基于深度学习的初中物理教学设计与实施①
——以“平面镜成像”教学为例

韦 丹 李建锋

(1.广东省深圳市龙岗区龙城高级中学教育集团宝龙外国语学校,广东 深圳 518172;2.广东省深圳市龙岗区龙城天成学校,广东 深圳 518172)

义务教育物理课程目标是培养学生的物理学科核心素养,要求学生能在各种复杂多变的、有意义的、开放的真实情境中,利用已有的知识与经验,通过不断实践、讨论、质疑和反思,解决各种复杂且陌生的问题。[1]物理深度学习具有指向物理观念的概念关联与意义建构、形成科学思维的质疑论证与推理建模、注重科学探究的活动设计与评估、触发评价体系的反思与体悟等特征。[2]深度学习是一种培养学生核心素养的有效途径,笔者以省级实验精品课“平面镜成像”为例,引导学生在实验中探究,在探究中构建,在构建中批判,在批判中迁移,在迁移中应用,切实培养学生的物理学科核心素养。

1 基于深度学习的“平面镜成像”教学设计

平面镜成像是生活中常见的物理现象,是在 “光的反射”后的学习内容,为“凸透镜成像”的学习提供必要的认知基础,起到承前启后的作用。教材给出的实验方案存在预设结论、刻意引导的痕迹,实验功能单一,其探究过程的思维容量较小,难以促使学生进入深度学习的状态。此外,教师往往直接告知平面镜成像的原理并要求学生进行程序化的作图训练,学生只停留在浅层学习阶段,不能深刻理解其原理。针对以上问题,笔者围绕“知识主线”“问题主线”“活动与评价主线”和“深度学习”,进行促进深度学习的教学设计(图1)。

图1

2 基于深度学习的“平面镜成像”教学实施

2.1 平面镜成像规律的探究

在真实的实验情境下,利用生成的课堂资源,提出探究任务,驱动学生深度思考:如何通过建构模型来探究平面镜成像的规律?

教学片段1

教师巡视指导学生的第一次分组实验,根据教材实验方案开展探究活动。提问:根据实验数据,你们有什么发现?

学生讨论、归纳:在一定实验误差范围内,像的大小与物的大小相等,像与物到镜面的距离相等,像与物的连线与镜面垂直。

教师引导学生分析实验数据的误差来源。提问:为什么实验中我们找到的像和物没有完全对称,我们如何改进实验来准确地找到像的位置呢?

学生讨论、分享:蜡烛A与B的体积较大,所以像的位置存在一定误差,可以通过缩小蜡烛体积来减小实验误差。

教师展示自制平面镜成像仪(图2),解释长杆LED点光源的原理,即任何一个发光物体可以认为由一个个点光源构成,将立体的蜡烛简化为一个点光源模型,探究像与物的位置关系。

图2

学生分组实验:改变长杆LED点光源从孔中伸出的长度,如图3所示,固定一个孔,使长杆LED点光源伸出长度为30 mm,眼睛在镜前观察,可看到LED灯在镜子后面的像,移动磁吸式标尺,直至与像完全重合,确定LED点光源的位置和磁性标识在铁杆上的位置。如果LED点光源伸出长度为 0 mm,可以移动小圆磁来探究像与物位置关系。移动LED灯,重做实验,将数据记录在表格中。

图3

设计意图：在完成教材实验探究后,教师引导学生分析实验误差来源,运用自制实验器材,引导学生主动构建点光源模型,由立体光源到点光源,为本节课平面镜成像的作图作了有效铺垫,符合深度学习指向物理观念的概念关联与意义建构的特征。

2.2 平面镜成虚像的验证

教师在讲授平面镜成虚像的原理时,必须将学生的经验与新知相联系,在新旧知识点间搭建好互相印证的桥梁,才能引导学生对新知识的意义进行有效建构,撬动深度学习。

教学片段2

教师提问:平面镜成的像是实像还是虚像呢?我们该如何探究?

学生选取合适的实验材料——光屏,通过实验现象分析,得出结论:平面镜成的是虚像,因为其所成的像无法用光屏承接。

教师展示课本的平面镜成像光路图,说明:平面镜成像的本质是光的反射。由于人眼总是认为光沿直线传播,所以虚像其实是由实际光线的反向延长线会聚而成的。

教师再次提问:能否通过实验确定像的位置并验证平面镜成像的规律?

学生小组操作、作图并展示,将平面镜安装在凹槽中且让其与垂直平面的“0”刻度线重合。在垂直平面上铺上坐标纸,将LED灯从其中一个孔伸出1 mm,利用两只激光器模拟LED灯发出的两条入射光线(图4),根据光路在坐标纸上画出入射点和两条反射光线(图5),画出反射光线的反向延长线的交点,确定像的位置。改变LED灯的位置,重做实验,记录多组数据,比较物与像的位置关系,进而验证平面镜成像的规律。

图4

图5

教师演示实验,在前面实验的基础上直接用激光重现反射光线的反向延长线,通过延长线的交点确定像的位置,比较像与物的位置关系(图6)。

图6

设计意图：教师引导学生探究平面镜成虚像的原理,然后让学生利用自制实验器材从平面镜成像原理逆向验证平面镜成像的规律,培养了学生运用逆向思维解决实际问题的能力。该环节使学生的经验与新知识相互关联、支撑,既锻炼了学生的动手能力,又培养了学生分析和解决问题的能力,符合深度学习的迁移与应用的特征。

2.3 平面镜成像实验的拓展

基于实验解决生活中的真实问题,能促使学生在深度思考中提高核心素养,而平面镜成像实验的拓展为学生科学思维和创新意识的培养提供了很好的平台。

教学片段3

教师提问:如果平面镜与底板不垂直,会有什么现象?

学生进行小组实验探究,进行交流:通过调节旋钮改变左侧底板与镜面的夹角,右侧底板保持与镜面垂直。将发光的蜡烛竖立在左侧底板上(图7),发现无论怎么镜子后方的蜡烛都无法与前者所成的像重合。将右侧底板调节到其与镜面的夹角跟左侧底板与镜面的夹角一样时,才能使右侧底板上的蜡烛与镜子所成的像重合(图8)。比较此时物与像的位置和大小关系,可再次验证平面镜成像的规律。

图7

图8

教师提问:为什么小汽车的挡风玻璃是倾斜的?

学生回答:为了使像不成在司机正前方,如果像成在司机正前方会导致司机看不清前方景象,容易引起交通事故。

设计意图：通过设置情境,联系生活,利用挡风玻璃的设计原理持续激发学生的学习兴趣,体现了“从生活走向物理,从物理走向社会”的课程理念,实验探究的拓展也给学生提供了运用物理知识解决实际问题的机会,彰显了深度学习的迁移与应用的特征。

3 总结与反思

本节课利用自制的创新实验器材促进学生深度学习,首先通过创设生活情境,引发学生深度思考平面镜成像的原理,强调理解与批判,让学生积极参与课堂教学。接着引导学生运用平面镜成像的原理拓展实验探究,旨在关注概念的关联与意义建构,发展学生的科学思维。最后创设挡风玻璃的生活情境,引导学生运用物理知识解决实际问题,重在迁移与应用,拓宽深度学习的广度。