运用自制教具突破光的反射实验教学难点

摘要

“探究光的反射定律”是学生必做的初中物理探究类实验之一。为追求更好的探究效果，便于分析总结实验现象及规律，在深入分析以往实验教学的基础上，对“光的反射”实验进行器材改进创新和实验方法优化设计。从效果上看，利用亚克力板和转盘制成的可旋转式烟雾盒与激光笔相配合，可动态、清晰地显示立体光路，便于学生从直观现象中分析总结规律，能够助力学生更好地理解学科知识，培养其核心素养。

Graphical abstract

关键词

自制教具 / 光的反射 / 实验改进 / 核心素养

《义务教育物理课程标准（2022年版）》（以下简称《新课标》）强调：注重科学探究，突出问题导向，强调真实问题情境，引导学生不断探索，发展核心素养^［1］。“光的反射”是初中物理重要的光学实验，也是《新课标》中探究类学生必做实验之一。在传统实验中，通常是直接给出“法线”“反射角”“入射角”的定义，再让学生利用可转折光屏验证三线共面，借此探究反射角和入射角的大小关系。

《新课标》对“光的反射”的内容要求是“探究并了解光的反射定律”，但传统实验无法满足《新课标》对学生提出的探究需求，同时学生也不易理解法线的作用和反射角、入射角的概念及规律。为帮助学生突破实验探究中遇到的难点问题，笔者引入可旋转烟雾盒演示实验，引导学生经历建构法线模型的过程，即利用法线寻找反射光线，体会法线的作用；促其理解反射光线和入射光线所在的平面必须与平面镜垂直；通过降维的思想帮助学生理解反射角和入射角的概念及规律。

1 传统实验装置

传统实验采用如图1所示的实验装置。

2 学生在传统实验探究中的困惑

2.1 法线的引入

法线是实验从定性到定量的标准，也是探究过程中所建构的物理模型。教材中直接给出“ON是法线”，但学生不理解法线的作用，被动接受法线的存在，有的学生甚至认为法线是真实存在的光路，没有经历“法线”模型的建构过程，导致该知识点在学生的头脑中成为机械记忆，因而法线的引入是实验改进的一个重点。

2.2 探究三线共面，认识三线所在的平面与平面镜的垂直关系

（1） 在传统实验中，光屏转折后看不到反射光线，直接得出三线共面，而学生直观认为反射光消失了，不明白为什么会得出三线共面。

（2） 学生在进行探究时，经常观察不到反射光线，因为不能保证可转折光屏与平面镜垂直，而三线所在的平面与平面镜的垂直关系是三维的、立体的，不是限定在一个平面内，探究过程需要经历从空间渐进到平面的过程，才能帮助学生建立正确、准确的反射模型。因而，探究三线共面是实验改进的第二个重点。

2.3 认识反射角和入射角

传统实验在三线所在的平面内规定反射角和入射角分别是反射光线和入射光线与法线的夹角，学生由于不理解，经常把反射光线和入射光线与平面镜的夹角当成反射角和入射角。为突破这个难点，改进后的实验从立体的角度进行分析，把三维降到二维平面内，帮助学生学会降维的科学思维和科学方法。

3 实验改进

针对学生在传统实验探究中存在的困难，运用自制教具对教材实验进行创新和改进，实验现象具有高可见度，从而突破教学难点，提高学生的核心素养。

3.1 实验器材

用亚克力板自制的烟雾盒、转盘、激光笔、平面镜、三角板、硬纸板等。

3.2 实验装置

如图2所示，改进的实验装置利用烟雾盒显示光路，并设有旋转底座。旋转底座可使整套装置转动，从而能从多方位展示实验现象^［2］。该装置通过直观演示，帮助学生纠正一个常见误区：在光的反射现象中，真实的光线（入射光和反射光）都位于平面镜的同一侧（前方），且关于法线对称分布。法线本身并不是一条实际的光线，而是我们为了精确描述反射规律而画出的参考线。该装置使用明火（蚊香）产生烟雾，存在火灾、烫伤及吸入有害烟雾的风险，操作时必须严格遵守相关规定。

3.3 实验改进说明

利用可旋转的烟雾盒，引导学生在立体空间中验证光的反射中三线共面，从而将问题聚焦于二维平面；在此平面内引入法线，认识入射角与反射角，最终完整得出光的反射定律。

（1） 如何在立体空间中引入法线，探究三线共面？

步骤1：旋转烟雾盒，全方位观察同一反射光路。

步骤2：改变入射光的方向，再次观察不同反射光路。

步骤3：改变镜面倾斜的角度，再观察同一反射光路。

【观察结果】无论平面镜如何放置，都能从特定角度看到反射光线挡住入射光线，说明双线共面（两条相交或平行直线决定一个平面），用硬纸板把该平面呈现出来，即可通过三角板检验两面垂直。当平面镜倾斜一定角度时，用相同的方法也可以证明反射光线和入射光线所在的平面与平面镜垂直（图3）。

步骤4：教师保持入射点不变，改变入射光的方向，并把此时反射光线和入射光线构成的平面也呈现出来，学生直观地观察到两个平面共同交于一条线；继续保持入射点不变，改变入射光的方向，会发现每个平面都有共同的线，就把这条线称为“法线”。为使法线直观形象，教师采用如图4所示的装置帮助学生建构法线模型，促使学生的科学思维得到升华。

【观察结果】反射光线和入射光线分别位于法线两侧，且反射光线、入射光线、法线在同一平面内。法线的特点是过入射点且垂直于物体表面。但为什么要引入法线？法线有什么作用？学生对此还是有困惑。

步骤5：当反射光线不在烟雾盒内时，看不到反射光，反射光消失了吗？此现象引发学生思考。教师通过喷洒水雾发现反射光并没有消失，那反射光在什么位置呢？

教师提示：入射光线和法线是已知的，如何找到未知的反射光线？要先找出入射光线和法线所在的平面，才能找到反射光线，从而让学生体会法线的作用。但反射光线在这个平面具体什么位置呢？这就需要找出反射角与入射角的关系。

（2） 认识反射角和入射角。

为何教材中规定反射角和入射角分别是反射光线和入射光线与法线的夹角而不是与平面镜的夹角？教师结合数学知识进行演示，线与面的夹角有无数个，且角的大小不一定相等（图5），而线与线的夹角只有一个，即把复杂的问题简单化是解决问题的技巧。学生根据教材的实验步骤，通过实验探究得出反射角等于入射角的结论。

教材中将有反射光线的半个光屏向后转折一个角度，观察到光屏上没有反射光，得出反射光线、入射光线和法线在同一平面内的结论，学生却直观地认为反射光消失。在实验中，学生借助喷洒水雾观察到反射光依然存在（图6），即可建构光的反射模型，从而强化对教材实验的理解。可见，光的反射是一个以法线为轴的对称模型，有助于学生建构准确、清晰的光的反射模型。

在实验后，师生总结得出光的反射规律：光反射时，反射光线、入射光线和法线在同一平面内，反射光线和入射光线分别位于法线两侧，反射角等于入射角。

4 教学启示

（1） 通过光束射在平面镜上反射现象，学生描述出入射光线、反射光线和入射点。旋转烟雾盒，学生观察到反射光线和入射光线沿某一角度是重合的，即可结合数学知识，总结出反射光线和入射光线及法线在同一平面内。

（2） 教材实验图的可转折光屏与平面镜是垂直的，但学生不一定能注意到这点；而实验探究并不确保可转折光屏与平面镜垂直，当两者不垂直时，在可转折光屏上看不到反射光线，因而学生在实验探究过程中会深感疑惑。通过演示实验，教师让学生认识到反射光线与入射光线所在的平面与平面镜垂直。

（3） 模型思维是一种重要的科学思维，建构与应用模型是物理学最重要的研究方法之一，也是物理学的核心学科特色^［3］。师生共同经历法线模型的建构过程的优点在于，能培养学生的科学思维，让学生理解法线的作用，最终帮助学生建构光的反射模型，助其理解光的反射原理、掌握相关的作图方法。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部. 义务教育物理课程标准（2022年版） ［S］.北京：北京师范大学出版社，2022.

[2] 陈林，桑芝芳.完善实验探究　构建虚像概念：以自制教具“平面镜成虚像光路演示仪”为例［J］.中学物理教学参考，2023，52（31）：42-44.

[3] 廖伯琴.义务教育物理课程标准（2022版）解读［M］.北京：高等教育出版社，2022.

基金资助

教育部福建师范大学基础教育课程研究中心2024年开放课题“中学物理‘教、学、评’一体化课堂教学策略的实践研究”(KCA2024475)