为空间想象力插上翅膀——立体光反射模型

江苏省张家港市暨阳湖实验学校（215600）陶彩红

从广义上讲，物理学中的各种物理概念，如物质、长度、时间等都可称为物理模型，物理学上的研究对象、对象的状态、状态的变化过程等均可称为物理模型；从狭隘上说，反映特定的物理现象、物理问题的理想化实体、理想化过程、理想化状态、理想化结构等，叫物理模型。

物理模型是物理学研究的重要方法和手段，物理教育和教学中对物理模型的讲述和讲授就必不可少。建立物理模型就要忽略次要因素以简化客观对象。合理简化客观对象的过程就是建立物理模型的过程。模型虽然不是实物，可以简化，但是模型必须在一定程度上反映实物，不能是片面的、缺少实物本质的一些内容。

1问题的发现

光的反射教学中遇到这样一道题目：以同样的入射角斜射到平面镜的某一点的反射光线有多少条？学生答：1条或两条。很少有学生能回答出正确的答案。这并不是学生反射定律掌握不到位，而是由于平时的教学和教具的使用时，限制了学生的空间想象力，对光的反射现象没有建立完整的立体模型。教学中光反射规律的教学所用的教具如图1所示，是平面的展示光的反射定律，没有在整个空间展示出光的反射情况，而且平时也缺少这方面的练习，久而久之就使学生认为光的反射就像纸上画的那样是平面的，从而使学生建立了片面的光反射模型概念。

出现这种情况，不能完全归咎于学生的空间想象力不够，最大的原因是教师在光的反射定律教学过程中没有注意有意识地培养学生的立体模型。针对这种情况，笔者制作了一个研究光反射定律的立体模型实验装置，以弥补现有器材的不足。利用这种自制的实验装置，能使学生建立起光反射的立体模型，能更好地培养学生的空间想象力。

2光反射立体模型实验装置

本装置如图2~4所示，主要由以下几部分构成：带轴承可自由转动的底座，底座上标有不同角度的刻度板，可旋转圆弧形支架，在支架上可自由移动的激光笔，表面画有经线和纬线内悬直铁丝的圆形玻璃罩，有镂空金属罩的平面镜，平面镜下金属罩内可放点燃的蚊香。组装时，先将蚊香点燃，放在底座的中央，然后将带有平面镜的金属罩罩在蚊香上，再将玻璃罩罩在平面镜上。玻璃罩内会有

烟雾，打开激光笔照射在平面镜上、悬下的铁丝下端，可清楚地看到玻璃罩内光入射、反射的路径。接下来就可用此装置来进行光反射定律的学习了。

3立体模型优点

本教具改变了以前的光反射定律实验器材只能在平面内演示光反射，不会使学生认为光的反射单单是平面的情况。因为本装置在旋转支架上的激光笔可以围绕平面镜上的入射点360°旋转，从任意方向以任意角度入射。

首先可让学生观察激光笔旋转一周的情景，通过观察到的光反射现象，就可建立起正确的、全面的、立体的光反射模型，认识到光的反射是立体的，从而大大地扩宽了学生的思维空间和想象空间，为学生学习光的反射定律和发展空间想象力奠定了一定的基础。

接下来本实验装置探究光的反射定律也比较方便和全面。如图5所示，以铁丝为法线，以铁丝

下端为入射点，观察光的反射现象，可以看出“反射光线和入射光线分居法线两侧”。由于圆形玻璃罩上标有角度不同的纬线和经线，而让光从某一纬线上入射，可以看到反射光线恰好也反射到同一纬线的另一侧，从玻璃罩表面读出的纬线度数即为入射角和反射角的度数。

改变光线的入射方向，从另一纬线入射，反射光线也会照到同一纬线的另一边上。由此可反复地进行实验，从而得出“反射角等于入射角”、“入射光线远离法线，反射光线也远离法线”等结论。从玻璃罩的经线和对应下面底板上的角度线可以看出，反射光线和入射光线对应的经线度数总相差180°，即可得出“反射光线和入射光线在同一平面内”。当光垂直镜面入射，入射光线、反射光线、法线重合在一起，如图6所示，即可得出光垂直入射时的情景，也可得出光反射时光路是可逆的结论。

从上面的介绍可以看出，该实验教具能够全方位立体地展示光的反射规律，并能更形象直观地得出光的反射定律，极大地方便了学生全面立体的认识光的反射规律。它不但克服了原有的光反射的

实验器材容易使学生认为光的反射是平面的弊端，而且在培养学生空间想象力方面有着不可取代的优势。笔者在教学中用此教具进行光的反射内容的教学，取得了很好的教学效果。

4反思

把复杂问题简单化，摒弃次要条件，抓住主要因素，对实际问题进行理想化处理，构建理想化的物理模型，这是一种重要的物理思想。在建立起理想化模型的基础上，有时为了更加形象地描述所要研究的物理现象、物理问题，所建的模型就需要完整。完整的立体的模型是培养学生空间想象力的基础。尤其对初中学生而言，生活经验有限，思维模式还不成熟，因此建立完整的模型尤为重要。而且随着深入的学习，对物理模型的建立将越来越严格，要客观地表述物理情景，这对学生的空间想象力的要求也会越来越高。爱因斯坦曾经说过：想象力比知识更重要，因为知识是有限的，而想象力概括着世界上的一切，推动着进步，并且是知识进步的源泉。罗杰斯也说过：在教学过程中，只有让学生处在一种无拘无束、自由开阔的空间，他们才会尽情地“自由参与”、“自由表达”。所以，从初中阶段就应开始训练学生建立立体的物理模型，从而培养学生的空间想象力。

收稿日期：2014-12-09