科學方法促進概念理解的教學設(shè)計

摘 要：概念教學是概念理解的教學，在“透鏡”新課教學中，筆者基于創(chuàng)設(shè)真實情景，以透鏡各概念要素的逐步層析為序，注重科學方法的整合運用，促進理解核心概念的內(nèi)涵和外延，提高學生的核心素養(yǎng)，逐步建構(gòu)和完善學生的概念知識體系.

關(guān)鍵詞：科學方法;概念理解;教學設(shè)計

中圖分類號：G633.7???? 文獻標識碼：B???? 文章編號：1008-4134（2021）14-0036-04

基金項目：中國教科院2015年度實驗區(qū)重點課題“區(qū)域推進靈性教育的實踐研究”（項目編號：SYQ201507）;浙江省2016教育科學規(guī)劃課題“運用類比法促進初中科學概念轉(zhuǎn)變的教學策略研究”（項目編號：2016SC275）;浙江省2018年教研課題“促進初中科學概念轉(zhuǎn)變的教學策略研究”（項目編號：G18187）.

作者簡介：沈強（1979-），男，浙江紹興人，碩士，中學高級教師，研究方向：概念理解的實踐和研究.

概念是人腦在感覺、知覺和表象的基礎(chǔ)上，對感性材料進行去粗取精、去偽存真、由此及彼、由表及里的思維加工，是反映事物本質(zhì)屬性的思維產(chǎn)物.概念教學是學生構(gòu)建知識體系的實施路徑，是培養(yǎng)學生核心素養(yǎng)的重要途徑之一.在常態(tài)的初中物理課堂教學中較注重掌握知識與能力，而忽視理解意義和學會遷移，所以學生對于抽象概念[1]的學習較多停留在淺層認知，無法深入分析和應(yīng)用，無法進行概念轉(zhuǎn)變，更無法達到理解概念.

正如蘇聯(lián)教育學家維果斯基指出：“科學概念的直接教授是不可能的，而且也是沒有效果的.” 而科學方法是人們在認識和改造世界中遵循或運用的、符合科學一般原則的各種途徑和手段，有利于運用科學思維得出所研究對象的本質(zhì)和規(guī)律，所以通過科學方法的思維來研究、描述、實施、總結(jié)和檢驗科學現(xiàn)象，從而揭示研究對象的本質(zhì)屬性，達到概念理解的解釋、釋義、應(yīng)用、洞察、移情、自知的六個維度[2].本文通過對蘇科版八年級上冊“透鏡”的教學設(shè)計，對科學方法促進概念理解的實踐進行探討.

1 教學目標定位

1.1 知識與技能

（1）認識凸透鏡的會聚作用和凹透鏡的發(fā)散作用，認識透鏡的焦點和焦距.

（2）經(jīng)歷用多種方法辨別凸透鏡和凹透鏡的過程，并嘗試對各種方法的優(yōu)劣做初步評估.

1.2 過程與方法

（1）通過透鏡的實驗提高觀察現(xiàn)象的能力，并學習初步的科學研究方法.

（2） 運用轉(zhuǎn)換法、類比法、模型法等科學方法，經(jīng)歷對透鏡的分類、特殊光線的探究過程，體驗科學概念的形成過程.

1.3 情感態(tài)度與價值觀

（1）通過凸透鏡會聚易形成火災(zāi)的現(xiàn)象，提高安全意識.

（2）通過觀察與實驗，提高學習興趣，養(yǎng)成透過現(xiàn)象看本質(zhì)的科學素養(yǎng)，利用科學知識與生活實際的密切聯(lián)系，提高對科學價值的認識.

2 教學思路與框架

這是一節(jié)典型的概念教學課，學生在之前學習了光的反射和折射現(xiàn)象，對“面鏡”的分類和光的會聚發(fā)散有初步了解，在光的折射時平透鏡（玻璃磚）和三棱鏡（光的色散）的基礎(chǔ)上，學習透鏡的分類、判斷焦點等概念、透鏡的三條特殊光線以及光線偏折的本質(zhì)原因.設(shè)計注重學科知識的邏輯順序與學生認知發(fā)展規(guī)律的統(tǒng)一，通過基于科學方法融合的教學策略來促進概念理解，從“看到字模糊如何變清晰”的真實情景出發(fā)，以項目式驅(qū)動的方式，采用類比遷移、建立模型、實驗驗證等科學方法來組織教學，讓學生知其然，更知其所以然（如圖1所示）.

3 教學設(shè)計與實施

3.1 情景一

眼睛是心靈的窗戶，是我們獲取信息的主要器官.當我們看到前面的事物變模糊時，就不能準確得到有關(guān)信息.呈現(xiàn)已學過的平面鏡、凹面鏡、凸面鏡、玻璃磚和三棱鏡（如圖2所示）.

概念理解1 透鏡的“透”的含義

教師：應(yīng)該選擇下列哪類合適的光學鏡來讓事物變清晰？為什么？

學生：應(yīng)該選用第4、5種的鏡，因為前面的三面分別是平面鏡、凸面鏡和凹面鏡，光發(fā)生反射，無法透過.而后面的玻璃磚和三棱鏡光能夠折射透過，光才能進入人眼.

教師：那光能透過的第4、5種的鏡子是否都能達到目的？

學生：應(yīng)該是第5種的三棱鏡可以，可以讓光發(fā)生偏折，而第4種的玻璃磚只是讓光發(fā)生平移.

設(shè)計意圖：從已學的鏡中采用科學方法中的分類思想，區(qū)分“面鏡”的原理是光的反射，“透鏡”的原理是光的折射，建構(gòu)“透鏡”的初步概念，也從“凹面鏡”對光的會聚和“凸面鏡”對光的發(fā)散作用來為第二種分類方法做鋪墊.并且采用“結(jié)構(gòu)—功能—用途”的逆向思維，從光要能透過和偏折角度來選擇三棱鏡.

3.2 情景二

根據(jù)實驗一束光斜射入三棱鏡中，由于折射，出射光向底面偏折，如采用兩面三棱鏡，讓學生展示組合方式來矯正視線模糊（如圖3所示）.

概念理解2 透鏡對光的會聚（發(fā)散）的原因

教師：觀察讓平行光通過三棱鏡組合時光的偏折情況.以及讓平行光通過兩透鏡的光偏折情況（如圖4所示）.大家發(fā)現(xiàn)了什么？

學生：三棱鏡組合對光的偏折與兩透鏡對光偏折相似.

教師：為什么會有相似的現(xiàn)象？

學生：三棱鏡組合的結(jié)構(gòu)與透鏡的結(jié)構(gòu)一樣，對光的偏折也就相同.

教師：采用分割的方式，我們發(fā)現(xiàn)這兩個透鏡就是由一些形狀相似的棱鏡組合而成的（如圖5所示）.

設(shè)計意圖：采用“實驗+模型”科學方法來探究透鏡會聚與發(fā)散的奧秘.通過三棱鏡對光的偏折特點，用三棱鏡的組合來建構(gòu)模型，與實際透鏡的光偏折比對.從現(xiàn)象的一致性出發(fā)，考慮它們結(jié)構(gòu)的相似之處，根據(jù)“組合”與“分解”辯證關(guān)系，簡化和抽象出模型，并根據(jù)條件來發(fā)展模型，達到更好的教學效果.

3.3 情景三

四人一小組，每組中有六塊透鏡、手電筒、激光筆等器材（如圖6所示），采用小組合作的方式一起尋找透鏡的特征差異，探究透鏡的分組.

概念理解3 ?凸透鏡和凹透鏡的分類

教師：既然這兩種透鏡對光的偏折不同，我們?nèi)绾畏诸惡兔?？大家分組實驗探究.

學生：通過比較透鏡中央和邊緣的厚薄加以辨別（摸），從側(cè)面觀察會更直觀.

教師：根據(jù)形狀命名：中央厚邊緣薄的為凸透鏡，中央薄邊緣厚的為凹透鏡.

學生：通過觀察透鏡的成像情況（放大的像還是縮小的像）來看.

學生：通過手電筒的平行光照射，觀察光是會聚還是發(fā)散入手加以辨別（照）.

教師：根據(jù)對光的偏折命名：對光起會聚作用的凸透鏡也叫會聚透鏡，對光起發(fā)散作用的凹透鏡也叫發(fā)散透鏡.

學生：還可以通過晃動透鏡，若發(fā)現(xiàn)像的晃動方向與透鏡相同，則該透鏡是凹透鏡，若發(fā)現(xiàn)像的晃動方向與透鏡相反，則該透鏡是凸透鏡（晃）.

教師：大家評價一下各種方法的優(yōu)劣，是否有最好的一種方法.

學生：光學儀器的規(guī)范要求我們不能直接用手摸，這樣如果在陽光下，照的方法就比較好，如果觀察近處書上的字，可以用看或者晃的方法.

教師：沒有哪種方法是最好的，要根據(jù)實際的條件情況來選擇合適的方法.

設(shè)計意圖：根據(jù)透鏡的結(jié)構(gòu)差異以及對光的偏折效果不同來分類.分別從最直觀的結(jié)構(gòu)特征、對平行光線的作用、成像特點、移動方向來進行區(qū)分.根據(jù)師生點評辨別透鏡的優(yōu)缺點，以評價促進學生的思維發(fā)展.

3.4 情景四 透鏡的基本概念和三條特殊光線的融合教學

概念理解4 焦點、光心、焦距、主光軸的基本概念

教師：我們根據(jù)模糊情況來選擇透鏡類型，是否所有的透鏡都可以佩戴呢？

學生：不行，需要了解佩戴透鏡的偏折效果.就像到眼鏡店去配鏡需要了解眼睛近視和遠視的程度，佩戴合適度數(shù)的透鏡.

教師：我們把凸透鏡放在太陽底下，調(diào)節(jié)凸透鏡與地面的距離，可以發(fā)現(xiàn)能產(chǎn)生一個最小最亮的點，這是什么原因？

學生：凸透鏡對光有會聚作用，將平行光偏折相交于一點，因為是所有光會聚在一起，所以特別亮.

教師：如果將引火之物放在最小最亮點上，物體能引燃，這個點光學上稱為焦點，用F表示.我們知道當光發(fā)生折射現(xiàn)象時，垂直入射界面時，光線的方向不變，采用類比思維，凸透鏡的折射現(xiàn)象中是否有這種情況？

學生：我們可以用平行光線，從上到下依次平移，的確找到在透鏡的中心點，光的傳播方向保持不變，偏轉(zhuǎn)光的傳播角度對準中心，觀察光的傳播情況（如圖7所示）.

教師：通過雙凸透鏡的兩個球面的球心的直線叫主光軸.

概念理解5 透鏡有兩個焦點，并且兩個焦點到光心的距離相等

教師：實驗演示：凸透鏡通過實驗驗證，左邊用三條激光，右邊會聚成一個亮點，然后右邊也用三條激光，左邊也會聚成一個亮點，實焦點有兩個，到光心的距離相等，這距離我們可以稱為什么？

學生：焦距，用f表示.

教師：凹透鏡的光線是發(fā)散的，無法會聚于一點.采用類比思維，平面鏡成的像也不是實際光線形成的，而是反射光線的反向延長線交于一點，這樣形成的像稱為虛像，那么凹透鏡折射后的反向延長線也交于一點，我們可以稱之為什么？

學生：虛焦點（如圖7所示）.也可以采用上面凸透鏡的方式來驗證兩個虛焦點到光心的距離相等.

概念理解6 透鏡的三條特殊光線

教師：凸透鏡的特殊光線1，演示凸透鏡在太陽光下能形成一個最小最亮的光斑，請大家根據(jù)上述情景畫出其中一條光線的光路圖.

學生：因為太陽離地球比較遠，光可以近似為平行光，畫出平行于主光軸的光線，最小最亮相當于把折射光經(jīng)過這個點.即平行于主光軸的光，經(jīng)過凸透鏡后，過焦點.

教師：凸透鏡的特殊光線2，根據(jù)光路可逆性原理，如果這邊有一條過焦點的光線，經(jīng)過凸透鏡后會怎樣？（演示實驗，與之前的光路重合）

學生：過焦點的光經(jīng)過凸透鏡折射后，平行于主光軸射出.

教師：凸透鏡的特殊光線3，剛才大家在找到光心的時候，也發(fā)現(xiàn)一個特殊現(xiàn)象，經(jīng)過光心的各條光線，方向不變射出.

學生：過光心的光線傳播方向不變.

設(shè)計意圖：焦點、光心、焦距和主光軸表面上是零碎的概念，其實有著密切的聯(lián)系，三條特殊光線也涉及到過焦點、過光心、平行主光軸，所以兩部分是密不可分.對點、距離、線的命名完全符合數(shù)學的表示方法.更是從定性的分類到定量探究透鏡的數(shù)據(jù)，來逐步完成透鏡的準確配置來解決視線模糊問題.

3.5 情景五 學以致用

在冰天雪地想要點火，如何制作冰棱鏡并使用它來取火？

通過取火目的要求制作冰棱鏡為凸透鏡，在磨制過程要中間厚邊緣薄，會聚陽光，讓太陽光平行于主光軸，將引火之物放在焦點處.

車內(nèi)、森林內(nèi)部不能留裝水的礦泉水瓶，你如何向長輩們解釋？

裝水的礦泉水瓶相當于一個凸透鏡，遇到陽光照射，會把平行的太陽光會聚在焦點，容易引燃車內(nèi)的坐墊或森林中的枯草，造成火災(zāi).

設(shè)計意圖：基于真實情景的習題評估，有利于學生結(jié)合所學的知識點解釋發(fā)生的現(xiàn)象.評估學生的理解程度有兩個指標：第一是釋義，就是用自己的語言說明做出什么推論以及為什么做出這樣的推論，就是通常給出的準確的證明和理由.第二是遷移，就是將所學應(yīng)用到新的情境中（即遷移）.不僅要給出答案，還要給出理由，并且他們應(yīng)該能夠?qū)⒆罱鶎W的知識應(yīng)用到新的相關(guān)情境中去.

4 教學效果和反思

20世紀90年代，由斯賓塞基金資助的零點項目和哈佛大學教育研究生院提出了 “為理解而教”，倡導(dǎo)理解的教學逐漸成為國際教育研究的趨勢.在科學教育領(lǐng)域，概念理解具有整體性、層次性和精細化三大特征.本節(jié)教學設(shè)計以解決視線模糊的真實情景驅(qū)動為教學主線，對“透鏡”基本概念（焦點、光心、焦距、主光軸）的字面理解和深度含義為重點突破，并將基本概念與透鏡的三條特殊光線融合層析.

4.1 基于學生前概念的評估為出發(fā)點

學生在日常生活中，已經(jīng)積累很多正確的或者錯誤的、完整的或者片面的、淺層的或者深層次的前概念，這些前概念往往成為學習新概念的基礎(chǔ)，只有正確評估學生前概念，才能更好地實施概念理解的層次性.可以分為以下三個階段對概念進行理解.

第一階段：學生要么先將學習內(nèi)容死記硬背下來，這些概念并沒有活化，被封存在知識體系的角落中，不能很好地得到解釋和釋義.

第二階段：調(diào)動已有經(jīng)驗，盡可能地運用與當前學習內(nèi)容相似的、已領(lǐng)會的知識，學生自主應(yīng)用往往還具有一定困難.

第三階段：經(jīng)過類比、遷移、轉(zhuǎn)換等科學思維逐步培養(yǎng)，積極地拓展知識體系，有意識地去選擇和建構(gòu)模型，形成合適的 “錨點”，立足思維發(fā)展，能做到理解層次的洞察與移情.

4.2 采用科學方法區(qū)塊鏈為整體推進

在教學中科學方法的運用有兩種方式：第一種是以某種科學方法為主體，其他科學方法輔助，比如在研究地球、宇宙和空間科學中經(jīng)常會采用模擬實驗的科學方法來組織教學中概念的建構(gòu)和理解;在概念定義中會使用比值定義法等.第二種是多種科學方法并沒有主次之分，采用區(qū)塊鏈整合的方式來推進.比如以 “類比遷移—模型建立—實驗驗證”為思維主線來研究、描述、實施、總結(jié)和檢驗科學現(xiàn)象，從而揭示研究對象的本質(zhì)屬性，達到概念的整體化理解.

4.3 采用科學方法隱性與顯性相結(jié)合

科學方法的隱性教學雖然能在潛移默化的過程中滲透，但科學方法種類較多，有些方法未明確定義和解讀，學生容易混淆[3].更涉及到科學方法出現(xiàn)的頻率和是否引起學生共鳴等問題，隱性教學的周期長，見效慢.而科學方法的顯性教學，容易讓科學知識和科學方法兩者剝離，讓思維的教學成為無根之水.所以采用科學方法隱性與顯性相結(jié)合的方式，在隱性教育階段滲透科學方法的形式、程序，使學生切身感受探究過程，體會科學方法的內(nèi)涵;在探索過程結(jié)束之后進入顯性教育階段，顯化方法教學，概括講授科學方法的名稱、內(nèi)涵、形式、步驟等，使學生明確地意識到知識背后的方法，在知識傳遞的過程中，體悟到科學方法的精髓，理解概念的內(nèi)涵和外延[4].

以科學方法促進概念理解的教學設(shè)計，有效整合分類、轉(zhuǎn)換、類比、實驗等科學方法的思想，提高學生問題解決能力和科學探究能力，在注重掌握知識與能力為載體的基礎(chǔ)上，讓理解意義和學會遷移落地生根.在解決真實問題的過程中逐漸建構(gòu)和剖析概念，通過對學科核心概念的理解來培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng)[5].

參考文獻：

[1]陳鋒.初中科學概念教學范式創(chuàng)新研究[J].教育評論，2016（11）：135-139.

[2]劉徽.設(shè)計優(yōu)質(zhì)單元——讀《理解為先模式——單元教學設(shè)計指南（一）》[J].現(xiàn)代教學，2018（09）：76-79.

[3]巫亞珍.初步探討初中物理探究教學中滲透科學方法的教育[D].蘇州：蘇州大學，2008.

[4]楊靜，林欽.隱顯性相結(jié)合：物理概念建立的一種科學方法教育[J].福建基礎(chǔ)教育研究，2020（01）：101-104.

[5]彭紅艷.新課程背景下中學物理教學的情境創(chuàng)設(shè)[J].中學物理，2009，27（18）：42-44.

（收稿日期：2021-03-04）