论文部分内容阅读
《义务教育物理课程标准（2011版）》明确指出：“科学探究既是学生的学习目标，又是重要的教学方式。”初中物理科学探究的形式多种多样，有在课堂内的实验探究教学、课外的实验探究活动、社会调查活动等多种形式。课内实验探究教学，是学生在教师的指导下，采用实验的手段，用类似于科学家进行科学探究的研究方式来获取知识、发展能力、形成正确的科学态度和价值观。笔者在近十年的初中物理教研工作中，一直致力于课堂内实验探究教学的研究与指导，2012年带领我市部分骨干教师进行了《初中物理实验探究教学有效性的研究》的课题立项，进行专题研究。本文以《光的反射》中探究“反射定律”两段教学实录为案例，从实验探究的部分要素出发，分析了实验探究教学的有效实施。
1提出问题
案例1教师演示实验：在充满烟雾的玻璃鱼缸的底部放一面小镜子，鱼缸顶部用塑料膜盖住。教师将激光笔发出的一束激光斜射到玻璃鱼缸底部的小镜子上，学生观察到光的传播径迹。
教师板画出反射面、入射光线、反射光线，介绍法线、入射角、反射角的概念。
教师：光反射时，反射光遵循什么规律呢？请同学们猜想一下。
案例2小游戏：教师用发出星星图案激光的激光笔向下射向镜子，会在天棚形成星星图案。并邀请同学们用手中的激光笔也像教师一样照向镜子，并使光点能汇聚到星星图案上。
教师：为什么我们刚才把一束激光向下照射，光束却射向了天棚？
学生：镜子反射光。
教师：正确！光射到两种介质的分界面时，会改变传播方向，又返回原来介质中的现象叫光的反射。那么在发生反射时，反射光线沿什么方向射出呢？
分析：案例1中，引课时，教师的演示实验清晰地呈现了光的传播径迹，直观性很强。接着教师将空间的两条光线以平面的形式呈现在黑板上，并介绍法线、入射角、反射角等概念。然后提出的问题是：反射时，反射光遵循什么规律呢？这个问题很大，到底什么是规律不是很明确。
案例2中，教师在小游戏后，根据学生的经验直接引出反射现象。没有介绍法线、入射角、反射角的概念。提出的问题是：反射时，反射光线沿什么方向射出呢？问题比较具体，明确了反射光线的传播方向，也就回答了反射定律。
实验探究的过程都是围绕着所探究的问题展开的，有了正确、具体的探究问题，才能使探究过程具有明确的方向，使探究能沿着正确的方向一步一步走下去，可以说提出问题是实验探究的核心，能够提出一个科学的、可具体操作的探究问题是关键。教学中应注意引导学生从科学的、可探究的角度提出问题，培养学生创造性思维。
2猜想与假设
案例1
……
学生甲：我认为反射角等于入射角。
学生乙：我认为反射光线、入射光线与法线在同一平面内。
学生丙：我认为反射光线与入射光线分局于法线两侧。
教师：很好，还有没有其他的猜想了。
学生丁：我认为反射光线与镜面的夹角等于入射光线与镜面的夹角。
案例2没有猜想这一过程。
分析案例1中，学生甲、乙、丙猜想的就是光的反射定律的内容，学生丁猜的也是反射角与入射角关系的变形。这些猜想能够帮助探究者明确了探究的方向，可以使探究沿着这个方向进行下去，也为收集信息、分析和解释信息提供了一个大致的框架。从这个角度来说本案例的猜想是合适的、准确的。如果从发展学生思维的角度来说，这些猜想有所欠缺，给人整体的感觉是知道了反射定律的内容，按照反射定律的表述进行猜想，后续的就是动手验证一下光的反射定律。和课改前的验证性实验比较类似，缺少探究感。
案例2中，由于问题比较清晰，教学中没有进行猜想这个要素的教学。
笔者认为猜想与假设要素，并非每个实验探究都需要有。例如在探究某个物理量与哪些因素有关的实验中，猜想与假设必不可少的，若没有猜想就没有探究的方向，探究无法进行下去。而有些探究则可以没有猜想的过程。
3设计实验
案例1
……
教师：实践是检验真理的唯一标准，下面我们就通过实验验证我们的猜想。
请同学们思考，如何看到光的传播径迹，并把它们描述出来？如何验证反射光线与入射光线是否在同一平面内？
（学生小组合作、谈论、交流）
学生：可以将激光笔贴在硬纸板上，从硬纸板上看入射光线和反射光线。将硬纸板沿着法线对折，可以观察二者是否在同一平面。
教师：很好。如何验证反射角与入射角的关系呢？
学生：改变入射角，观察反射角是否等于入射角。
教师：请同学们设计出记录实验数据的表格。
学生小组交流、设计表格。
[HT6][JZ]表1
[BG（！][BHDFG2，WK5，K5，K5，K5，K5W]
实验次数[]入射角/°[]反射角/°[]是否分居[]是否共面
[BHD]1[]20[BH]2[]40[BH]3[]60[BG）F]
案例2教师用拿出两根毛衣针，一根毛衣针代替入射光线，另一根毛衣针表示反射光线，讲桌桌面代替反射面。
教师：要描述反射光线沿什么方向射出，即描述反射光线在空间里的位置，就要解决反射光线的俯仰问题（改变代替反射光线的毛衣针与桌面的夹角，也就是在同一个竖直面上旋转毛衣针）和旋转问题（保持代替反射光线的毛衣针与镜面的夹角不变，水平旋转毛衣针），为此必须先确定参照物，请同学们思考，若以平面作为参照物，应该选择什么样的平面能较好地描述出反射光线的空间位置呢？
学生小组合作、讨论、展示。
学生：若研究反射光线的俯仰问题，可以选择反射面作为参照面；研究反射光线的旋转问题，可以选择入射光线所在的，且与反射面垂直的平面。 老师：非常棒！（动画展示两个参照面）那么如何将入射光线和反射光线物化呢？
引导学生尝试将激光笔固定在硬纸板上，在硬纸板上呈现出清晰的光线。
老师：实验中只要我们找到反射光线，测量出反射光线与这两个平面的夹角，就可确定反射光线的空间位置。为了使实验具有普遍性，应该做几次实验呢？
学生：三、四次。
老师：正确，请各实验小组设计记录实验数据的表格，注意项目、次数、自变量的预设等问题。
学生设计，教师巡视、反馈、展示。
投影展示表格：∠1：入射光线与反射面的夹角；∠2：反射光线与反射面的夹角；∠3：反射光线与入射光线所在的、与反射面垂直的平面的夹角。
[JZ][HT6]表2[BG（！][BHDFG2，WK5，K5＼。3W]实验次数[]∠1/°[]∠2/°[]∠3/°
[BHD]1[]20[BH]2[]40[BH]3[]60[BG）F]
分析两个案例中，教师都根据各自的探究问题，与学生共同从实验器材的选择、应该收集的信息、实验的次数、自变量的预设等方面进行设计实验方案。案例1从验证的角度入手，台阶低，学生的思维较易进入，又由于人教版物理八年级上册（以下简称教科书）中也介绍了相似的探究方法，学生在这个环节缺少锻炼机会。案例2对学生的思维是个冲击，因为教科书中没有该探究方案，学生完全根据探究问题，思考应该收集什么信息能准确表达出问题，能够培养学生分析问题和解决问题的能力。案例2需要学生的能力较强，设计的难度大。
4分析与论证
案例1学生展示自己的实验收集到的信息。
[JZ][HT6]表3
[BG（！][BHDFG2，WK5，K5＼。4W]
实验次数[]入射角/°[]反射角/°[]是否分居[]是否共面
[BHD]1[]20[]20[]是[]是
[BH]2[]40[]40[]是[]是
[BH]3[]60[]60[]是[]是[BG）F]
教师：请同学们根据自己的实验数据，得出探究的结论。
学生：由表格中信息可知：光反射时，反射角等于入射角；反射光线、入射光线和法线在同一平面内；反射光线与入射光线分居法线两侧。
……
案例2学生展示自己的实验收集到的信息。
∠1：入射光线与反射面的夹角；∠2：反射光线与反射面的夹角；∠3：反射光线与入射光线所在的、与反射面垂直的平面的夹角。
[JZ][HT6]表4[BG（！][BHDFG2，WK5，K5＼。3W]实验次数[]∠1/°[]∠2/°[]∠3/°
[BHD]1[]20[]20[]0
[BH]2[]40[]40[]0
[BH]3[]60[]60[]0[BG）F]
教师：根据实验数据，怎样描述我们探究的问题：光反射时，反射光线沿什么方向射出呢？
学生：可以得出：反射光线与镜面的夹角等于入射光线与镜面的夹角；发射光线与入射光线在同一平面内，且这个平面垂直于反射面。
（其他表述，意思正确也可）
教师根据学生的表述，先正确画出一个反射光路；接着画一幅光路图，一条倾斜的入射光线射到水平放置的镜面上，将反射光线故意画成与入射光线重合。
教师：若两条光线重合也符合上述的结论，看来我们得出的结论还不够完善，如何补充呢？
学生：若光是斜着入射的，反射光线与入射光线不重合。
大屏幕展示出学生的说法不同，意思相同的结论。
教师：同学们想一想，实验中，反射面是真实存在的，但我们虚拟了另一个平面，即入射光线所在的且与反射面垂直的平面，如果我们虚拟一条线段，用这条线段与入射光线所在的平面来代替入射光线所在的且与反射面垂直的平面，这条线段应该具有什么特点呢？
学生讨论回答：过入射点且与反射面垂直的线段。
师：真棒！今天你们经历了类似科学家的探究过程，科学家们就把这条线段叫做法线。
教师板画出法线。
教师：有了法线，我们会发现与其研究两条光线与反射面的夹角，不如研究两条光线与法线的夹角，这两个角离的很近是不是？
学生：对呀！
教师介绍入射角、反射角。
教师：下面我们再利用法线，将刚才得到的探究结论更精炼地表述一下！
学生：光反射时，反射光线、入射光线与法线在同一平面内；反射光线与入射光线分居法线两侧；反射角等于入射角。
教师：现在我们发现没有比这种表述更精炼、更科学吧？这就是光的反射定律。
板书反射定律。
分析案例1中，学生对收集的信息进行分析，很容易得出探究结论。这种教学设计很常规，按部就班、有条不紊地完成预设的实验探究，验证成分远大于探究能力的培养。
案例2，是对教科书的一种处理，既体现了教科书中后引入法线的思想，也丰富了探究能力的培养。学生根据对信息进行分析，无法得出反射定律的内容，却能够表述出反射光线沿什么方向射出，即完成了实验探究。根据对探究结论的补充和完善得出光的反射定律。
案例2的教学，学生不仅通过实验探究获取物理知识，也经历了与科学家类似的探究活动，发展了探究能力，更能体验到探究的乐趣，养成实事求是的科学态度。
总之，笔者认为实验探究教学是初中物理教学的精髓所在，能够在平日的课堂真正地进行探究，在探究教学中不仅要注重探究的结果，而且要注重探究的过程，就能很好地落实课程标准标准中对学生科学探究能力提出的基本要求。对实验探究教学的认识，我们从摸着石头过河到今天的逐步完善。研无止境，我们今天的认识就是明天更上一层楼的基石！
【辽宁省教育科学“十二五”规划2012年度《初中物理实验探究教学有效性研究》课题（课题批准号：JG11CB053）成果】
1提出问题
案例1教师演示实验：在充满烟雾的玻璃鱼缸的底部放一面小镜子，鱼缸顶部用塑料膜盖住。教师将激光笔发出的一束激光斜射到玻璃鱼缸底部的小镜子上，学生观察到光的传播径迹。
教师板画出反射面、入射光线、反射光线，介绍法线、入射角、反射角的概念。
教师：光反射时，反射光遵循什么规律呢？请同学们猜想一下。
案例2小游戏：教师用发出星星图案激光的激光笔向下射向镜子，会在天棚形成星星图案。并邀请同学们用手中的激光笔也像教师一样照向镜子，并使光点能汇聚到星星图案上。
教师：为什么我们刚才把一束激光向下照射，光束却射向了天棚？
学生：镜子反射光。
教师：正确！光射到两种介质的分界面时，会改变传播方向，又返回原来介质中的现象叫光的反射。那么在发生反射时，反射光线沿什么方向射出呢？
分析：案例1中，引课时，教师的演示实验清晰地呈现了光的传播径迹，直观性很强。接着教师将空间的两条光线以平面的形式呈现在黑板上，并介绍法线、入射角、反射角等概念。然后提出的问题是：反射时，反射光遵循什么规律呢？这个问题很大，到底什么是规律不是很明确。
案例2中，教师在小游戏后，根据学生的经验直接引出反射现象。没有介绍法线、入射角、反射角的概念。提出的问题是：反射时，反射光线沿什么方向射出呢？问题比较具体，明确了反射光线的传播方向，也就回答了反射定律。
实验探究的过程都是围绕着所探究的问题展开的，有了正确、具体的探究问题，才能使探究过程具有明确的方向，使探究能沿着正确的方向一步一步走下去，可以说提出问题是实验探究的核心，能够提出一个科学的、可具体操作的探究问题是关键。教学中应注意引导学生从科学的、可探究的角度提出问题，培养学生创造性思维。
2猜想与假设
案例1
……
学生甲：我认为反射角等于入射角。
学生乙：我认为反射光线、入射光线与法线在同一平面内。
学生丙：我认为反射光线与入射光线分局于法线两侧。
教师：很好，还有没有其他的猜想了。
学生丁：我认为反射光线与镜面的夹角等于入射光线与镜面的夹角。
案例2没有猜想这一过程。
分析案例1中，学生甲、乙、丙猜想的就是光的反射定律的内容，学生丁猜的也是反射角与入射角关系的变形。这些猜想能够帮助探究者明确了探究的方向，可以使探究沿着这个方向进行下去，也为收集信息、分析和解释信息提供了一个大致的框架。从这个角度来说本案例的猜想是合适的、准确的。如果从发展学生思维的角度来说，这些猜想有所欠缺，给人整体的感觉是知道了反射定律的内容，按照反射定律的表述进行猜想，后续的就是动手验证一下光的反射定律。和课改前的验证性实验比较类似，缺少探究感。
案例2中，由于问题比较清晰，教学中没有进行猜想这个要素的教学。
笔者认为猜想与假设要素，并非每个实验探究都需要有。例如在探究某个物理量与哪些因素有关的实验中，猜想与假设必不可少的，若没有猜想就没有探究的方向，探究无法进行下去。而有些探究则可以没有猜想的过程。
3设计实验
案例1
……
教师：实践是检验真理的唯一标准，下面我们就通过实验验证我们的猜想。
请同学们思考，如何看到光的传播径迹，并把它们描述出来？如何验证反射光线与入射光线是否在同一平面内？
（学生小组合作、谈论、交流）
学生：可以将激光笔贴在硬纸板上，从硬纸板上看入射光线和反射光线。将硬纸板沿着法线对折，可以观察二者是否在同一平面。
教师：很好。如何验证反射角与入射角的关系呢？
学生：改变入射角，观察反射角是否等于入射角。
教师：请同学们设计出记录实验数据的表格。
学生小组交流、设计表格。
[HT6][JZ]表1
[BG（！][BHDFG2，WK5，K5，K5，K5，K5W]
实验次数[]入射角/°[]反射角/°[]是否分居[]是否共面
[BHD]1[]20[BH]2[]40[BH]3[]60[BG）F]
案例2教师用拿出两根毛衣针，一根毛衣针代替入射光线，另一根毛衣针表示反射光线，讲桌桌面代替反射面。
教师：要描述反射光线沿什么方向射出，即描述反射光线在空间里的位置，就要解决反射光线的俯仰问题（改变代替反射光线的毛衣针与桌面的夹角，也就是在同一个竖直面上旋转毛衣针）和旋转问题（保持代替反射光线的毛衣针与镜面的夹角不变，水平旋转毛衣针），为此必须先确定参照物，请同学们思考，若以平面作为参照物，应该选择什么样的平面能较好地描述出反射光线的空间位置呢？
学生小组合作、讨论、展示。
学生：若研究反射光线的俯仰问题，可以选择反射面作为参照面；研究反射光线的旋转问题，可以选择入射光线所在的，且与反射面垂直的平面。 老师：非常棒！（动画展示两个参照面）那么如何将入射光线和反射光线物化呢？
引导学生尝试将激光笔固定在硬纸板上，在硬纸板上呈现出清晰的光线。
老师：实验中只要我们找到反射光线，测量出反射光线与这两个平面的夹角，就可确定反射光线的空间位置。为了使实验具有普遍性，应该做几次实验呢？
学生：三、四次。
老师：正确，请各实验小组设计记录实验数据的表格，注意项目、次数、自变量的预设等问题。
学生设计，教师巡视、反馈、展示。
投影展示表格：∠1：入射光线与反射面的夹角；∠2：反射光线与反射面的夹角；∠3：反射光线与入射光线所在的、与反射面垂直的平面的夹角。
[JZ][HT6]表2[BG（！][BHDFG2，WK5，K5＼。3W]实验次数[]∠1/°[]∠2/°[]∠3/°
[BHD]1[]20[BH]2[]40[BH]3[]60[BG）F]
分析两个案例中，教师都根据各自的探究问题，与学生共同从实验器材的选择、应该收集的信息、实验的次数、自变量的预设等方面进行设计实验方案。案例1从验证的角度入手，台阶低，学生的思维较易进入，又由于人教版物理八年级上册（以下简称教科书）中也介绍了相似的探究方法，学生在这个环节缺少锻炼机会。案例2对学生的思维是个冲击，因为教科书中没有该探究方案，学生完全根据探究问题，思考应该收集什么信息能准确表达出问题，能够培养学生分析问题和解决问题的能力。案例2需要学生的能力较强，设计的难度大。
4分析与论证
案例1学生展示自己的实验收集到的信息。
[JZ][HT6]表3
[BG（！][BHDFG2，WK5，K5＼。4W]
实验次数[]入射角/°[]反射角/°[]是否分居[]是否共面
[BHD]1[]20[]20[]是[]是
[BH]2[]40[]40[]是[]是
[BH]3[]60[]60[]是[]是[BG）F]
教师：请同学们根据自己的实验数据，得出探究的结论。
学生：由表格中信息可知：光反射时，反射角等于入射角；反射光线、入射光线和法线在同一平面内；反射光线与入射光线分居法线两侧。
……
案例2学生展示自己的实验收集到的信息。
∠1：入射光线与反射面的夹角；∠2：反射光线与反射面的夹角；∠3：反射光线与入射光线所在的、与反射面垂直的平面的夹角。
[JZ][HT6]表4[BG（！][BHDFG2，WK5，K5＼。3W]实验次数[]∠1/°[]∠2/°[]∠3/°
[BHD]1[]20[]20[]0
[BH]2[]40[]40[]0
[BH]3[]60[]60[]0[BG）F]
教师：根据实验数据，怎样描述我们探究的问题：光反射时，反射光线沿什么方向射出呢？
学生：可以得出：反射光线与镜面的夹角等于入射光线与镜面的夹角；发射光线与入射光线在同一平面内，且这个平面垂直于反射面。
（其他表述，意思正确也可）
教师根据学生的表述，先正确画出一个反射光路；接着画一幅光路图，一条倾斜的入射光线射到水平放置的镜面上，将反射光线故意画成与入射光线重合。
教师：若两条光线重合也符合上述的结论，看来我们得出的结论还不够完善，如何补充呢？
学生：若光是斜着入射的，反射光线与入射光线不重合。
大屏幕展示出学生的说法不同，意思相同的结论。
教师：同学们想一想，实验中，反射面是真实存在的，但我们虚拟了另一个平面，即入射光线所在的且与反射面垂直的平面，如果我们虚拟一条线段，用这条线段与入射光线所在的平面来代替入射光线所在的且与反射面垂直的平面，这条线段应该具有什么特点呢？
学生讨论回答：过入射点且与反射面垂直的线段。
师：真棒！今天你们经历了类似科学家的探究过程，科学家们就把这条线段叫做法线。
教师板画出法线。
教师：有了法线，我们会发现与其研究两条光线与反射面的夹角，不如研究两条光线与法线的夹角，这两个角离的很近是不是？
学生：对呀！
教师介绍入射角、反射角。
教师：下面我们再利用法线，将刚才得到的探究结论更精炼地表述一下！
学生：光反射时，反射光线、入射光线与法线在同一平面内；反射光线与入射光线分居法线两侧；反射角等于入射角。
教师：现在我们发现没有比这种表述更精炼、更科学吧？这就是光的反射定律。
板书反射定律。
分析案例1中，学生对收集的信息进行分析，很容易得出探究结论。这种教学设计很常规，按部就班、有条不紊地完成预设的实验探究，验证成分远大于探究能力的培养。
案例2，是对教科书的一种处理，既体现了教科书中后引入法线的思想，也丰富了探究能力的培养。学生根据对信息进行分析，无法得出反射定律的内容，却能够表述出反射光线沿什么方向射出，即完成了实验探究。根据对探究结论的补充和完善得出光的反射定律。
案例2的教学，学生不仅通过实验探究获取物理知识，也经历了与科学家类似的探究活动，发展了探究能力，更能体验到探究的乐趣，养成实事求是的科学态度。
总之，笔者认为实验探究教学是初中物理教学的精髓所在，能够在平日的课堂真正地进行探究，在探究教学中不仅要注重探究的结果，而且要注重探究的过程，就能很好地落实课程标准标准中对学生科学探究能力提出的基本要求。对实验探究教学的认识，我们从摸着石头过河到今天的逐步完善。研无止境，我们今天的认识就是明天更上一层楼的基石！
【辽宁省教育科学“十二五”规划2012年度《初中物理实验探究教学有效性研究》课题（课题批准号：JG11CB053）成果】