“光的传播路径可视化”系列实验的设计与应用

郑雪梅 李伟臣

“了解光的直线传播现象。”“了解平面镜或放大镜可以改变光的传播路线。”这是现行课程标准中有关光的传播内容教学的基本要求。由于光的传播路径不可见，在具体教学过程中，大家通常都会利用“转换法”设计一些实验，即在空气、水中充人一些杂质形成胶体，切实让学生借助“丁达尔效应”看到光的传播路径，为学生初步建构有关光传播的概念提供典型的科学事实。

光与色、光的传播、光的反射、光的折射等是一组需要学生探究的、与光有关的内容。十余年来，我们一直在尝试借鉴相关成功经验，努力将“光的传播路径可视化”实验形成系列，灵活运用于教学，收到较好的效果。

一、“光的传播路径可视化”系列实验的设计

（一）设计系列实验的意义

系列化的实验设计有助于学生在充分感知光沿直线传播现象、建构相应科学概念的基础上，在相对熟悉的实验情境下，通过实验材料的细微调整，相继感知光的反射和折射现象并初步建构概念。希望学生发现光遇到障碍物反射回来的光同样是沿直线传播的，光从空气进入水（或从水进入空气）发生折射后的光依然是沿直线传播的。

与相对独立的“光的传播路径可视化”实验相比，利用系列化的实验有助于学生通过典型的科学事实，认识光的直线传播、反射、折射等概念之间的内在联系，从而更好地理解和运用概念。

（二）设计系列实验的原则

我们在“光的传播路径可视化”系列实验的设计过程中，努力体现经济、实用、安全原则。经济主要指实验器材的低成本；实用主要指实验装置操作方便，实验效果明显；安全主要指确保不出现伤害事故。

我们认为，只有体现了经济、实用、安全的原则，系列实验才能彰显自身特色，具有普适性。

（三）设计系列实验的方法

1．实验器材的选择

基于既定的设计系列实验的原则，我们所选择的实验器材有的是实验室的已有器材，如带盒盖的透明水槽（浮力实验盒）、塑料水槽、激光笔、香、火柴等；有的是特别购置的低值耗材，如用于记录的透明胶片、黑卡纸、记号笔、直尺、小夹子等；还有的是教师自己寻找的替代品，如自行车条、香座（泡沫块儿）、香皂头之类。

2．实验器材的加工

在“光的传播路径可视化”系列实验中，唯一需要再加工的器材就是透明水槽（参见图3）。为了改进观察效果，需要在水槽的长宽各一侧贴上黑色卡纸。为了学生能真实记录观察到的实验现象，需要在透明水槽未贴卡纸的较长一侧上下各粘贴一个卡槽。使用时，学生可以将透明胶片沿卡槽置于水槽的侧面，直接在透明胶片上沿可视的光的传播路径描关键点，取下透明胶片后再将关键点连成线。两处特别的加工，既保障了观察效果，又能限制学生只能从侧面观察光的传播路径，确保学生的眼睛免遭激光笔的误照射。

3．实验器材的组合

如何将上述器材组合起来形成系列实验呢？表1清楚地说明了系列实验的组合方式。从下表不难看出，该系列实验在不同课的教学中，基本的实验器材基本相同，只有个别材料的细微变化。恰恰是这种细微的变化，得以让学生在探究过程中充分运用已有经验解决新问题。

二、“光的传播路径可视化”系列实验的应用

（一）实验的操作方法成系列

“光的传播路径可视化”系列实验是“转换法”的具体应用。

“光在空气中传播”的可视化实验方法：在透明水槽中点上一根香，盖好盖子，用激光笔照射透明水槽，从透明水槽的侧面观察光的传播路径，用自行车条与光的传播路径比较，确认光在空气中是沿直线传播的。

“光在水中传播”的可视化实验方法：在透明水槽中放进清水，把涂有香皂的胶片放人清水中搅拌后，用激光笔照射透明水槽，从透明水槽的侧面观察光的传播路径，用自行车条与光的传播路径比较，确认光在水中是沿直线传播的。

教师在《光的传播》一课将上述方法教给学生后，学生可在《光的反射》《光的折射》两课的特定情境下尝试应用这些方法解决新的问题。

（二）实验的记录方法成系列

“光的传播路径可视化”系列实验的记录方法是在近期研究活动中的一次创新。在透明胶片上的“描点连线”有助于学生记录下真实的实验现象，无可辩驳的科学事实有助于他们科学概念的建构。

《光的传播》一课，学生用自行车条确认光在空气中是沿直线传播后，用记号笔在胶片上点两个关键点，把胶片取下来，再把两点连成一条直线，并标出表示方向的箭头。具体过程如图1所示。

《光的反射》一课，在透明水槽底部粘上平面镜，学生在记录时根据需要要点出三个关键点（见图2），再把相邻两个关键点连成一条直线，并标出表示方向的箭头。

《光的折射》一课，透明水槽中的水让实验记录再次提高了难度。学生讨论后，确定至少要点出5个关键点（见图3），按照光的传播方向依次连出4条直线。

从3组实验记录不难看出，“描点连线”记录法在三课中的难度逐渐增大。但在教学中，学生掌握起来并未感觉到特别困难，这正是系列实验的优势所在。

（三）实验前后的思维方法成系列

观察实验是科学探究的基础性活动，贯穿于科学探究始终的则是学生的思维发展。在有关光的教学中，与实验方法的系列性相对应的是思维方法的系列性。从整体教学思路上看，每课的教学都特别关注让学生在特定的情境下发现并提出问题，让学生结合自身经验对问题做出大胆的推测或解释，让学生在不同程度上参与实验的设计过程，实验后都要让学生尝试对科学事实进行解释。归纳法，尤其是典型归纳法的运用为相应概念的建构发挥了至为重要的作用。

现以《光的折射》一课为例，简要说明我们是如何在实验前后引发学生的思维活动的。

教学伊始，教师利用透明水槽和底部的镜片组织了一个小活动（如图4所示）：学生两人一组，其中一人先把透明水槽纵向侧面粘有黑色卡纸一端面向自己，保证能看到平面镜；双手向前推动水槽，在刚刚看不到平面镜时，不改变眼睛和盒子的位置，另一人向水槽中倒水，学生再次看到了平面镜。奇妙的实验现象引发了学生的认知冲突：平面镜和眼睛的位置都没有改变，没向盒子中倒水时不能看到平面镜，倒入水又能看到平面镜。这到底是怎么回事呢？平面镜反射的光到底是怎样进入到我们的眼睛中的？通过对比，学生已经意识到是水的加入影响了传播路径。

于是，教师让学生把自己的解释记录下来（如图5所示）。对这一现象的解释中，很多学生记录的光线在水面的位置都发生了变化。

学生通过实验获取了大量实证（如图6所示）。在对实验现象进行展示交流后，引导学生依据现象进行了归纳总结，此时学生思维的大门被打开，从多个角度表达了对折射现象的解释：1．激光笔射入的角度不相同（各组现象的不同点）；2．虽然射入角度不同，但光从空气进入水中时，光从水中射人空气时，在水面的位置光的传播方向都发生了偏折（光的折射现象）；3．光从一侧射到平面镜上，平面镜反射的光只射到水面，空气中看不到光（空气中烟跑掉后不容易产生丁达尔效应）：4．光射入镜片的角度越小，发生偏折的现象越不明显（折射的规律）……

在对现象进行分析归纳后，学生确认光不管是从水进入空气，还是从空气进入水中，传播方向都会发生偏折，从而初步建构光的折射概念。

有了以上一束光的折射现象做基础，再利用典型归纳法，引导学生把一束光的折射现象推想到所有被平面镜反射的光都发生了这样的折射现象，所以我们看水中的平面镜，会感觉平面镜的位置被抬高了。最后利用演绎推理，由看水中的平面镜的现象去推想看水中其他物体的现象，达到知识迁移的目的。

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（本栏目责任编辑刘绍江）