感悟科學(xué)探究 凸顯思維培育
——以蘇科版“透鏡”為例

戴玲娟

(南通市第一初級中學(xué)，江蘇 南通 226500)

素養(yǎng)時代的物理課堂需要教師精心設(shè)計科學(xué)探究活動，通過學(xué)生的多感官體驗建構(gòu)模型，系列進階實驗中據(jù)理論證，領(lǐng)悟思想中開拓創(chuàng)新，培養(yǎng)學(xué)生深度理解物理的知識和思想同時，促進學(xué)生高階思維能力的提升，最終遷移和運用到實際問題中.本文以蘇科版“透鏡”一節(jié)為例，以“初識透鏡——再探透鏡——揭秘透鏡”為探究活動主線，以發(fā)展學(xué)生的高階思維為出發(fā)點和落腳點，切實落實學(xué)生的核心素養(yǎng).

1 多感官體驗中建構(gòu)模型

教育家夸美紐斯說：“一切知識都是從感官開始的.”在物理課堂上，教師應(yīng)創(chuàng)設(shè)豐富的教學(xué)情境，充分調(diào)動學(xué)生多感官(眼、耳、口、手等)體驗，獲得生動的感性認知，運用抽象、概括的思維進行加工，提煉出現(xiàn)實情境中的物理模型，實現(xiàn)從感性體驗到理性認知的飛躍.

一節(jié)讓學(xué)生興趣盎然的課必定有一個能快速吸引學(xué)生注意的引入.課堂伊始，筆者播放一組澳大利亞森林火災(zāi)后生靈涂炭、滿目瘡痍的圖片，讓學(xué)生體驗深刻的視覺沖擊，進而引發(fā)思考：“森林火災(zāi)的起因是什么？”“保護環(huán)境，我能做些什么？”樹立環(huán)保意識，引導(dǎo)學(xué)生敬畏自然，關(guān)愛生命的生態(tài)意識，滲透學(xué)科育人的理念.緊接著播放兩個對比演示實驗微視頻，其一是太陽光直接照射可燃鋼絲棉(著火點較低，且有環(huán)保煙花的美稱)，5 s后，并未發(fā)生明顯的變化；另一是在太陽與鋼絲棉

圖1 透鏡點燃鋼絲棉

間的適當(dāng)位置放一透鏡，靜待相同的時間后，發(fā)現(xiàn)鋼絲棉被點燃，如圖1所示.視頻產(chǎn)生的動態(tài)視覺體驗，充分調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，對透鏡的探索已經(jīng)迫不及待了，在“初識透鏡”活動中，生生合作，師生互助，歸納出“摸”、“看”、“照”等方面進行辨別透鏡.

“光心”——透鏡中具有特殊意義的一點.平時的教學(xué)中，教師常常采用接受式學(xué)習(xí)，嚴重忽略了學(xué)生的主動參與、積極構(gòu)建，抑制了學(xué)生創(chuàng)造性思維的發(fā)展.鑒于此，筆者設(shè)計了具有開放性的探究活動： (1) 以做促學(xué)，學(xué)做相長.放手讓學(xué)生自主探究“透鏡對光的作用”，實驗中，學(xué)生嘗試著用激光筆從不同方向照向透鏡，并逐一記錄下來，為分享提供可靠的素材，如圖2，通過大量的實驗現(xiàn)象，師生共同歸納凸、凹透鏡對光的會聚、發(fā)散作用.倘若以上的設(shè)計目的是讓學(xué)生通過“做中學(xué)”，那“學(xué)中思”更能深化學(xué)生的思維.(2) 以問促思，關(guān)注本質(zhì).教師點撥：“所有的光線經(jīng)過透鏡都會偏折嗎？”一“問”激起千層浪，細心的學(xué)生可能會恍然大悟，有一些經(jīng)過凹透鏡的光線并沒有偏折，假若沒有學(xué)生注意這一特殊情況，教師也無需立刻告知答案，適時的課堂留白，才能韻味無窮，學(xué)生會主動拿起激光筆，再探透鏡對光的作用，并將學(xué)生的發(fā)現(xiàn)匯總在同一個圖中，發(fā)現(xiàn)傳播方向不變的光線都經(jīng)過一個特殊點，如圖3；而光對著凸透鏡照射時，也有類似的現(xiàn)象，如圖4，但也不難發(fā)現(xiàn)出射光線與入射光線間有較小的側(cè)移，筆者引導(dǎo)并演示如果換用更厚些的凸透鏡，側(cè)移會更大.物理上，為了研究問題的方便，常常會抓住主要因素，忽略次要因素，建立理想化的模型——薄透鏡，即其厚度遠小于組成透鏡球面的半徑，上述特殊的點我們稱之為光心，其特點是過透鏡光心的光線傳播方向不變，薄透鏡的光心就在透鏡的中心.

以上的設(shè)計意圖，是讓學(xué)生明白物理上每一個特殊點(如光心、焦點、2倍焦距等)、每一條特殊線(如法線、力臂等)的引入，都是人們發(fā)現(xiàn)知識、總結(jié)規(guī)律的關(guān)鍵的點和線，在物理的學(xué)習(xí)中有著不可替代的作用和意義.教師創(chuàng)設(shè)豐富的情境，調(diào)動學(xué)生的多感官體驗，讓學(xué)生真切地經(jīng)歷知識的發(fā)展過程，在歸納、對比、抽象的思維中感悟知識的內(nèi)涵與外延，激活學(xué)生建構(gòu)物理模型的科學(xué)思維，培養(yǎng)學(xué)生用物理的眼光觀察世界.

圖2 透鏡對光的發(fā)散和會聚作用

圖3 尋找光心1

圖4 尋找光心2

2 進階實驗中據(jù)理論證

物理概念的建立、辨析和應(yīng)用往往是枯燥乏味的，教師應(yīng)設(shè)計具有挑戰(zhàn)性的系列主題活動，幫助學(xué)生運用所做、所見、所感，據(jù)理論證，厘清概念的內(nèi)涵與外延，激發(fā)學(xué)生高階思維的發(fā)展，促進學(xué)生形成有助于未來可持續(xù)發(fā)展的核心素養(yǎng).

圖5 凸透鏡對不平行于主光軸的平行光的會聚作用

焦距是透鏡中的核心概念，是光學(xué)系統(tǒng)中衡量光的會聚或發(fā)散的度量方式，把握焦點的實質(zhì)，是建構(gòu)焦距概念的前提，因此，筆者創(chuàng)新設(shè)計了“初識焦點——辨析焦點——再探焦點——可變焦距”項目式的系列實驗，探究透鏡對光線的作用.(1) 初識焦點.一束平行于主光軸的光正對透鏡照射，均會聚一點或發(fā)散后反向延長交于一點，物理上就把這個點叫做焦點，初步認清凸、凹透鏡的焦點意義，培養(yǎng)學(xué)生歸納與總結(jié)的科學(xué)思維，但這樣的認知并不深刻.(2) 辨析焦點.一束平行光不正對凸透鏡照射，如圖5，此時會聚的點是焦點嗎？學(xué)生結(jié)合所學(xué)與所見，從焦點的本質(zhì)出發(fā)，進行辨析與思考，進而真正達到對物理觀念的透徹理解，提升學(xué)生深刻而靈活的思維品質(zhì).(3) 再識焦點.以兩個探究活動均是在二維平面內(nèi)的研究情況，但學(xué)生生活在多維的、立體的世界里，所見所聞均非平面的，所以這樣的教學(xué)無疑會抑制學(xué)生的智慧增長，筆者采用“轉(zhuǎn)動增維”的方法進行了優(yōu)化，即用電風(fēng)扇帶動激光筆轉(zhuǎn)動，利用人“視覺暫留”的特點，此時原本平面上的一條光線看上去就是一束立體的、柱形的光束射向透鏡，在另一側(cè)形成了錐體狀的光束，如圖6.至此，“焦點”的概念已全面、立體地展現(xiàn)在學(xué)生的腦海里. (4) 可變焦距.透鏡的焦距并非恒定不變，自制可變焦的水透鏡可實現(xiàn)連續(xù)變焦，筆者演示向水透鏡中注水、抽水，調(diào)節(jié)凸透鏡的凸起程度，發(fā)現(xiàn)曲率越大的凸透鏡，其焦距越短，會聚能力越強，如圖7；教師展示的水透鏡即拓寬了對凸透鏡焦距的認知結(jié)構(gòu)，又為后續(xù)學(xué)習(xí)“照相機與眼球”做鋪墊，還打破學(xué)生的思維格局，一箭三雕，巧妙地設(shè)計層次分明的實驗項目，切實推進深度學(xué)習(xí).

圖6 凸透鏡的會聚(轉(zhuǎn)動增維效果圖)

圖7 自制可變焦的水透鏡

以上進階實驗的設(shè)計意圖，由特殊到一般，抽象概念的內(nèi)延；由平面到立體，豐盈概念的空間；由固定到可變，靈活概念的應(yīng)用.物理的學(xué)習(xí)要求將學(xué)生所學(xué)知識轉(zhuǎn)化為解決實際問題的綜合能力，即遷移應(yīng)用和舉一反三的能力，而這里的“一”，便是依據(jù)事物的道理，對事物的本質(zhì)進行分析、論證，縱然表象千變?nèi)f化，但仍不離其宗，培養(yǎng)學(xué)生用物理的頭腦分析世界.

3 思想滲透中開拓創(chuàng)新

愛因斯坦曾說：“教育無非是將一切已學(xué)過的東西都遺忘后，所剩下的東西.”而這剩下的便是素養(yǎng)，即用物理的思維分析世界.物理的思想常常隱藏在科學(xué)探究的活動之中，筆者之前在處理“揭秘透鏡”的環(huán)節(jié)時，由兩個三棱鏡不同方式的組合，到透鏡的多個分割，看似學(xué)生學(xué)完后，也能揭開透鏡的奧秘，但關(guān)于“微元”的思想，學(xué)生依舊是一知半解的；其實，學(xué)生在小學(xué)數(shù)學(xué)中已經(jīng)利用微元的思想來推導(dǎo)圓的面積公式了，如圖8，如何幫助學(xué)生加深對微元的認識，并內(nèi)化為自己的思維方式呢？

圖8 推導(dǎo)圓的面積公式

筆者進行了如下的優(yōu)化設(shè)計：在課前布置了一個小游戲，要求僅用一把剪刀、一張紙，盡可能地剪出一個圓形，學(xué)生通過課外實驗，發(fā)現(xiàn)將紙對折的次數(shù)越多，所剪出的越接近圓，如圖9，學(xué)生從實際操作中領(lǐng)悟到圓可以看成是圓周上微小線段的累加.如此，學(xué)生對微元的認識不再是靜態(tài)的文字，而是在體驗和感受中變得鮮活起來，同時增強了學(xué)生課外探究活動的意識，促使學(xué)生將物理的思想內(nèi)化為自己認識世界的方式.

圖9 盡可能剪出圓形

透鏡的特殊光線是為清晰地描述透鏡成像規(guī)律而引入的物理語言，筆者在處理3條特殊光線時，首先從放手讓學(xué)生探究透鏡對光線的作用，進而發(fā)現(xiàn)平行于主光軸以及過光心的特殊光線.這樣的設(shè)計尊重初二學(xué)生的好奇心強，樂于探索未知的心理特點，由任意對著透鏡照射的光線中尋找特殊現(xiàn)象，滲透的是由一般到特殊的演繹思想，也是著力于培養(yǎng)學(xué)生仔細觀察的品質(zhì).

總之，物理學(xué)習(xí)不能僅停留在獲得知識、習(xí)得技能上，而應(yīng)以科學(xué)探究為載體，在學(xué)生多感官體驗中構(gòu)建模型、在進階實驗中據(jù)理論證、在領(lǐng)悟思想中開拓創(chuàng)新，切實提升學(xué)生的科學(xué)思維，落實學(xué)生的核心素養(yǎng).唯此，才能讓學(xué)習(xí)方法深入人心，學(xué)習(xí)過程深入細致，學(xué)習(xí)成果根深葉茂，真正使科學(xué)思維在課堂中綻放異彩.