基于問題引領的“凹面鏡”課堂教學設計

何艷陽

(北京市北達資源中學,北京 100871)

問題意識和質疑精神是學生終身發展的重要能力,加強問題意識和質疑精神的培養,是對學生進行核心素養培養的主要途徑.本文“問題引領”中的“問題”既包括教師設置的問題,也包括學生在學習過程中生成的問題.關注學生在課堂上的認知狀態、尊重學生的認知過程、尊重學生的發展及創新能力,以學生的問題引領教學活動,讓學生在交流質疑中培養科學思維,質疑創新的能力.教師在這個過程中引導學生進行探究、對問題追根溯源、解決問題并生成新的問題.

結合初中學生特點,創設有趣的問題情境,讓學生在“玩中學”,在玩中發現問題、進行模型建構、生成可探究的科學問題、實驗探究得出結論.教師要鼓勵學生從不同角度提出問題和分析問題,突出解決問題的思路和方法,培養批判性思維、質疑和創新精神;教師要引導學生對問題層層深入,抽絲剝繭,通過學生親自實驗,在實驗探究中觀察、體驗、總結實驗結論,從而獲得成功的喜悅;教師要鼓勵學生在研究中不斷生成新問題,并用所學知識去解決實際生活中的問題,將科學、技術、社會相聯系,培養創新精神和實踐能力.讓學生“在玩中進行質疑并親自實驗釋疑”是培養學生問題意識和質疑精神,提高學生核心素養的有效途徑.

1 教學背景和設計意圖

“凹面鏡”的內容在各版本的教材中,基本都在“平面鏡”學習后的“閱讀材料”中提到,閱讀材料中給出了凹面鏡對光線的會聚作用以及一些生活中的應用.由于不是“課標”要求,教學中對這部分內容不做要求.但是結合學生特點,在教材的基礎上深入挖掘,對學生進行知識和能力的拓展還是很有必要的.這個內容的學習可以在課堂中進行,也可以在科學實踐課或課外活動中進行.

這節課筆者安排在了光學學習結束之后進行.學生此時已經學習了平面鏡成像特點和成因、凸透鏡成像規律及成因,知道了實像和虛像的判斷方法.有能力進行深入學習和探究,并能進行方法的遷移和應用.可以讓學生在已有知識的基礎上,通過親自實驗認識凹面鏡對光線的作用,并獲得更深層次的認知.

本節課的內容與數學里的平行線、球面、拋物面等知識有聯系,可以將數學知識與物理很好的融合,又要恰到好處,適合學生的認知水平.學生在數學學習中沒有學過拋物面和球面等知識,相關內容可以在“閱讀材料”中拓展.如果有凸透鏡成像規律的作圖基礎,凹面鏡成像規律也可以在課后進行了解.

在本節課的設計中盡量能滲透以下方面:模型建構、質疑創新、科學技術社會與環境的聯系等.在交流質疑中滲透科學思維,質疑創新的培養.對學生進行科學態度與責任的培養,關注“科技的兩面性”,在科學與技術應用于社會中,要注重環境、倫理等方面的影響.

2 問題引領的教學過程

問題1:玩具中的像是實像還是虛像?

課堂上首先發給學生一個玩具:兩塊可以對扣在一起的凹面鏡,其中一個凹面鏡中間挖有一個洞,還有一個塑膠制品的“小青蛙”.要求學生自己組合玩具并觀察現象,在玩玩具的過程中思考:你看到了什么?描述你看到的現象?你想到了什么?你打算做什么?

圖1

學生們將“小青蛙”放置在下面的凹面鏡中間,然后扣上帶有孔的凹面鏡,卻發現小青蛙趴到了口的上面,用手去觸摸卻摸不到,原來是青蛙的像(圖1).學生小組討論后提出了一些問題:這個小青蛙的像是實像還是虛像?這個像是怎么形成的?等等.

此時筆者讓學生猜測是實像還是虛像.很多學生說是虛像,因為用手摸不著.此時我鼓勵學生提出第一次質疑:用手摸不著就是虛像嗎?學生們開始討論起來,有的學生表達了觀點:實像也摸不著.

問題2:光屏接收不到的一定是虛像嗎?

在這里復習判斷實像和虛像的方法: (1) 光屏接收；(2) 看其是否是實際光線會聚成的像.筆者讓學生拿著白紙試著接收一下,這時幾乎所有的學生都回答:接收不到,所以是虛像.此時筆者鼓勵學生提出第二次質疑:接收不到就肯定是虛像嗎?有沒有可能有其他原因,比如實驗條件的問題?學生又討論起來.筆者提醒學生前面我們學過的平面鏡成像規律和凸透鏡成像規律中所使用的物體為什么用蠟燭或燈板?學生馬上明白了,如果小青蛙能發光就好了.此時我告訴學生:在青蛙的身上藏有一個小開關,打開開關青蛙就被照亮了,重新做上面實驗看一看.這時的學生們情緒被調動起來,迫切的做起實驗來.再次實驗后,已經能夠在白紙上接收到小青蛙的像了.

問題3:玩具中成實像的原因是什么?

通過剛剛的實驗,我們發現玩具中看到的像不是虛像,而是實像.因為跟之前的觀點發生了較大的認知沖突,有些學生還是半信半疑.看來單憑這一個證據還不能完全讓大家信服.此時我鼓勵學生提出第3次質疑:光屏能接收,所以是實像.可這個實像是怎么形成的?凹面鏡為什么能成實像?

圖2

這就需要我們從認識凹面鏡對光線的作用開始.接下來學生通過實驗探究凹面鏡對光線的會聚作用(圖2),并畫出實驗現象圖.

問題4:如果沒有做實驗,能根據已有知識分析出凹面鏡對光線的作用嗎?

引導學生討論,凹面鏡為什么對平行光有會聚作用?將凹面鏡拆分成若干小份后什么樣?通過作圖分析,拆分了若干小份的每一塊相當于一個小平面鏡,根據反射定律作圖即可得出凹面鏡對光線的會聚作用了.

問題5:凹面鏡可以分割成很多的小平面,很多的小平面鏡可以組合成凹面鏡嗎?

在這里滲透拆分和組合的思想,并進一步將凹面鏡對光線的會聚作用從二維平面到三維立體空間:怎樣才能在立體空間中看到凹面鏡的會聚作用?

筆者提前找來了家中做飯的鍋蓋作為支架,利用組合的思想,將很多的小平面鏡貼在鍋蓋上組成一個大型凹面鏡.再用激光筆組成的圓柱形激光柱發出平行光束,用塑料圓筒和煙霧顯示光路,學生們從立體空間看到了凹面鏡對光線的會聚作用,感覺非常震撼和神奇(圖3).這時的課堂氣氛進入了新的高潮.

圖3

問題6:凹面鏡在生活中有哪些應用?

學生列舉了一些凹面鏡在生活中的應用,包括天文望遠鏡等.筆者也用圖片展示給學生貴州的fast天文望遠鏡、甘肅敦煌市的亞洲最大的太陽能光熱發電項目等等也是由很多的平面鏡組成的,它能將更多的信息或能量聚集.這個環節的安排擴展了學生視野,同時也在這里對學生進行科學態度與責任的核心素養教育,關注“科技的兩面性”,在科學與技術應用于社會中,要注重環境、倫理等方面的影響.

問題7:能根據凹面鏡對光線的會聚作用,嘗試畫出前面玩具中成實像的成因嗎?

圖4

問題環節后,引導學生回到了前面提出的問題:玩具中的實像是怎樣形成的?能否根據凹面鏡對光線的會聚作用嘗試畫出原理圖?學生經過討論大致畫出了原理圖.最后我再把玩具說明書中的原理圖展示給他們看(圖4),原來小青蛙所在位置在上面扣著的凹面鏡的焦點處,從它射向上面凹面鏡的光線平行射向下面的凹面鏡,又會聚到下面凹面鏡的焦點即小口的上方,形成了實像.

問題8:根據這個玩具,你還有哪些奇思妙想?

這時筆者鼓勵學生仿照這個玩具,展開想象的翅膀,能做點什么.學生經過小組討論后表達自己的想法,有的學生說把小青蛙所在的位置放置一個播放器,就能夠在上面空間出現3D動畫,演示一個空中的動態全息圖了.還有的學生說為科技館設計一個更大的類似的展臺,立體空間出現物體……可以說這時的學生的創新思維已經把課堂推向另一個高潮.

問題9:凹面鏡是球面鏡還是拋面鏡?

在課堂的最后,筆者發給學生一份閱讀材料,有關“凹面鏡是球面還是拋物面,球面鏡偽焦點問題和拋面鏡真焦點問題”等.學生帶著收獲的滿足和新的問題走出教室.

這節凹面鏡的教學,雖然看上去是教材不要求的,但從始至終都是將學生的已有知識與拓展內容融合在一起,做到舊知識的深化和延伸,培養學生在新情景下運用已有知識去解決新問題的能力.在這個過程中,教師的巧妙引導對學生學會質疑和創新有著關鍵作用,尊重學生的認知狀態,活動層層遞進,引導學生找證據,在實證證據基礎上,讓學生發揮想象力.特別是教會學生,做出科學的判斷需要多方面證據的支持,多角度去思考問題.這樣的課程,能多方面的培養學生的核心素養和關鍵能力.