指向?qū)W生科學(xué)論證能力培養(yǎng)的教學(xué)設(shè)計(jì)*
——以“平面鏡成像”為例

胥文麗 陳紅君

(長(zhǎng)春師范大學(xué)物理學(xué)院 吉林 長(zhǎng)春 130032)

1 概述

1.1 概念界定

科學(xué)論證能力指的是當(dāng)學(xué)生遇到有關(guān)涉及科學(xué)問題的情境時(shí),能夠依靠自己所擁有的知識(shí),提出初步的論點(diǎn)或觀點(diǎn),并且同時(shí)可以使用相應(yīng)的證據(jù)進(jìn)行邏輯推理去驗(yàn)證和支持自己的觀點(diǎn)[1],在提出觀點(diǎn)之后,同樣可以有理有據(jù)地面對(duì)他人反復(fù)的質(zhì)疑和反駁,并且依靠所得證據(jù)使得他人與自己的觀點(diǎn)保持一致.

由此可見,科學(xué)論證能力在學(xué)生學(xué)習(xí)過程中,尤其是問題探究式學(xué)習(xí)過程中有著至關(guān)重要的作用.這種能力的培養(yǎng)很大程度上依賴于問題情境的創(chuàng)設(shè),首先要引發(fā)學(xué)生思考,從而開展一系列論證活動(dòng),在潛移默化之中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)論證能力.

1.2 提出問題

當(dāng)下物理教學(xué)中普遍減少了學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)探究的過程,而是教師直接演示實(shí)驗(yàn)或者直接展示多媒體材料,忽略了學(xué)生的參與和探究,只突出結(jié)果導(dǎo)向,而并未使學(xué)生真正體會(huì)物理學(xué)習(xí)更應(yīng)該有的探究精神[2].學(xué)生缺乏探究,沒有互相交流討論的過程,更沒有邏輯推理得出觀點(diǎn)的感受,只是死板的記憶.而“平面鏡成像”這一節(jié)內(nèi)容在初中物理教學(xué)階段普遍存在這樣的問題,這種問題式探究教學(xué)的課程,除了教師的情境創(chuàng)設(shè)和概念教學(xué),實(shí)驗(yàn)探究也是必不可少的[3],在這個(gè)過程中,要培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究和邏輯推理能力,并且要使學(xué)生熟練地掌握物理論證式學(xué)習(xí)的方法、有效地解決實(shí)際問題[4].

針對(duì)這一問題,本文以“平面鏡成像”為例進(jìn)行了指向培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)論證能力的教學(xué)設(shè)計(jì).旨在教學(xué)過程中,通過教師引導(dǎo),學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)探究過程,并且在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中,依靠自己的證據(jù)支持進(jìn)行一系列邏輯推理[5],并在實(shí)驗(yàn)之后交流討論和反駁質(zhì)疑的過程中,潛移默化地培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)論證能力,從而發(fā)展學(xué)生的物理思維,使學(xué)生能有邏輯、有依據(jù)的得出結(jié)論并獲取知識(shí)[6],在以后的學(xué)習(xí)過程中依靠這種能力有效地解決實(shí)際問題.

2 設(shè)計(jì)思路

關(guān)于如何培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)論證能力也已經(jīng)有了許多的研究,而本節(jié)內(nèi)容主要根據(jù)圖爾敏論證模式中最基本的要素(主張、依據(jù)和資料)以及韓葵葵(完整的論證結(jié)構(gòu)包括:提出科學(xué)論點(diǎn)、提出反駁點(diǎn)、反駁)、彌樂(提出了科學(xué)論證能力的發(fā)展進(jìn)階表現(xiàn)框架,并將其劃分為初級(jí)——提出觀點(diǎn)的能力、中級(jí)——基于證據(jù)進(jìn)行推理的能力、高級(jí)——反駁論證的能力)等多名學(xué)者的研究,歸納出如表1所示的學(xué)生針對(duì)本節(jié)內(nèi)容進(jìn)行科學(xué)論證并有效提高科學(xué)論證能力和幫助學(xué)生掌握科學(xué)論證的關(guān)鍵要素[7].

表1 掌握科學(xué)論證的關(guān)鍵要素

3 “平面鏡成像”教學(xué)環(huán)節(jié)

在學(xué)習(xí)本節(jié)內(nèi)容之前學(xué)生已經(jīng)掌握了“光的直線傳播”和“光的反射”的內(nèi)容,對(duì)光現(xiàn)象已經(jīng)有了初步的認(rèn)知和知識(shí)基礎(chǔ),這為本節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ).

以下是“平面鏡成像”的主要教學(xué)環(huán)節(jié).

3.1 創(chuàng)設(shè)問題情境 引發(fā)學(xué)生論證思考

教師通過多媒體設(shè)備向?qū)W生展示“小貓咪照鏡子”的圖片,讓學(xué)生思考兩個(gè)問題:

(1)生活中還有哪些與“小貓咪照鏡子”類似的現(xiàn)象?

(2)通過我們的日常觀察,這種現(xiàn)象有什么特點(diǎn)呢?

對(duì)問題的思考使學(xué)生將課堂展示的內(nèi)容與生活實(shí)際聯(lián)系起來,表現(xiàn)出物理源于生活又回歸于生活的同時(shí),引發(fā)學(xué)生對(duì)日常生活現(xiàn)象的思考和注意.通過教師提問,激發(fā)學(xué)生主動(dòng)思考的科學(xué)思維能力,學(xué)生能舉一反三地列出生活中與之相關(guān)的例子,比如:用梳妝鏡梳妝,在學(xué)校里看著儀容儀表鏡整理著裝,用理發(fā)店的鏡子觀看自己發(fā)型的改變,湖面的倒影等等.

在經(jīng)過思考之后學(xué)生可以總結(jié)出此類現(xiàn)象的特點(diǎn),比如:鏡子里的像與物體或人本身的大小有時(shí)候一樣大,有時(shí)候不一樣大;鏡子外的物體或人動(dòng)的時(shí)候鏡子里面的像也跟著一起動(dòng)等等.體現(xiàn)了學(xué)生已經(jīng)可以根據(jù)現(xiàn)象總結(jié)歸納出一個(gè)物理規(guī)律和物理概念的雛形,形成了關(guān)于“平面鏡成像”的初步物理觀念,也表明學(xué)生已經(jīng)可以進(jìn)行初步的概括并形成自己的理解,也是科學(xué)論證能力的初步體現(xiàn).

3.2 進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn) 體會(huì)科學(xué)探究過程

經(jīng)過問題情境下學(xué)生的初步論證思考,得出相關(guān)的結(jié)論之后,教師組織學(xué)生開始進(jìn)行關(guān)于“平面鏡成像特點(diǎn)”的探究.在實(shí)驗(yàn)過程中,要求學(xué)生基于自己剛才所得出的結(jié)論進(jìn)行觀察,主要針對(duì)物體與像的大小關(guān)系以及物體與像的位置變化特點(diǎn)進(jìn)行研究.“平面鏡成像”實(shí)驗(yàn)基本操作如圖1所示.

圖1 “平面鏡成像”實(shí)驗(yàn)基本操作圖

在實(shí)驗(yàn)過程中,學(xué)生主要通過使用不同大小的蠟燭進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)物與像的大小是相等的,再通過改變物體的位置發(fā)現(xiàn),像的位置隨物體的位置改變而改變,通過測(cè)量發(fā)現(xiàn),物體跟它所成的像到平面鏡的距離相等,物與像的連線跟鏡面是垂直的.

通過以上實(shí)驗(yàn)探究過程,學(xué)生在教師的指導(dǎo)下依靠自己的力量完成了實(shí)驗(yàn),并且在實(shí)驗(yàn)過程中,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀察和數(shù)據(jù)記錄,得出“平面鏡成像的特點(diǎn)”:像與物的大小相等;像與物到平面鏡的距離相等;像與物的連線與鏡面垂直.在整個(gè)過程中,學(xué)生基于自己提出的問題進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn),在實(shí)驗(yàn)過程中不停地觀察記錄,根據(jù)現(xiàn)象和結(jié)果進(jìn)行邏輯推理和論證,改變了自己對(duì)“平面鏡成像”原有的比如“近大遠(yuǎn)小”的認(rèn)知,最終得出準(zhǔn)確的結(jié)論.

3.3 學(xué)生得出結(jié)論 交流討論實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于學(xué)生實(shí)驗(yàn)得出來的結(jié)論,教師要求學(xué)生之間互相交流,并且對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行反思,主要討論的有以下兩個(gè)問題:

(1)在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中還有哪些地方有不足或者可以改善?

(2)回憶實(shí)驗(yàn)過程,我們發(fā)現(xiàn)平面鏡成像所遵循的光學(xué)原理又是什么呢?

對(duì)于問題(1),學(xué)生主要圍繞兩個(gè)方面進(jìn)行熱烈的討論:在實(shí)驗(yàn)過程中,進(jìn)行反復(fù)實(shí)驗(yàn),移動(dòng)過程中,蠟燭的燃燒有一定的危險(xiǎn)性;物與像的距離測(cè)量比較麻煩.在交流討論過程中,經(jīng)過一系列彼此的反駁和相互質(zhì)疑,大家最終得出了一致的解決辦法:蠟燭可以改用大小不一的幾組電蠟燭替代;將本來墊在玻璃板下面的紙板,換成帶有格子的紙板或者手動(dòng)在紙板上畫出格子,以格數(shù)來表示距離的大小,不僅便于讀數(shù),還能提高實(shí)驗(yàn)效率.

對(duì)于問題(2),在教師的指導(dǎo)下,學(xué)生展開平面鏡成像的圖示較量,大家一一畫出自己實(shí)驗(yàn)過程中蠟燭成像的光路圖,如圖2所示.經(jīng)過觀察發(fā)現(xiàn),平面鏡成像的光路遵循光的反射定律,并且發(fā)現(xiàn)我們看到的實(shí)驗(yàn)中蠟燭所成的像不是真實(shí)存在的,人眼看到的光也是蠟燭本身發(fā)出的,學(xué)生由此現(xiàn)象再結(jié)合教材上的知識(shí),最終知道了,蠟燭在平面鏡背后所成的像看得見摸不著,叫做虛像.

圖2 光路圖

經(jīng)過探究實(shí)驗(yàn)之后的討論交流,學(xué)生比較完整地體驗(yàn)到了科學(xué)論證的邏輯推理過程,也進(jìn)行了反駁和質(zhì)疑的過程,學(xué)生之間發(fā)生了思維的碰撞,也使得學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣到達(dá)這節(jié)課的頂峰.在此過程中,學(xué)生基于自己獲得的結(jié)論不斷地相互交流和討論,質(zhì)疑和反駁,直到學(xué)生們得出能完全應(yīng)對(duì)反駁質(zhì)疑的結(jié)論.對(duì)于學(xué)生來說,其實(shí)已經(jīng)在這樣的過程中,潛移默化地進(jìn)行了科學(xué)論證的過程,并且也有效地提升了自己的科學(xué)論證能力,反復(fù)的辯駁并對(duì)自己已有結(jié)論的修改確定的過程,也是體現(xiàn)學(xué)生高階物理思維能力的過程.

3.4 提出實(shí)際問題 科學(xué)論證解決問題

經(jīng)過教師指導(dǎo)下學(xué)生的學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)探究,在系統(tǒng)地進(jìn)行科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)的過程中潛移默化地掌握了科學(xué)論證的方法,并且也掌握了科學(xué)論證的關(guān)鍵要素.那么如何知道學(xué)生經(jīng)過這一過程是否已經(jīng)掌握了“平面鏡成像”的知識(shí)?在實(shí)際應(yīng)用中學(xué)生能不能用已有的知識(shí)解決問題?學(xué)生在解決問題的過程中還是否會(huì)體現(xiàn)科學(xué)論證的關(guān)鍵要素呢?

基于上述問題,教師提出一個(gè)實(shí)際問題來幫助學(xué)生鞏固新知識(shí)并且學(xué)會(huì)用科學(xué)論證的方法解決問題.

教師展示圖片并提出問題:

如圖3所示是兩個(gè)放在玻璃上的核桃的成像圖,同學(xué)們根據(jù)我們所學(xué)過的內(nèi)容去觀察一下,我們會(huì)發(fā)現(xiàn)什么呢?

圖3 核桃成像圖

學(xué)生利用觀察法,首先可以直觀地看出圖中有兩個(gè)并列的核桃,并且通過比較發(fā)現(xiàn)有兩組大小不一且位置不一樣的“影子”,從而學(xué)生在腦海里形成思考,它們是怎么形成的呢?在學(xué)生觀察完畢之后,教師緊接著提出下一個(gè)問題:

那么同學(xué)們能否判斷出,這兩組不同的“影子”分別遵循什么規(guī)律呢?

學(xué)生在思考過程中,首先建立起這跟本節(jié)課所學(xué)內(nèi)容“平面鏡成像”肯定有關(guān),其次,圖中有兩組“像”,那緊接著學(xué)生就要推理思考并產(chǎn)生質(zhì)疑,兩組“影子”都是遵循“平面鏡成像”的規(guī)律嗎?經(jīng)過邏輯推理分析得出結(jié)論并不是如此,將這個(gè)想法駁斥之后,緊接著學(xué)生就會(huì)產(chǎn)生新的依據(jù),那兩組“像”遵循不同的規(guī)律的話,學(xué)生先由平面鏡成像的對(duì)稱性觀察圖片之后得出一個(gè)結(jié)論:核桃下方的比較清晰的像是遵循平面鏡成像規(guī)律的,這個(gè)像跟核桃本身關(guān)于玻璃鏡面對(duì)稱,并且大小相等.緊接著再由之前所學(xué)的“光的直線傳播”的相關(guān)知識(shí),得出另一個(gè)結(jié)論:核桃后面較大較長(zhǎng)的影子是由于光的直線傳播導(dǎo)致的,并且光的方向在影子的反方向.

經(jīng)過以上學(xué)生對(duì)教師提出問題的思考討論,不難發(fā)現(xiàn),學(xué)生經(jīng)過一定的潛移默化,很容易就可以在面臨新的問題時(shí)依據(jù)已有的物理概念和物理規(guī)律進(jìn)行邏輯推理,并且這種行為是主動(dòng)的、積極的,足以體現(xiàn)科學(xué)論證的方法在學(xué)生解決實(shí)際問題時(shí)也有著至關(guān)重要的作用.將生活中隨處可見的小現(xiàn)象放到課堂上讓學(xué)生深入思考,既能體現(xiàn)物理源于生活又回歸生活的本質(zhì),又能使學(xué)生意識(shí)到所學(xué)的知識(shí)和方法不僅可以解決課本上的問題,也能為我們生活中無處不在的物理現(xiàn)象做解答,使得學(xué)生在熱愛物理的道路上也漸漸熱愛生活.

4 結(jié)束語

本研究旨在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)論證能力所設(shè)計(jì)的教學(xué)環(huán)節(jié).通過創(chuàng)設(shè)熟悉的、真實(shí)的問題情境,使學(xué)生感受生活中無處不在的物理現(xiàn)象,激發(fā)學(xué)生的思考和學(xué)習(xí)興趣.在學(xué)生建立起初步的物理概念以及物理規(guī)律之后,以此為依據(jù)和問題展開實(shí)驗(yàn)探究,在科學(xué)探究的過程中運(yùn)用觀察法和記錄法,在對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果進(jìn)行邏輯推理,得出自己的結(jié)論之后,學(xué)生之間展開交流討論,互相辯駁質(zhì)疑,在此過程中對(duì)所得觀點(diǎn)不斷推翻重建,反復(fù)修正,得出最終結(jié)論.整個(gè)學(xué)習(xí)過程也是學(xué)生科學(xué)探究的過程,學(xué)生將科學(xué)論證能力和科學(xué)概念相結(jié)合,在依靠證據(jù)進(jìn)行邏輯推理和批判質(zhì)疑的過程中提升自己的科學(xué)理解,同時(shí)也潛移默化地習(xí)得了科學(xué)論證的要素,提升了科學(xué)論證的能力,并且還能在解決實(shí)際問題過程中巧妙地應(yīng)用.