顾红霞 蒋文远

摘 要：教师在教学过程中，以物理模型的建构来促进物理概念的学习进阶，努力培养学生的物理建模能力，不但能使学生加深对物理概念和物理规律的理解，而且对发展学生的创造性思维、提升学生分析和解决问题的能力起到重要作用.

关键词：物理概念;模型建构;学习进阶

中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1008-4134（2021）06-0002-04

基金项目：江苏教育科学“十三五”规划重点资助课题“初中物理‘证据课堂构建中学科素养培育的实践研究”（项目编号：E-a/2018/05）.

作者简介：顾红霞（1978-），女，江苏武进人，本科，中学一级教师，研究方向：基于证据的物理常态课堂教学设计;

蒋文远（1978-），男，江苏靖江人，本科，中学高级教师，研究方向：初中物理实验教学.

“学习进阶”是指随着学习时间的增加，学生对某一学习主题的认识不断丰富和逐步深入的过程[1].

物理概念是人脑对客观事物共同的物理属性和本质特征的抽象，是观察、实验与科学思维相结合的产物.

学生对于物理概念的学习有一个逐步理解、深化和完善的进阶过程.初中学生尚未具备从感性材料中抽象出物理概念的能力，不能自然地建立起概念之间的相互联系.教师在实际教学中，忽略物理概念的建立过程，采用“接受式学习”灌输概念，通过“死记硬背”掌握概念，依靠“机械训练”应用概念的情况仍然普遍存在.美国《K-12科学教育的框架》指出，学生学习和理解科学概念的过程实质上就是心智模型建构的过程[2].在教学中，教师以物理模型的建构来促进物理概念的学习进阶，努力培养学生的物理建模能力，不但能加深学生对物理概念和物理规律的理解，而且对发展学生的创造性思维、提升学生分析和解决问题的能力起到重要作用.本文以苏教版“光的反射”教学为例，阐述具体的实践与思考.

1 进阶分析

1.1 进阶起点分析

笔者在研读课程标准、分析教材内容、了解学生需求、结合教师经验的基础上，确定物理概念和物理模型进阶起点，预设进阶目标.

“光的反射”属于“运动和相互作用”主题下的二级主题“声和光”，课标要求：通过实验，探究并了解光的反射定律.课标样例：探究光束在平面镜上反射时，反射角与入射角的关系.苏教版教材，将本节内容安排在八年级上册第三章“光现象”第五节.教材内容主要安排为学生体验性探究活动“探究光的反射规律”、读一读“人眼怎样看到平面镜所成的像”“镜面反射与漫反射”“生活物理社会”“凹面镜与凸面镜”四部分.

在学生正式学习光学之前，笔者对本校初一学生进行“光学前概念问卷调查”，摘取与本节教学内容有关的部分内容对学生展开调查，学生前概念测试题及统计结果见表1.根据问卷调查结果与教学经验分析，学生对光在粗糙的表面会发生反射、反射光线与入射光线在同一平面内、漫反射遵守光的反射定律、平面镜成的是等大的虚像等问题在认识方面存在一定困难.

在学习本节课之前，学生已经学习光的直线传播、平面镜成像，了解“光线”模型，能初步利用“光线”模型解决光的直线传播问题，但对于利用“光线”作图的规范性和解决问题的意识还较为薄弱.根据以上分析，笔者将概念进阶的起点设定为：光在同种均匀介质中沿直线传播的知识以及镜子能改变光的传播方向的生活经验.建模的起点是：“光线”模型.

1.2 进阶目标预设

进阶目标就是学习进阶的终点，是学生是否达成学习进阶的评价标准.笔者将本节课进阶目标预设详细分解，见表2.

1.3 进阶层级预设

教师以模型建構促进学生实现概念进阶，进阶变量不再是单维度，而是概念与模型双维度的进阶.教师将光的反射概念的深化、完善与“光路”模型的优化、拓展相整合，引导学生学习研究初中光学的思路与方法，有利于培养学生有针对性地观察能力、基于现象分析问题的能力、基于证据总结问题的能力，即发展学生的学科核心素养.根据物理概念进阶的复杂度层级[3]和物理建模关键节点的划分[4]，确定本节课进阶层级，见表3.

2 教学实践过程

2.1 活动1：打靶游戏——创设学习情境，外显心智模型

教师创设游戏情境：激光打靶.第一关：激光直接打靶，设置问题：应用什么物理原理？如何显示光在空气中的传播路径？你是否能在学案上画出光的传播路径？第二关：激光隔物打靶（在激光笔和靶心之间用一纸板挡住），设置问题：为完成任务，你需要什么辅助器材？请你展示如何操作？如何显示光的传播路径？你是否能用作图的方法把刚才激光打靶的过程展示出来？

设计意图：以上游戏情境，第一关是对学生已有知识和技能的诊断，第二关将学生引入新的问题情境，使其快速调用已有的经验和知识创造性地解决问题.在教师布置的游戏情境中，学生不断丰富感知，通过现象提炼本质特征，利用光路模型使学生的初始心智模型充分外显，“光的反射”概念自然引出.在第二关的闯关中学生发现：利用平面镜用激光要一次击中靶心并不容易，需要做不断的调整，说明光在反射的时候有一定规律，探究光反射时遵循什么规律成为学生进一步学习的需求.

2.2 活动2：实验探究——搭建建模支架，初建科学模型

建模支架1：记录入射光线、反射光线的位置.

探究光的反射定律实验，分组器材准备：白纸、平面镜、激光笔，实验操作：

平面镜垂直于纸面放置，激光笔紧贴纸面，射向平面镜，

如图1所示.问题设置：如何快速准确地在白纸上记录入射光线与反射光线的位置？

设计意图：教师用最简易的装置，呈现原生态、最简单的反射现象，分解出光的反射光路模型的构建要素：入射光线、反射光线，降低模型构建难度，让学生体会到物理模型对物理研究对象的过程和结果的一种简化描述或模拟，是对真实世界的一种表征.

建模支架2：引入法线.

教师布置任务：根据上述实验结果，请同学们说说入射光线、反射光线、平面镜的位置关系.

学生很容易会想到选择以平面镜为参照，但在描述过程中会发现：入射光线、反射光线与平面镜的夹角分别有两个，描述时不易说清。学生遇到困难，积极寻求解决方法，结合数学知识，找到解决方法：添加辅助线.

问题：如何添加一条辅助线可以帮助我们确切地描述入射光线、反射光线的位置关系？

学生尝试、分享：过入射点且与平面镜垂直的一条线.

教师总结：这条辅助线很公正地站在入射光线和反射光线中间，就像法官一样，在物理学中我们称其为“法线”.

演示实验展示：在表面平整的泡沫上插上一段细长竹签，竹签（相当于法线）与泡沫平面（相当于平面镜）垂直.转动泡沫（平面镜），观察竹签（法线）的位置如何改变？发现平面镜与法线的相对位置关系是：始终垂直.

设计意图：让学生在解决问题的过程中体会法线的引入是因为确定反射光线与入射光线、平面镜位置关系的需要，有助于学生理解法线在光路模型中的作用，对反射角与入射角及其大小关系的认识也将更加准确、深刻.

建模支架3：验证“三线共面”.

教师利用实验器材：竹签和泡沫，让学生根据已有探究结果用插竹签的方式表示反射光线的位置（如图2所示）.问题：从空间角度看，与法线夹角大小相等的角有无数个.但入射光线、平面镜确定，反射光线的位置是唯一的，光的反射还遵循什么规律？

实验演示器材准备（如图3所示）：较大的一次性透明饭盒、自制带显示角度大小且一侧纸板可绕法线转动的纸板、小块平面镜（与纸板垂直放置）、激光笔、小铁钉（固定在纸板后方，小黑圈圈处）、强磁铁、

用燕尾夹夹住的小段蚊香、火柴

.实验操作：教师先在一次性饭盒内收集一定量的蚊香烟雾，将已放置好平面镜的白板放入一次性饭盒内，打开激光笔，光照到平面镜上反射，光的传播路径在烟雾中和白板上清晰显示.然后，教师保持激光笔位置不动，将强磁铁贴在饭盒外侧移动，使贴有铁钉的一侧纸板绕着法线向后转动一个角度，反射光线在烟雾中清晰显示，但在纸板上不再显示.将纸板再次转回原来的位置，纸板上再次清晰显示反射光线.

设计意图：让学生通过插竹签的方式显化其脑海中的光路模型，学生潜意识里认为：反射光线、入射光线和法线在同一平面内.这个结论是否正确，教师需要引导学生通过实验收集证据来证实或证伪.上述改进实验，可以很好地避免学生出现思维误区.纸板上不能呈现反射光线，不是因为反射光线不存在，而是由于纸板平面不在反射光线所在的平面上.基于实验现象呈现的证据分析，学生可以更清晰地认识“三线共面”.教师让学生经历光的反射光路模型的构建，能帮助学生更好地理解光的反射现象及反射定律.

2.3 活动3：新知应用——镶嵌评价任务，优化科学模型

模型优化1：镜面反射与漫反射的教学.

在学习光的反射定律后，教师可以设置如图4所示的评价任务1：两组作图练习.在6位学生在黑板完成作图的基础上，教师将第一组图的三个平面镜连成一个整体，镜面反射的特点清晰地展示出来：平行光入射，反射光线仍然平行.然后，教师将第二组图的三个平面镜也连成一个整体（如图5所示），漫反射的特点也清晰展示：平行光入射，反射光线不再平行，向各个方向射出[5].

设计意图：学生在学习光的反射定律后，教师在此处设置评价任务1，基于反馈信息既可以及时了解学生学到什么程度，也可以通过及时纠正典型问题，强化学生的作图规范和技能.教师将三个平面分别连成一个平整的平面与一个凹凸不平的表面，使学生对光的反射光路模型从单根光线在平面镜上的反射，进阶到光在光滑的物体表面能反射、在粗糙的物体表面也能反射，且两类反射都遵循光的反射定律.至此学生脑海中光的反射光路模型进一步完善，更全面.在此过程中教师也让学生体会到分解、整合、抽象等建模方法.

模型优化2：平面镜成像光路分析.

通过平面镜成像光路分析，对比“小孔成像”光路，明确实像与虚像的区别.接着，教师在此处设置评价任务2：结合成像光路分析，请你说说：如果在平面镜和虚像之间，放上不透明的纸板，在平面镜前，用眼睛是否还能看到烛焰的像？评价任务3：游戏环节，激光隔物打靶，若要快速击中靶心，你还有什么妙招？

设计意图：评价任务2是检测学生对平面镜成像光路模型是否理解，这一问题的思考讨论，有助于学生加深平面镜成像原理与虚像的理解

，对光的反射概念认识更为深刻，为后续凸透镜成像的学习奠定基础

.评价任务3，让学生进入头脑风暴，利用光路可逆性原理，提出方法：对着镜中看到的靶心打，光的反射光路模型进一步完善.

2.4 活动4：课外实践——引导知识迁移，拓展科学模型

任务1：请你课后制作一个潜望镜，并用画图的方式阐述它的工作原理.

任务2：请你观察自行车尾灯，用画图的方式画出尾灯的结构示意图及工作原理.

设计意图：在解决上述两个问题时，学生需要对光的反射光路模型进行迁移，因为都涉及到两次反射.很多生活实例 ，需要涉及两次或者两次以上的光的反射，教师利用两个任务，引导学生进行光路模型的有效迁移，将其拓展出多次反射的光路模型，更符合生活實例，有更大的应用价值.同时，让学生进一步体会到：光的反射是一个动态过程，更能揭示“光的反射”属于物理观念——“运动和相互作用观”的本质.

而这种光路模型的拓展，在后续光的折射和透镜教学中也有借鉴意义.

3 结语

教师基于“学习进阶”的理论，整合模型建构，

从培养学生物理观念的角度展开物理概念的教学，

促进学生实现物理概念或规律的进阶，对进阶起点的分析、进阶目标的预设是基础，确定进阶起点与目标间合适的“进阶层级”是保障，探索创设鲜明、丰富的建模情境，促进概念进阶的有效学习活动则是关键.教师在进行具体教学设计时，对于进阶起点的分析、进阶目标的预设先于进阶层级的预设.进阶层级是设计学习活动的目标方向.教师对于学习活动的设计，应重在产生问题的学习情境的创设，并指导学生在情境中充分利用模型建构的优势，运用科学思维方法进行意义建模，从而帮助学生真正理解、灵活应用物理概念，实现物理概念的有效内化[6].

目前在初中物理概念教学中，建模能力的重要性与重视度还不匹配，需要教师把建模意识贯穿在物理概念教学的始终，循序渐进，使学生逐步熟悉并掌握这种科学研究的思想方法，养成良好的思维品质和习惯.

参考文献：

[1]董友军，侯柏羽.基于“学习进阶”的物理概念教学——以《运动电荷在磁场中受到的力》一课为例[J].教育研究与评论（中学教育教学），2019（11）：79-84.

[2]阮享彬.基于单元核心概念的课堂核心活动设计实践——以初中物理“光现象”的教学为例[J].物理教学探讨，2020，38（05）：11-13.

[3]郭玉英，姚建欣.基于核心素养学习进阶的科学教学设计[J].课程·教材·教法，2016，36（11）：64-70.

[4]姜连国，郭玉英.基于物理建模的学习进阶及其指导策略[J].物理教师，2016，37（08）：2-6.

[5]顾红霞，张世成.搭建教学支架，促进学生“生长”[J].湖南中学物理，2011（03）：3-5.

[6]尤小蓉.基于学习进阶的物理概念教学设计初探——以人教版“磁现象磁场”为例[J].中学物理，2020，38（10）：55-57.

（收稿日期：2020-11-20）