通道，包括直通道和反射通道。首先，在直通道前盖的几何中心固定好光源，确保光线沿通道中心传播。其次，在直通道中设计了一个与反射通道成45°的反射槽，用于固定反射物，使光线刚好被反射到反射通道的尾部中心。最后，在反射通道尾盖的几何中心固定能够检测光强的光强度传感，并将数值直接传输到装置表面的LCD显示屏。

光反射现象数字化探究装置

在教学中，笔者引导学生将生活中常见的物体如镜子、木板、卡纸、塑料片等插入反射槽，并记录LCD显示屏上的光强度数据。基于记录的各种情况下反射光的光强度数据（如表），学生进行分析比较，展开归纳推理。经过数据分析发现，插入各种物体时检测的反射光数据都比没有插入反射物时大，进而得出结论：大部分物体都能反光，不同物体反射光线的能力不同。在此基础上，部分学生还提出了关于“为什么不同物体反射光线的情况不同”的猜想，并利用这个数字化的探究装置自主设计研究了“物体的颜色、表面粗糙程度与反射情况之间的关系”，进行了深度的学习。在学习之后的调查中，学生都表示深刻地认识到了“我们能看见物体，是因为它们都反射光”。

可见，将一些肉眼无法直接观察的现象转化为“有形”的数据后，在证据的支撑下，学生的推理论证更加科学规范，能够很好地解释事物的内在规律。在这个过程中，学生实现了深度的可视学习，领悟了定量研究的科学方法，锻炼了创新思维能力，促进了自身推理论证能力的提升。

四、结语

科学思维能力的提升依托于持续的科学素养导向下的教学，是在一系列的教育行为和实践活动中得以提升的。这需要一线科学教师为学生科学思维的发展搭建支架。可视化实验策略关注学生在思维过程中存在的障碍，基于更新材料、变革技术、转换方法等手段，能通过对探究实验的二次加工和创新，化抽象为具体，化无形为有形，充分提高学生的思维灵活性，提升学生的模型建构、推理论证等能力，促进学生科学思维不断进阶发展。

【本文系珠海市2024年教育科研规划课题“以创新实验为支架的小学科学深度学习研究”课题成果之一，课题批准号：2024ZHGHKT039】

参考文献

[1]中华人民共和国教育部.义务教育科学课程标准[M].北京：北京师范大学出版社，2022.

[2]赵国庆，黄荣怀，陆志坚.知识可视化的理论与方法[J].开放教育研究，2005（1）：23-27.

[3]张玉峰，张芳.科学模型的建构过程分析[J].中学物理，2023（4）：2-7.

[4]王红燕.基于学生推理论证思维培养的生物学概念教学[J].中学生物教学，2022（12）：52-54.