基于真實情境的科學(xué)探究對學(xué)生深度學(xué)習(xí)促進(jìn)的研究
——以“凸透鏡成像規(guī)律”的教學(xué)改革實踐為例

郭 慶，文兵前，舒 冬

1.電子科技大學(xué)實驗中學(xué)，成都 611731

2.成都高新區(qū)教育發(fā)展中心，成都 610041

凸透鏡成像規(guī)律及其應(yīng)用在初中物理教學(xué)和各類考查中，一直是一個難點(diǎn)問題。學(xué)生囿于難以從真實的科學(xué)探究中觀察到相應(yīng)的像及其變化特點(diǎn)，故教學(xué)中往往存在重結(jié)論應(yīng)用、輕探究過程的問題，更甚是只關(guān)注結(jié)論而忽略科學(xué)探究的實際問題。當(dāng)然，這與培養(yǎng)學(xué)生的深度學(xué)習(xí)和提升學(xué)生的核心素養(yǎng)是相悖的。

本文從對一道習(xí)題的質(zhì)疑與思考出發(fā)，引發(fā)了要以單元教學(xué)設(shè)計為知識統(tǒng)整導(dǎo)向，利用真實情境科學(xué)探究再建構(gòu)的思考。完成了以“凸透鏡成像規(guī)律”為科學(xué)探究和科學(xué)知識核心內(nèi)容的教學(xué)實踐嘗試，以期達(dá)到促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)，提高學(xué)生的科學(xué)思維進(jìn)階發(fā)展和科學(xué)探究能力的目標(biāo)，從而完成對學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)目標(biāo)。

1 科學(xué)探究對學(xué)生深度學(xué)習(xí)的促進(jìn)作用

時代發(fā)展背景下對人才素養(yǎng)的要求提出了要從“關(guān)注外在知識層面逐漸走向關(guān)注內(nèi)在的、縱深的學(xué)習(xí)過程層面，超越淺表化、形式化的淺層學(xué)習(xí)”［1］，也就是說提出了要達(dá)到“深度學(xué)習(xí)”的要求。

北師大的郭華教授對深度學(xué)習(xí)做了如下定義：“所謂深度學(xué)習(xí)，就是指在教師引領(lǐng)下，學(xué)生圍繞著具有挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)主題，全身心積極參與、體驗成功、獲得發(fā)展的有意義的學(xué)習(xí)過程?！彼岢錾疃葘W(xué)習(xí)要強(qiáng)調(diào)學(xué)生的主體地位，要將有整合性、挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)單元作為深度學(xué)習(xí)的教學(xué)內(nèi)容，要在真實情境中讓深度學(xué)習(xí)真正發(fā)生，這樣才能培養(yǎng)未來社會實踐的主人［2］。

從深度學(xué)習(xí)的內(nèi)涵來看，既體現(xiàn)了《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022 年版）》（以下簡稱《新課標(biāo)》）提出的“聯(lián)系生產(chǎn)生活實際創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)情境”要求，也包含著《新課標(biāo)》一級主題“實驗探究”中提到的“學(xué)生要通過科學(xué)探究建構(gòu)物理概念，深化對物理規(guī)律的認(rèn)識，領(lǐng)悟其內(nèi)涵及相互聯(lián)系”的要求［3］。

由此可見，科學(xué)探究與深度學(xué)習(xí)在研究內(nèi)涵、理念、內(nèi)容上有較大程度的重疊部分。因此，建構(gòu)以科學(xué)探究為核心內(nèi)容的單元教學(xué)設(shè)計，創(chuàng)設(shè)真實的科學(xué)探究情境，精心架構(gòu)探究活動及設(shè)計驅(qū)動問題體系，學(xué)生能夠在真實的學(xué)習(xí)情境中發(fā)現(xiàn)有挑戰(zhàn)性的問題并展開深度學(xué)習(xí)，可以讓學(xué)生更好地建構(gòu)知識網(wǎng)絡(luò)，自主全面地掌握知識間的聯(lián)系，最終完成對知識的遷移與應(yīng)用。

這是以科學(xué)探究促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)的一種途徑，也是以深度學(xué)習(xí)培養(yǎng)學(xué)生相應(yīng)核心素養(yǎng)的重要方式［4］。

2 從一道考題引發(fā)指向深度學(xué)習(xí)的教學(xué)思考

【題目來源：成都某區(qū)期末考試題】

【題目節(jié)選】 如圖1 乙是做凸透鏡成像實驗時的情境，此時光屏上呈現(xiàn)清晰的像。若拿掉光屏，直接用眼睛觀察，則在哪個區(qū)域可以看到蠟燭的清晰的實像（ ）

圖1 考查題目圖像

A.光屏處

B.光屏上方

C.光屏和透鏡之間

D.光屏右方

【參考答案】 D

【學(xué)生答題情況調(diào)研結(jié)果】 根據(jù)凸透鏡成實像時像與物體在蠟燭兩側(cè)的結(jié)論，結(jié)合光屏位置判斷，此時在光屏右方可能觀察到像，故D 選項符合題意。

【教學(xué)分析】 此題的考查導(dǎo)向是讓學(xué)生重視在凸透鏡成像規(guī)律探究實驗中的操作步驟（即不通過光屏，直接觀察蠟燭經(jīng)凸透鏡所成的像）。而尋找成像位置及特點(diǎn)在教學(xué)中往往都是讓學(xué)生利用光屏尋找確定，忽視了用眼睛直接觀察這一步驟，所以學(xué)生對該考點(diǎn)其實是存在學(xué)習(xí)盲點(diǎn)的。

這就引發(fā)了筆者思考，去掉光屏后，直接用眼睛觀察，究竟哪些區(qū)域能看到凸透鏡成的像？實像和虛像是否有不同的特點(diǎn)以及可視區(qū)域之分？ 并且類似上述問題，在很多考題中也反復(fù)出現(xiàn)，例如下文所列的考點(diǎn)類比節(jié)選的兩個問題：

【考點(diǎn)類比節(jié)選】 在“探究凸透鏡成像規(guī)律”的實驗中：

【題目節(jié)選】

1.實驗中，不但虛像可以用肉眼直接看到，實像也可以用肉眼直接看到，若拿掉光屏，用肉眼在_____（選填“A”“B”或“C”）位置沿圖示方向能看到這個實像（圖2）。

圖2 考點(diǎn)類比1 題目圖像

【參考答案】 C

2.如圖3 乙所示，燭焰能在光屏上形成清晰的像。如果此時撤去光屏，人眼在如圖3 乙所示的位置_____（選填“能”或“不能”）直接看到燭焰的實像。

圖3 考點(diǎn)類比2 題目圖像

【參考答案】 能

將以上三個題目中的問題進(jìn)行再提煉和對比，可以發(fā)現(xiàn)，考點(diǎn)類比1 和2 的問題指向的是眼睛在給定區(qū)域內(nèi)能否觀察到光源經(jīng)凸透鏡所成的像，這個區(qū)域的劃分符合許多學(xué)生心中既定的光屏位置。

但針對我們研究的題目而言，其提問的觀察區(qū)域更廣，因此采用相同的結(jié)論和經(jīng)驗作答會存在較大的錯誤可能。但學(xué)生多將這兩個問題混淆為同一類問題，因此關(guān)注科學(xué)探究過程中的環(huán)節(jié)設(shè)計，讓學(xué)生以真實實驗情境的體驗為基礎(chǔ)，識別并理解兩類問題的異同之處，是突破該教學(xué)難點(diǎn)的關(guān)鍵所在。

3 基于真實情境的深度學(xué)習(xí)教學(xué)研究與實踐

通過對考查題目的解析，以及審視“凸透鏡成像規(guī)律”科學(xué)探究的教學(xué)環(huán)節(jié)發(fā)現(xiàn)：我們常常都用光屏承接的方式讓學(xué)生尋找像的位置和特點(diǎn)，而忽視了讓學(xué)生通過眼睛直接觀察像的教學(xué)過程。通過從單元教學(xué)內(nèi)容的研判可知，該內(nèi)容與神奇的眼睛、通過透鏡看世界兩節(jié)內(nèi)容也有聯(lián)系。

因此，在整合三個課時的單元教學(xué)內(nèi)容基礎(chǔ)之上，確定了“以觀察促思考、以思考促實踐、以實踐達(dá)深度”的科學(xué)探究教學(xué)模式新嘗試，下面對該教學(xué)實踐作詳細(xì)介紹。

3.1 合單元設(shè)計，設(shè)遞進(jìn)臺階

根據(jù)前述分析，筆者選定了教科版初中物理八年級上冊“4.5 科學(xué)探究：凸透鏡成像規(guī)律”“4.6 神奇的眼睛”“4.7 通過透鏡看世界”三節(jié)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行單元教學(xué)整合，將觀察實驗現(xiàn)象、照相機(jī)拍攝實驗圖像、實驗?zāi)M成像、作圖法模擬成像原理、深度學(xué)習(xí)眼睛與照相機(jī)成像原理等問題拆分到不同課時中，以期通過層階遞進(jìn)的方式，通過不同課時中科學(xué)探究的具體內(nèi)容，促進(jìn)學(xué)生的深度學(xué)習(xí)。其具體教學(xué)內(nèi)容和設(shè)計流程如圖4 所示。

圖4 基于真實情境的科學(xué)探究單元設(shè)計教學(xué)內(nèi)容及流程圖

3.2 做真實探究，研真實問題

通過上述三課時的單元教學(xué)設(shè)計，將本文的研究問題進(jìn)行了拆解，即在每一個課時中，都逐級設(shè)計了科學(xué)探究的內(nèi)容，讓學(xué)生能夠在進(jìn)階式的學(xué)習(xí)中，逐步突破該教學(xué)難點(diǎn)。下面以F 光源在透鏡二倍焦距外這一具體實例進(jìn)行教學(xué)研究成果展示。

3.2.1 引入悟境：眼睛直接觀察成像特點(diǎn)

如圖5 是關(guān)于觀察區(qū)域的范圍和命名，圖6是實驗裝置拍攝圖（其中凸透鏡焦距為10 cm），表1 是通過眼睛在不同區(qū)域內(nèi)觀察到的成像特點(diǎn)記錄。

表1 眼睛在不同區(qū)域直接觀察成像特點(diǎn)

圖5 眼睛觀察區(qū)域命名圖

圖6 實驗裝置拍攝圖

3.2.2 引領(lǐng)悟識：照相機(jī)模擬眼睛成像照片拍攝

根據(jù)教材內(nèi)容可知，照相機(jī)和眼睛的成像原理都是凸透鏡成像規(guī)律的應(yīng)用內(nèi)容。因此，可以利用第2 個凸透鏡來檢驗成像以及采用照相機(jī)拍攝的兩種方法進(jìn)行對比研究，將眼睛直接觀察到的像記錄下來。采用以上兩種方法分別對第Ⅰ、第Ⅱ區(qū)域進(jìn)行了拍攝研究。其中，第Ⅰ區(qū)域內(nèi)拍攝到倒立的實像，根據(jù)拍攝位置不同，呈現(xiàn)放大、縮小和等大三種像，第Ⅱ區(qū)域內(nèi)拍攝到正立、縮小的實像。

3.3 促深度學(xué)習(xí)，返深度備課

3.3.1 引導(dǎo)悟技：光路作圖法分析成像特點(diǎn)異同

在對上述兩個區(qū)域內(nèi)成像情況進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，同一位置照相機(jī)模擬拍攝的圖像與透鏡模擬所成像的正倒情況是相反的，這一問題的成因如何呢？ 究竟哪種方法才是真正模擬眼睛觀察到的情況呢？

學(xué)生發(fā)現(xiàn)利用光路作圖的方法可以研究凸透鏡成像的特點(diǎn)，因此采用了光路作圖的方法對第Ⅰ區(qū)域內(nèi)F 光源經(jīng)兩次凸透鏡折射后的光路進(jìn)行了研究分析（圖7）?？梢钥吹皆诘冖駞^(qū)域內(nèi)觀察時，當(dāng)兩凸透鏡分別相距50 cm，30 cm 時，F(xiàn)光源經(jīng)凸透鏡兩次折射，最后在光屏上形成了正立的像（正立是相對于物體而言）。這個理論分析結(jié)果與凸透鏡模擬的實驗結(jié)果是一致的，但和照相機(jī)模擬眼睛時的拍攝結(jié)果相反，難道照相機(jī)的成像原理和凸透鏡成像規(guī)律的應(yīng)用其實不一致嗎？這是探究凸顯的第一個新問題。同理，在第Ⅱ區(qū)域內(nèi)拍攝和理論分析也發(fā)現(xiàn)了相同的問題（圖8），這里不再贅述。

圖7 （第Ⅰ區(qū)域）F 光源二次成像光路分析圖

圖8 （第Ⅱ區(qū)域）F 光源二次成像光路分析對比圖

而當(dāng)我們采用同樣的方法在第Ⅲ、第Ⅳ兩個區(qū)域觀察時，拍攝和觀察到了兩個不同的像，這和第Ⅰ、第Ⅱ區(qū)域觀察結(jié)果也不一致，這是探究凸顯的第二個新問題。

3.3.2 引申悟道：多元研究的思想統(tǒng)整

結(jié)合眼睛直接觀察、照相機(jī)拍攝、凸透鏡模擬和光路作圖的多種科學(xué)探究方法，其具體統(tǒng)計結(jié)果如表2 所示，從列表結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，成像特點(diǎn)在各區(qū)域結(jié)果有大部分的統(tǒng)一。

表2 多元研究方法結(jié)果統(tǒng)計表

但在第Ⅰ、第Ⅱ區(qū)域內(nèi)成像時倒立和正立上出現(xiàn)了相反情況，要解決這個問題，學(xué)生就必須要深度學(xué)習(xí)以眼睛為代表的視覺成像系統(tǒng)成像原理和照相機(jī)成像原理的知識。其深度學(xué)習(xí)的內(nèi)容要包含以下幾點(diǎn)：

（1）眼睛是一個十分復(fù)雜、精密的復(fù)合型光學(xué)成像系統(tǒng)，人眼通過視覺系統(tǒng)獲取外界信息時，不同于教材簡述的光經(jīng)過晶狀體后直接成像于視網(wǎng)膜的成像原理，而是先要將光信號經(jīng)過視覺通路轉(zhuǎn)化和傳遞到大腦視覺皮層，再由神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)制后才能傳遞到視網(wǎng)膜，然后形成對圖像的認(rèn)知信息。

（2）“調(diào)制過程”包含的是人體內(nèi)感知體位的器官將收到的圖像與認(rèn)知經(jīng)驗判斷的位置進(jìn)行比對，并給出圖像正立信號的過程［6］。即物體經(jīng)眼睛成像后的確形成了倒立的像，但是大腦視覺中樞最終對圖像信息進(jìn)行處理和反饋時，是以人通過自身經(jīng)驗積累的方向信息為基礎(chǔ)，自主地進(jìn)行了成像正立的認(rèn)知調(diào)制，從而將倒立成像在視網(wǎng)膜上的圖像傳遞為正立的信號進(jìn)行反饋。

（3）手機(jī)攝像頭成像時，物體的反光或發(fā)出的光經(jīng)過鏡頭后產(chǎn)生光學(xué)圖像，然后將光學(xué)圖像投射到圖像傳感器上，經(jīng)過CMOS 感光元件再轉(zhuǎn)換成電信號，再經(jīng)過內(nèi)部圖像信號處理器（Image Signal Processor,ISP）轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信號輸出［5］，這個轉(zhuǎn)換過程和前文提到的與調(diào)制類似的過程類似。

（4）而第Ⅲ、第Ⅳ區(qū)域，所看到的虛像成因則是：正立的虛像是凸透鏡前表面發(fā)生光的反射形成的，類似于凸面鏡成像；倒立的虛像也是凸透鏡后表面發(fā)生光的反射形成的，類似于凹面鏡成像。

4 結(jié)論

綜上可知，人眼能在各個區(qū)域內(nèi)直接觀察到光源經(jīng)凸透鏡后成的像。人眼在第Ⅰ區(qū)域觀察到的就是原來光屏上相同位置的像，即與考點(diǎn)類比題1 和2 的提問方式一致。而針對“直接用眼睛觀察到的像”，答案則是四個區(qū)域均可看到，只是其成像的虛實、方向和大小有不同的特點(diǎn)?！爸苯佑醚劬τ^察到的實像”則是在第Ⅰ、第Ⅱ區(qū)域內(nèi)都能夠觀察到。

有研究表明，學(xué)習(xí)情境越真實，學(xué)生建構(gòu)的知識就越可靠、越深刻，就越能夠指向?qū)W生的深度學(xué)習(xí)［4］。而科學(xué)探究則是能引導(dǎo)學(xué)生在創(chuàng)設(shè)的真實情境下，像科學(xué)家一樣開展深度研究與深度學(xué)習(xí)的一種重要形式。由此可見，利用真實情境為學(xué)生提供一個完整、真實的問題背景，以細(xì)化科學(xué)探究步驟、深化科學(xué)探究內(nèi)容的教學(xué)改革嘗試，能夠促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)、教師深度備課，以此能夠更好地回歸課堂本位，發(fā)揮好真問題探究促教學(xué)改革的作用。