王海宇 黎雪 莫海浪

【摘要】本文以沪粤版物理八年级上册“3.2 探究光的反射规律”教學为例，提出教师在组织物理实验教学过程中通过科学分析教材中物理实验设计的利与弊，借助实验教具与实验方案创新，培养学生科学探究核心素养的教学主张;案例课教学则通过分析教材和《物理教师教学用书》中实验设计的不足，提出改良实验教具、重新设计实验方案的构想，进而通过采集身边易得的实验器材创新制作光学实验教具，切实达成将光反射中的光路可视化、立体化、明晰化的预期目标，帮助学生建立起光反射的科学概念，使学生在习得相关物理观念的同时，深刻理解和掌握光的反射定律。

【关键词】创新教具 光学实验 光的反射 科学探究 核心素养

【中图分类号】G63 【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2022）22-0081-04

《义务教育物理课程标准（2022年版）》（以下简称《2022版物理课标》）明确指出：物理学是自然科学领域研究物质的基本结构、相互作用和运动规律的一门基础学科，通过科学观察、实验探究、推理计算等形成系统的研究方法和理论体系。义务教育物理课程是一门以实验为基础的自然科学课程，旨在帮助学生从物理学视角认识自然、解决相关实际问题，初步形成科学的自然观;引导学生经历科学探究过程，学习科学研究方法，养成科学思维习惯，进而学会学习;引领学生认识科学、技术、社会、环境之间的关系，形成科学态度和正确价值观，增强社会责任感、民族自豪感;激发学生热爱党、热爱祖国、热爱人民的情感，为培养德智体美劳全面发展的社会主义建设者和接班人奠定基础。《义务教育物理课程标准（2011年版）》在“实施建议”中明确指出：实验教学是物理教学的重要组成部分，是落实物理课程目标、全面提高学生科学素养的重要途径;要发挥实验在物理教学中的重要作用，需要正确认识物理实验的教学目标，注重把握实验教学的特点，合理开发实验教学的课程资源。《2022版物理课标》则进一步明确了物理课程的目标要求是促进学生核心素养的养成和发展，引导学生学会学习、学会合作、学会生活，为终身发展奠定基础。

近年来，我们在推进“核心素养下初中物理和化学4+N教学模式的实践与研究”课题研究的过程中发现，日常的物理实验教学中，一些教师基本没有思考过每次实验教学的目标是什么，只是“照本宣科”地呈现教材中的一些演示实验或者组织学生原封不动地实践教材中安排的一些实验探究活动，而不考虑师生实施相关实验应该并能够达成怎样的预期目标，学校的实验条件是否具备、实验环境是否适合，并往往因为受到实验场地、人为操作、气候等方面的条件与环境因素制约而无法得到理想的实验效果，致使许多物理实验更像是“走过场”，或者半途而废改成了“讲实验”，学生最终不得不通过死记硬背来“记住”实验的内容和结论，很不利于学生物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任等学科核心素养的培育和发展。显而易见，实验教学对培养学生的科学探究核心素养意义重大。科学探究核心素养，指的是基于观察和实验提出物理问题，形成猜想与假设、设计实验与制订方案、获取与处理信息、基于证据得出结论并做出解释，以及对科学探究过程和结果进行交流、评估、反思的能力。我们认为，学生科学探究核心素养的培育和发展，需要教师在实验教学中以身作则，给学生做出正确的引导与示范。

为引导师生学会“合理开发实验教学的课程资源”，我们以核心素养为导向，在团队教研的过程中通过精准定位每一次实验教学的知识与技能目标、厘清相关实验教学对学生学科核心素养的培养要求、科学分析教材中所安排的相关实验设计的利与弊，最终做出是否有必要创新实验教具或调整实验方案等应对策略。下面我们以沪粤版物理八年级上册“3.2 探究光的反射规律”为例，探讨通过创新实验教具和实验方案，培养学生科学探究核心素养的具体做法。

一、基于教学实践，科学分析教材中实验活动设计的利与弊

一般来说，物理规律是在实验的基础上，对实验结果进行分析和归纳得到的。归纳是从实验事实中找出因果联系的一种有效方法，也是科学思维的一种重要方式。教材在“3.2 探究光的反射规律”一课中设计了一个“探究光的反射规律”的实验活动，并提供了如图1所示的实验器材：准备一支激光笔;在平面镜M的上方竖直放置一块附有量角器的白色光屏，白色光屏是由E、F两块板拼成且两块板可以绕ON折转。实验方案如下：首先，让激光笔以入射光的形式沿着白色光屏左侧的E板射到镜面的O点;其次，转动白色光屏右侧的F板，找到反射光;最后，观察并测量入射角α分别为30°、45°、60°时的反射角β的度数，在表格中记录相关的数据。

我们认为，该实验教学的知识与技能目标为“通过结合日常生活体验和观察实验现象等建立光的反射概念”“探究并了解光的反射定律”，过程与方法目标为“引导学生从实际情景中提取构建光的反射模型，尝试运用物理模型解释生活现象”;学科核心素养培养目标为“从实验探究中发展科学思维和科学探究能力，培育构建物理模型意识，形成相关物理观念，培养科学态度与责任”。从理论上分析，教材中的实验设计至少有两大优点：首先，以激光笔为光源，利用了激光方向性好、发散角小、亮度高等特点，有利于学生凭借肉眼观察;其次，可以绕ON折转的E、F两块板的设计非常巧妙，很容易得到“三线共面”的实验结论。但是，在课堂中操作该实验，受实验教具和人为操作技能等因素的影响，常常会出现以下问题：学生在课堂上通常需要很长时间才能在白色光屏上看到一条较为理想的光路;操作中较难实现白色光屏与镜面正垂直，且垂直状态不稳定;在入射角和反射角的测量中，需要用到量角器进行测量，测量不方便，数据有时并不准确;探究“三线共面”时，将白色光屏沿法线ON折转，由于反射光线被遮挡，学生较难理解“三线共面”这一光的反射规律。为此，与教材配套的沪粤版《物理教师教学用书》给出了一个如图2所示的实验装置改进建议：在激光笔前盖内出光口处横放一个长约6mm、直径约为4mm的圆玻璃柱小段（可从玻璃棒上截取），并旋紧前盖，如图2（1）（2）所示;然后让光透过玻璃柱从出光孔射出，光束即为扁束，如图2（3）所示。实验装置改进后，玻璃柱将单条光线变成了带状光束，虽然便于学生观察，但对刚开始接触几何光学的初二学生来说，这并不利于学生科学精神和科学探究意识的培养，毕竟该实验研究的是单条光线而不是一束光带。那么，怎样才能让光线既回归线状又能清晰呈现，并使原来较难呈现的光路变得更加立体且清晰可见呢？

二、从问题出发改良实验教具，大胆设计更为适合的实验方案

在物理实验教学中，教师创新设计实验方案和制作实验教具，必须以有利于实验教学目标的达成为唯一遵循，并据此强化学生在实验探究过程中的有意注意，关注学生物理知识、技能与物理学科核心素养多重培养目标的达成，在让学生获得相关科学知识与技能的基础上，切实培养学生的科学探究能力，发展学生的科学思维。

在“3.2 探究光的反射规律”一课中，鉴于教材及相应的《物理教师教学用书》中所设计的实验方案都存在实验教具不尽如人意的问题，我们决定利用生活中易得的简单器材，自制实验教具，为学生创新意识和科学态度的培养做出表率和示范。如今网购已经深入人们的生活，基于实验教学的需要，我们在网上选购了如图3所示的一批实验器材，并对其中的部分器材进行了适合实验使用的简单加工，包括：（1）喷雾器1个，可用于在三维立体空间中使光路清晰呈现;（2）顶端和侧壁共有3个直径为50mm开孔的亚克力半球1个，顶端开孔为法线预留，侧壁开孔可作为喷气孔，方便实验时形成相对封闭的空间，减少外界环境因素的干扰;（3）PVC板1块，上绘角度线，横向切割后可向后折叠，切割处用凤尾夹固定，其机械制图如图4（1）所示，固定部18-1与活动部18-2相铰接;（4）平面镜1个、激光笔3支;（5）光源支撑架1个，其机械制图如图4（2）所示，支撑杆15-1，导向机件15-2，转盘15-3，导向机件上设锁紧螺栓15-4，转盘上固定连接光源夹15-5。

为了达成实验教学的目标，我们创新设计实验方案，引导学生在探究光的反射规律的过程中，深刻体会尊重客观规律和实验数据的重要性，以此培养学生实事求是的科学态度。我们将以上实验器材如图5所示进行了组装，并用如图6所示的机械制图进行了更为清晰的呈现。在图6中：11为反射镜，即平面镜;12和13分别为反射光源和法线光源，均为激光笔;14为亚克力材料制成的半球罩;透明罩的一侧外立光源支撑架15-1，另一侧外立喷雾器16，分别与透明罩的两个侧壁开孔对应;透明罩14的顶端开设有法线光源13的安装孔，法线光源13通过中间开孔的橡胶塞17插入安装孔中;18为加工后的PVC板。

由上观之，我们从三个方面改良了实验教具：首先，补充完善教材中法线概念阐述的不完整性，借教具改良用更直观的实验方式引入法线概念，引导学生在实验过程中逐步感受和认识到法线的存在及其存在的意义;其次，改变白色光屏上一维光路操作的不稳定性，使之变为在三维立体空间中更为稳定、直观的呈现，借教具改良在立体空间中清晰地呈现光路，发展学生的空间想象力，加深学生对几何光学的认识和理解;最后，在传承原实验器材优点的同时，用PVC板替代白色光屏进行教具改良，通过将反射光线所在PVC板横向切割、只翻折上半部分，可以使学生在探究“三线共面”规律的过程中，清晰地看到在PVC板上半部分消失的反射光线在三维立体空间中所处的位置，从而有效突破了本课的学习难点。

三、基于教学目标达成需要，依据4+N教学模式创新设计物理实验教学方案

课堂教学是培育和发展学生核心素养的主渠道。在多年教学实践中，我们所创设的4+N教学模式对课堂教学质量的提升发挥了重要的作用。所谓4+N教学模式，“4”指的是提出目标、目标逐个达成、目标检测、小结提升与拓展4个基本教学环节;“N”指的是若干灵动的教学元素，是教师基于自身个性及学情需要在基本教学环节之中随机创设的教学情境、创新实验、有探索性的拓展思考题等。在实施“3.2 探究光的反射规律”实验教学的过程中，我们按照4+N教学模式的基本流程，将自制教具及相关实验设计与教材中的实验方案进行对比，设计并实施了3个对比性探究实验。我们还另外设计了一个关于镜面反射与漫反射的对比性探究实验，帮助学生克服相关的认知困难。

【对比性探究实验1】探究反射光线、入射光线、法线位置的关系。相关的实验设计如图7所示，其中图7（1）为教材中的实验设计，图7（2）为创新教具及实验方案。

要探究反射光线、入射光线和法线的位置关系，必然要引入法线的概念。我们遵循学生的认知规律，摒弃灌输式教学方式，通过直观实验引入“法线”，通过步步设问引导学生认识和感受“法线”的存在及其存在的意义，同时配合使用亚克力半球，减少外界气流的干扰，在立体空间中直观地呈现“反射光线和入射光线分别位于法线两侧”这一结论。

【对比性探究实验2】从测量的角度呈现反射角与入射角的关系。实验设计如图8所示，其中图8（1）为教材中的实验设计，图8（2）为创新教具及实验方案。

改进后的实验装置直接将量角器“放入”了已经清晰呈现的光路中，提高了实验效率，降低了实验操作的难度，使学生可以从定量的角度快速地讀出反射角与入射角的度数，发现二者之间的关系。

【对比性探究实验3】探究反射光线、入射光线和法线是否共面。实验设计如图9所示，其中图9（1）为教材中的实验设计，图9（2）为创新教具及实验方案。

改进后的实验装置有效突破了教材中不易达成的“三线共面”实验难点。因为有了亚克力半球的封闭环境，有效避免了外界气流的干扰，使教材原实验中在白色光屏上消失的反射光线清晰地呈现在了三维的立体空间当中。

【对比性探究实验4】探究镜面反射与漫反射，如图10所示，其中图10（1）为镜面反射，图10（2）为漫反射。

按照教材原实验，无法呈现镜面反射与漫反射现象，教师只能通过动画演示另外安排该知识点的学习。改进后的实验装置却可以通过实验轻松呈现镜面反射和漫反射现象。

在“3.2 探究光的反射规律”的教学中使用改进后的教学实验器材，实验操作更方便，实验现象更直观且更明显，有效激活了学生的创新思维，发展了学生的科学探究核心素养。本实验创新装置2021年获教育部举办的全国中小学优秀自制教具展评活动（教师类）二等奖，2020年获自治区教育厅举办的“第九届全区中小学优秀自制教具展评活动”（教师类）一等奖。本教具还获得了国家知识产权局颁发的实用新型专利证书（专利证书号：2021208968158）。我们的选手将该实验创新装置运用于4+N教学模式，参加自治区教育厅举办的2018年全区中小学实验教学说课活动获得了一等奖。由于本教具结合4+N教学模式在“探究光的反射规律”的课堂教学中教学效果特别明显，如今已在柳州市内及市外大面积推广。

参考文献

[1]中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准（2022年版）[S].北京：北京师范大学出版社，2022.

[2]蔡孝文，周新雅，周行，等.对沪粤版教材“金钥匙”栏目科学应用的分析[J].湖南中学物理，2018，33（3）：49-51.

注：本文系广西教育科学规划2021年度资助经费重点课题（A类）“核心素养下初中物理和化学4+N教学模式的实践与研究”（2021A067）的阶段研究成果。

作者简介：王海宇（1980— ），一级教师，主要研究方向为初中物理教学;黎雪（1970— ），高级教师，主要研究方向为初中物理、化学教学;莫海浪（1969— ），高级教师，主要研究方向为初中物理教学。

（责编 白聪敏）