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科研论文

描摹建模法在小学光学概念教学中的应用

作者:方亚琴 来源:浙江教育资源网点击数: 发布时间:2018-12-25 13:31
    摘要:描摹建模法是帮助学生构建光路图,理解光学概念本质的一种行之有效的建模方法。在光学概念教学中应用描摹建模法的一般过程为:实物展示,创设情境;示范指导,感知描摹;学习迁移,描摹建模;运用模型,抽象概括。在中小学科学光学内容的教学过程中,运用描摹建模法开展探究式教学,有效地突破了光学教学的重难点,发展了学生的科学探究能力和实证思维,提高了学生学习的能力,为学生的后续学习做好了铺垫,取得了较好的效果。
    关键词:描摹建模法;光学;科学;
 
    “描摹”是用语言文字表现人或事物的形象、情状、特性等。[1]描摹是一种语言表达技巧,它的教育价值在于形象生动,能把静的变动,抽象的变具体,无形的变有形。因此,在科学教学过程中,科学教师常常运用铅笔、钢笔、彩笔等绘画工具,利用画线的方式将实验图像勾画到学习任务单上。
在进行中小学科学的有关光学内容教学时,由于光的实际传播路径不宜直接长时显示,而学生的抽象思维又不够发达,那么在光学实验中如何帮助学生建构光路图,以利于学生探究得出光学规律,是教师平时教学中一个较为棘手的问题。本文的描摹建模法就是从中小学科学成功的教学案例中总结提炼出来,帮助学生构建光路图模型,用来研究光学规律的一种行之有效的建模方法,是理解光学概念本质的重要手段。描摹建模作为中小学科学一种建构性学习方式,可帮助学生根据先前的知识经验,使用给与的器材和工具,来探讨对学习情境的理解,并将自己的这种理解表达出来,从而促进学生对光学知识的深层理解和灵活应用。
     一、描摹建模法的一般过程
    本文的“描摹”是指用铅笔、钢笔、彩笔等绘画工具,将显示在白纸或黑板上的经过光学器具的整个光线传播的路径和光学器具描绘出来。描绘出来的图形便是简单的光路图模型。像这样为了理解光学现象本质而通过描摹作图建立光路图模型的一种抽象方法即为描摹建模法,其一般过程为(图1):
 
 
    实物展示,创设情境。教师提供光学器材实物,创设情境,提出探究问题,引发学生认知冲突,激发学生探究欲望,调动学生已有经验,作出合理猜想。
    示范指导,感知描摹。教师通过定格简单的光学实验现象,亲自示范描摹实验现象,教给学生描摹的步骤和方法,建构光路图,下操作性定义,让学生对描摹建模法有初步的感知。
    学习迁移,描摹建模。学生在新情境中迁移应用描摹建模的方法,运用教师提供的光源、光学器具等器材自主体验建构光路图,为抽象概括提供模型证据。
    运用模型,抽象概括。学生通过分析交流自主建构的光路图模型,对比分析发现光学特性或从中总结出一般光学规律,从感性思维上升到理性思维,促进对光学概念本质的深度理解。
    二、描摹建模法的教学案例分析
    笔者在初中八年级教材上册《视觉和凸透镜》的教学过程中,曾运用描摹建模法开展光学探究式教学,引导学生学会运用建模的方法学习建构光学概念,发现光学特性,从而加深学生对光学科学知识的深度理解,经过实施后取得了较好的效果。无独有偶,笔者在2014年全国小学科学名师论坛活动中观摩了天津市王老师的关于《光的反射》一课。发现王老师在小学科学课堂教学中也运用了描摹建模法开展光学探究式教学,让我感同身受,于是有了动笔的冲动,希望从中小学两个成功的光学教学案例中寻找共性的东西,加以提炼总结,于是有了“描摹建模法”和“描摹建模法的一般过程”。具体我将通过中小学科学教学各一个教学案例进行剖析阐述。
    案例1  小学科学《光的反射》
    教学片断1
    天津的王老师一边用激光笔和平面镜在黑板上演示光的反射现象,一边提问学生:“怎样才能把刚才看到的光的反射现象记录下来呢?”学生一脸思考状,均沉默不语。王老师见状说到,看来同学们一时还没有想到好的方法,请大家仔细看看老师有什么好办法。王老师一边演示一边讲解,我们用粉笔在平面镜上有光的地方画上一点,然后在光照射经过的地方再画一点。同学们看,当我把粉笔放在光经过的地方,粉笔上有绿光,光就被挡住了,如果把粉笔放在不是光经过的地方,粉笔上就看不到亮光。学生频频点头,见学生纷纷表示认同,王老师继续分析到,所以当粉笔上有绿光时,表示粉笔所在的这一点肯定是光经过的地方,然后我把这一点和平面镜上的一点用线连接起来就得到一条直线。老师边画边问:为什么呀?学生开心的说到:两点之间确定一条直线。然后王老师用相同的方法画出从平面镜射出去的光线(图2)。

    老师指着图2中的射线问学生,我们怎么区别图中的两条光线分别是激光笔发出的光还是经平面镜反射的光呢?根据前面所学的光线作法,学生不难想到可用箭头来表示,箭头指向平面镜的表示激光笔发出的光,箭头往外指的表示经平面镜反射的光。师边说边在图上相应光线旁标注光线名称,马上适时提出入射光和反射光的概念。顺着学生思维,很自然地教会学生建构了光路图(图3)。就这样教师通过提供光学器材实物,创设教学情境,激发学生兴趣,唤醒学生原认知。同时亲自示范,定格光学实验现象,细致指导描摹构建光的反射光路图,引导学生初步感知描摹构建光路图的方法。
    教学片断2  
    老师指着图3中的入射光线问,如果我改变激光入射的方向,比如朝增大与平面镜夹角的方向射入,反射光是否还沿刚才的方向射出呢?此问一出,学生又陷入了思考。但这一次学生再也没有沉默,而是一石激起千层浪。有的说,此时反射光的位置会向左偏,有的说会向右偏。(图4)
  
    趁着学生处于不愤不启,不悱不发状态,这时老师提供给学生实验器材,让学生分组实验,同时尝试运用老师教给的画光路图的方式记录每次入射光线和相应反射光线(图5)。然后交流展示学生自己建构的光路图研讨分析,得出了“激光越往里靠,反射光也越往里靠。入射光垂直镜面直射,反射光也垂直镜面射出”的初步结论。
    在此环节,教师通过提出改变入射光方向,反射光光线位置将在哪里的问题,让学生合理猜想,激发学习动机,且把实验同学生的问题结合起来,把学生的注意力始终集中在与学习有关的活动上来,使探究更有效[2]。在进行实验之前,教师让学生预测实验现象,不同的学生的预测不同。为了解决争议,学生设计和进行实验。然后学生运用描摹建模法,自己画出每改变一次入射角度经平面镜反射后的光线,建构了实验光路图。然后对自己建构的光路图进行比较分析,抽象概括出不同角度入射光经平面镜反射后的传播规律。就这样通过学习迁移,描摹建模;运用模型,自主探究,抽象概括,既解决了先前老师提出的问题,证实了其中的一种猜想,又学会了自主运用描摹建模法建构光路图,初步得出光的反射规律,而且为后续研究反射角和入射角的大小关系提供了迁移的基础。
    案例2  初中科学《凸透镜对光的会聚作用》
    教学片断1    
    教师在贴有白纸的黑板上,放一支激光笔,射出一束红色激光,问此时要在靠近激光右侧的某位置放置一个凸透镜,你预测一下将会看到什么现象?根据前面所学光的折射知识,大部分学生都会猜测光线将会发生偏折。接着,教师在激光射出一侧白纸上摆上了凸透镜,果真看到红色激光通过透镜后发生偏折。那是不是所有的光线经凸透镜后都会发生折射呢?老师紧接着问。有学生说是,有学生说不是。究竟是还是不是?对于学生的不同意见,老师没有急于给出说法,而是提供给大家一张事先画好凸透镜图像的学案记录单,每组发给一支激光笔,让学生分组探究:请把一束激光沿任意三个方向射到凸透镜上,观察经透镜射出的光线情况,并在学案上记录现象。同时思考:如果光线是折射的,它们是往哪里折射的?
    教师在课堂导入环节,创设情境,提出“是不是所有的光线经凸透镜后都会发生折射”的问题,学生用已有认知无法解决,激发了学生的学习动机和探究愿望。同时让学生把实验同自己的问题结合起来,引导学生主动地投入到探究学习活动中。
    教学片断2
    如何利用记录单记录这一现象呢?学生动手探究前,教师板画示范:先在黑板上描摹凸透镜的图像,接着对着凸透镜图像任意画一条入射光线,然后在凸透镜图像中放入凸透镜使之与图像重合,接着在黑板上用激光笔沿事先画好的入射方向入射,定格激光的折射现象,在凸透镜右侧光线折射处画一点,在折射光线经过的任意地方画一点,连接两点即为折射光线,折射光路图便完成了(图6)。
                                
    接着,学生开始兴奋地动手实验。教师巡视指导学生在学案上模仿教师示范的建模方法建模,进行投影展示交流研讨。教师引导学生分析光路图发现:除射向凸透镜光心的光线经凸透镜后传播方向不变,其它入射光线经凸透镜后传播方向均发生偏折,且都向主光轴靠拢偏折。从而得出实验结论:不是所有的光线经过凸透镜都会发生折射,且凸透镜对光有会聚作用。
    教师通过示范指导学生描摹建模构建简单光路图,帮助学生初步感知描摹建模法。学生从初步感知描摹建模到迁移应用描摹建模法,初步尝试自主构建光路图,不仅体验到了光学知识学习的乐趣,学到了一种光路图建模方法,而且还为开展后续的深入学习留下了模型证据。
    教学片断3
    待学生建构好如图6的凸透镜折射光路图,教师再次设疑,如果把激光沿折射方向入射,此时的折射光会怎样传播呢?根据光的反射定律,在反射时光路是可逆的知识迁移,学生不难猜到折射光也可能是可逆的,会沿原来入射的方向折射。 于是,教师让学生通过实验来验证。学生在刚才的学案记录单中建构的光路图上,从凸透镜另一侧射入激光,发现现象跟预测的一致。于是得出实验结论:在折射中,光路是可逆的。实验现象如图7所示。正因为有先前建构的光路图6作为模型证据,学生把激光对着折射光的方向入射,很容易就发现,此时的折射光是沿着原来入射的方向返回的,非常的直观形象,富有说服力。在折射中光路是可逆的这一概念很抽象,可是学生轻而易举就建构起来了,重难点得到了有效突破。这在传统教学中,由于没有先前实验建模的证据,要让学生亲自经历发现、建构这一概念又怎会如此轻而易举呢?所以,描摹建模的妙用在这里已充分得到见证。
    教学片断4
    在学生已建构“凸透镜对一条光线的折射规律”的基础上,老师继续提升难度:如果将三条与凸透镜主光轴相互平行的光线射向凸透镜,光线将如何传播呢? 此时不用教师多说,学生如法炮制自主探究起来。他们把凸透镜放在如图凸透镜图像所示位置,把三支激光笔与凸透镜主光轴平行放置,定格实验现象,描摹光路图(图8)。       
    通过实验后,学生交流分析发现凸透镜对于平行主光轴入射光线的共同规律是:平行于凸透镜主光轴的入射光线,折射后折射光线会聚一点。这一点科学上叫做“焦点”。
    在此环节中,学生把之前学习的“对一条光线的描摹建模方法”迁移运用到三条光线经凸透镜会聚的建模中来,说明学生通过前面的自主探究,动手动脑,已经把描摹建模的方法纳入到自己的认知结构中,而且在这里得到了进一步的巩固应用。科学认知上也从之前的一条光线上升到对三条光线的折射规律的探究。通过做中学,既达到学以致用,拓展提升的目的,又发展了学生的思维能力,同时为后续凸透镜成像规律学习做好铺垫。学生的学习活动也从开始在教师指导下描摹建模的发现活动慢慢过渡到独立的描摹建模探究活动,最终达到直接建模独立发现阶段,学习层次逐步提升,感性思维上升到理性思维,科学思维得到了有效、主动发展。
    三、光学探究中运用描摹建模法的教学效果
    1. 有效地突破了光学教学的重难点
    以上两则成功案例内容涉及的都是有关中小学科学教学中光学的基础知识。如何直观、正确的构建光路图模型是促使学生进一步学习、理解光学现象的基础。而光路图模型的构建对学生来说,特别是对小学五年级的学生来说是很抽象的,既是教学重点也是难点。教师在教学中运用描摹建模法引导学生在愉悦的实验情境中构建光路图模型,使原本抽象的光路图模型建构变得形象直观。而且因为有了之前光路图模型建构的方法铺垫,学生很自然的在“探究光的反射规律”和“在折射中光路是可逆的”时主动迁移应用了描摹建模法建构的光路图模型,为得出光的反射规律和凸透镜对光的作用提供了模型证据,有效突破了教学重难点。
    2. 为学生后续学习做好了铺垫
    学生的迁移能力是学习的一个重要标志,而影响成功迁移的第一个因素是对原来学科的掌握程度。初始学习不达到一定的水平迁移是不会发生的。[3]在《光的反射》一课中,正因为在光路图这一初始学习处理上,王老师通过描摹建模法让学生首先感知了简单光路图的建构方法,理解了光路图的建构过程,为后面自主探究光的反射规律提供了直接的操作性经验,有利于迁移到相似情境中,为抽象光的反射规律奠定了基础。在《透镜和视觉》一例中练习任务的安排是为学习凸透镜成像规律做铺垫。所以说,在光路图建构中使用描摹建模法为学生后续学习做好了铺垫。
    3. 发展了学生的科学探究能力和实证思维
    科学课程应向学生提供充分的科学探究机会,使他们在像科学家那样进行科学探究的过程中,体验学习科学的乐趣,增长科学探究能力。[4]在案例中,教师提出问题后,学生们从动手实验,描摹建模,模型分析,人人亲历探究的整个过程。学生不仅学会了建模的方法,而且提高了手脑并用的能力。更令人惊讶的是,在自主探究中有学生从光路图模型上度量了入射光线、反射光线与平面镜的夹角,并运用实验中获得的证据,从定性研究转向定量研究(图9),不仅使学生的思维层次和探究能力大大提升,而且培养了学生的实证意识,[5]促进学生科学实证思维的发展。

    4. 提高了学生科学学习的能力
    无论是小学光学教学还是初中光学教学,都可以使用描摹建模法构建光路图。而且,教师只要在光学起始教学课中,教给学生描摹建模的方法,那么在光学学习的很多领域如平面镜对光的反射作用、凸透镜、凹透镜对光的会聚、发散作用,光路可逆等都能迁移运用,使学生不仅学会了光学科学知识,关键是学会了一种适合学生发展水平的科学建模的方法,终身受用。正所谓授之以鱼不如授之以渔,教是为了不教,学是为了会学,让学生的学习能力得以提高。
    四、描摹建模法在光学教学应用中的注意事项
    在中小学科学光学教学中运用描摹建模法,虽然实用性强,但是要能顺利实施,实现有效教学,还需注意以下问题:
    1.开展人人动手描摹建模光路图探究活动,需要人手至少是两人一组光学实验器材的保障,而且因为要在学习单上完成建模,所以凸透镜等光学器材选择宜小不宜大。
    2.由于光的发散性,所以在传播时存在发散现象,看到的光线有点粗,导致学生在描摹建模中描点会有困难,所以画出的光路图可能与实际的光路传播会有所偏移,导致误差较大,这也是在《光的反射》一课中大部分学生测出的反射角不等于入射角的首要原因,导致定量探究没有很好地取得突破,有点遗憾。如果用较粗的彩笔描摹误差会小一些。
    3.在研究凸透镜对光的折射作用中,当光照到凸透镜上时,有部分光会反射回来,从而会干扰学生的观察,特别是对中下水平的学生在初步描摹光线时,不知道应该描摹看到的哪一条光线,需要教师及时巡视指导到位。
 
 
【参考文献】
[1]中国社会科学院语言研究所词典编辑室.现代汉语词典[M].北京:商务印书馆1999,880.
[2] 陈琦 刘儒德主编.当代教育心理学[M].北京:北京师范大学出版社,2007,175.
[3] 【美】约翰.D.布兰思福特等编著.人是如何学习的[M].上海:华东师范大学出版社,2013,48.
[4] 教育部.科学(3-6年级)课程标准(实验稿)[M],北京:北京师范大学出版社,2010,2.
[5] 喻伯军主编.小学科学教师专业能力必修[M].重庆:西南师范大学出版社,2013,16.
 

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