科學(xué)思維視域下“ 雙鏈驅(qū)動” 的教學(xué)模式實(shí)踐與嘗試

摘 要：問題解決既是科學(xué)思維活動的常見形式，也是培養(yǎng)科學(xué)思維素養(yǎng)的重要路徑。以“ 光的反射規(guī)律及應(yīng)用” 教學(xué)為例，針對初中生的實(shí)際學(xué)情，將課程教學(xué)內(nèi)容轉(zhuǎn)化成基于問題解決的進(jìn)階性“ 問題鏈” ，并同步設(shè)計(jì)與之相對應(yīng)的“ 實(shí)驗(yàn)鏈” ，在問題鏈與實(shí)驗(yàn)鏈的環(huán)環(huán)相扣中突出教學(xué)主題，在科學(xué)思維進(jìn)階中萌發(fā)內(nèi)生動力，實(shí)現(xiàn)“ 雙鏈驅(qū)動” ，在任務(wù)設(shè)計(jì)與完成中達(dá)成問題解決的教學(xué)模式。實(shí)現(xiàn)科學(xué)思維培養(yǎng)，發(fā)展物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：雙鏈驅(qū)動;教學(xué)模式;科學(xué)思維視域;光的反射規(guī)律

中圖分類號：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

一、問題的提出

科學(xué)思維作為物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成部分，確立了科學(xué)思維在中學(xué)物理教育中的地位。物理是以觀察與實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的一門自然科學(xué)課程，在新課程標(biāo)準(zhǔn)背景下，一線教師大力倡導(dǎo)基于情境下的實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)，不但充分利用教材中配套的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，而且依據(jù)學(xué)情與思維培育需要補(bǔ)充大量的實(shí)驗(yàn)，多渠道開發(fā)一些創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)資源以及開發(fā)自制實(shí)驗(yàn)教具與學(xué)具，增加了學(xué)生動手的機(jī)會，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)單一性局面。筆者有幸作為省級優(yōu)質(zhì)課評委，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前賽課中引入大量相關(guān)“實(shí)驗(yàn)”，雖然活躍了課堂氣氛， 但是學(xué)生成了實(shí)驗(yàn)演示的“ 過客”，教學(xué)效果令人堪憂。很多思維深度相近的實(shí)驗(yàn)展示，既占用大量的課堂時間，也浪費(fèi)學(xué)生的精力，導(dǎo)致學(xué)生出現(xiàn)“多知”而“少智”的現(xiàn)象。特別是剛接觸物理學(xué)科的初中學(xué)生而言，提高他們的學(xué)科意識與學(xué)科素養(yǎng)至關(guān)重要，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)的科學(xué)思維含金量才是核心任務(wù)。其中問題解決的實(shí)驗(yàn)化教學(xué)是培養(yǎng)科學(xué)思維最常見的形式，因此如何在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中落實(shí)基于問題解決的、科學(xué)思維素養(yǎng)培養(yǎng)的教學(xué)策略，是新課程改革中值得研究的重要課題。

二、“ 雙鏈驅(qū)動” 的教學(xué)模式

問題是課堂教學(xué)的心臟，是產(chǎn)生思維的動因，問題解決是課堂教學(xué)的核心技術(shù)[1] ?！皩?shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，思維為中心” 是物理學(xué)科教學(xué)的立足點(diǎn)，建構(gòu)以“實(shí)驗(yàn)鏈” 為主的課堂教學(xué)資源，開發(fā)以“問題鏈” 為主的科學(xué)思維訓(xùn)練是推動物理課堂教學(xué)變革的有效嘗試，即形成“雙鏈驅(qū)動”的教學(xué)模式?！半p鏈驅(qū)動”教學(xué)就是將課程教學(xué)內(nèi)容轉(zhuǎn)化成以核心問題引領(lǐng)的進(jìn)階性“問題鏈”解決為目標(biāo)，并同步設(shè)計(jì)與問題相對應(yīng)的“實(shí)驗(yàn)鏈”，在問題鏈與實(shí)驗(yàn)鏈的環(huán)環(huán)相扣中突破主題，在事物原型問題中開展模型建構(gòu);在分層進(jìn)階問題中實(shí)施科學(xué)推理;在認(rèn)知沖突問題中落實(shí)科學(xué)論證;在適度創(chuàng)新問題中萌發(fā)質(zhì)疑創(chuàng)新，在科學(xué)思維進(jìn)階中生成內(nèi)生動力，在任務(wù)設(shè)計(jì)與完成中達(dá)成問題解決的教學(xué)模式。該模式以實(shí)驗(yàn)教學(xué)為情境，以分組活動為平臺，以創(chuàng)新教具為資源載體，在問題解決中激發(fā)學(xué)生產(chǎn)生提出問題的問題意識，體驗(yàn)問題的解決過程，總結(jié)問題的解決方法，形成問題解決的獨(dú)立見解，發(fā)展學(xué)生的物理核心素養(yǎng)。在尊重事實(shí)與證據(jù)的基礎(chǔ)上，展開正確的邏輯分析，在實(shí)踐過程中進(jìn)一步循證，在問題解決中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維素養(yǎng)。其教學(xué)模式框架如圖1所示。

三、“ 雙鏈驅(qū)動” 的教學(xué)案例

實(shí)踐證明，提出一個問題比解決一個問題的實(shí)際價值會更大。因此只有創(chuàng)設(shè)一定的物理情境，發(fā)揮一定高度的創(chuàng)造性想象力，形成科學(xué)思維的動力，激發(fā)創(chuàng)新精神，引導(dǎo)學(xué)生在物理情境中分析問題、解決問題。以滬粵版八年級物理“3. 2 探究光的反射規(guī)律”教學(xué)為例，將“探究光的反射規(guī)律” 教學(xué)內(nèi)容轉(zhuǎn)化為核心問題“反射光線的位置到底在哪里？” 并將其分解為系列子問題鏈，運(yùn)用“雙鏈驅(qū)動” 的教學(xué)模式，充分利用創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)展開探究，定義物理概念，在有計(jì)劃、有步驟建構(gòu)反射空間模型過程中培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維素養(yǎng)。其教學(xué)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

首先確立了解和應(yīng)用光的反射規(guī)律為教學(xué)目標(biāo)，采用“雙鏈驅(qū)動” 教學(xué)模式，通過預(yù)設(shè)進(jìn)階性問題鏈，展開創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)。緊扣解決“反射光線位置到底在哪里”核心問題，巧妙設(shè)計(jì)系列創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生的空間思維上由立體到平面，由平面至直線，最后鎖定反射光線的精確位置，總結(jié)出光的反射規(guī)律及其實(shí)際應(yīng)用。在解決系列真實(shí)物理問題中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力，提升學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。

（ 一） 激趣啟智， 實(shí)驗(yàn)引出事物原型問題——“ 如何使用激光束和平面鏡擊中靶心？”

普利高津曾經(jīng)說過：“物理學(xué)并不是自然界本身，而是人類與自然界的對話?！蹦Ｐ徒?gòu)就是人類與自然界“對話”的一種重要方式，即一種認(rèn)識物質(zhì)及其運(yùn)動的重要手段和思維方式[3] 。在已學(xué)過的光線模型為基礎(chǔ)，對光發(fā)生反射的事物原型進(jìn)行簡化處理，建構(gòu)心智模型。以下引用一段課堂教學(xué)情境展開論述。

情境1：多媒體展示2020 年東京奧運(yùn)會上為中國代表團(tuán)奪得首金的女子十米氣步槍金牌得主楊倩，學(xué)生在為“英雄” 贊嘆之時，教師安排一場特殊的“射擊”———“激光打靶”。

用鐵架臺固定夾上的激光器代替步槍來瞄準(zhǔn)靶環(huán)，模擬射擊場面。打開激光束，“打中”對面墻上靶心，再手持霧化器噴霧，來顯示光路。在學(xué)生驚嘆之余，教師又用另一鐵架臺上的厚紙板擋住射向靶環(huán)的激光束，提供一小鏡子，要求學(xué)生仍然使激光射中靶心的十環(huán)，學(xué)生代表將鏡子水平放在課桌上，另一位學(xué)生調(diào)節(jié)激光器將激光斜射至鏡面，激光正好再一次射中靶心。在由光直射“打靶” 到光反射“打靶”的升級轉(zhuǎn)換中，學(xué)生感覺很新奇，課堂氛圍一下被激活。

設(shè)計(jì)意圖：設(shè)置學(xué)生身邊簡單的游戲情境引入課堂主題，在實(shí)踐活動中提出真問題，激發(fā)學(xué)生努力解決，在建構(gòu)簡單的心智模型中，活躍了課堂氛圍，為新課教學(xué)創(chuàng)造良好的環(huán)境。

（ 二） 實(shí)驗(yàn)探究，解決核心問題———反射光線的位置到底在哪？

針對激光束“打靶”場景，教師鼓勵學(xué)生猜想反射光線的位置。學(xué)生意識到反射、入射光線之間一定存在某種位置關(guān)系。為了研究方便，教師必須抽絲剝繭，將三維空間的兩條光線降低到兩維平面內(nèi)。

（1） 建構(gòu)模型：反射光線“ 在哪個平面內(nèi)？”

學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)：制作光反射空間模型。

器材與要求：彩色花泥、游戲棒、硬紙板，制作光反射空間模型。

學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，教師巡視指導(dǎo)，最終選取兩位學(xué)生作品，進(jìn)行交流分享。

生1：我用花泥作為反射面，用紅色棒代表入射線，綠色棒代表反射線，因兩條相交的直線確定一個平面，發(fā)現(xiàn)這兩條光線在同一平面內(nèi)。

生2：我將硬紙板緊貼兩棒插入花泥中，可以更形象地驗(yàn)證“兩線”在同一平面內(nèi)（見圖3）。

在學(xué)生建模過程中，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)模型中的“游戲棒”平面與花泥面是垂直的，但仍有少數(shù)是傾斜的。

（2） 平面特點(diǎn)： 反射光線“ 在哪半個平面內(nèi)？”

一個新問題的發(fā)現(xiàn)往往始于前一個問題的解決。由實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察描述，再到物理原型提煉出空間心智模型，在模型建構(gòu)中達(dá)成“兩線共面”的初步共識，帶領(lǐng)學(xué)生圍繞新問題的解決繼續(xù)前行，為尋找反射光線的準(zhǔn)確位置做好鋪墊。

情境2：探究使用“ 亞克力空心半球光反射儀”。教師展示空心半球光反射儀，讓一束綠色激光傾斜照射到鏡面，可以看到反射光線（半球內(nèi)充滿煙霧）。保持入射點(diǎn)不變，輕輕轉(zhuǎn)動半球來改變觀察的視度，讓學(xué)生觀察兩條光線的位置關(guān)系（如圖4 所示）。學(xué)生發(fā)現(xiàn)當(dāng)半球轉(zhuǎn)到某個位置時，入射光線與反射光線恰好能重合成一條射線。為了避免實(shí)驗(yàn)的偶然性，可以保持入射點(diǎn)不變，再點(diǎn)亮另一綠色激光器，重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了“兩線” 也是共面的。

為了深入探尋問題內(nèi)部的關(guān)聯(lián)性，教師運(yùn)用flash 動畫再建構(gòu)簡易模型，展開“虛擬實(shí)驗(yàn)”探究，學(xué)生發(fā)現(xiàn)經(jīng)過同一個入射點(diǎn)，能形成多組由入射光線與反射光線組成的平面，這些平面均相交于一條過入射點(diǎn)的射線，用三角板的直角邊檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其始終與反射面垂直，定義為法線，用虛線表示（如圖5 所示）。尋找實(shí)驗(yàn)證據(jù)是推理論證落腳點(diǎn)，通過安排學(xué)生再次拿起自制的“游戲棒” 模型在眼前轉(zhuǎn)動一周，理解“兩線”構(gòu)成的平面必須與花泥面垂直才是正確的模型。教師也拿一支紅色激光器，沿著空心半球光反射儀的頂部豎直照射入射點(diǎn)，再轉(zhuǎn)動半球。學(xué)生驚呼：三條光線真的能重合耶！ 此時三條“射線”均在與反射面垂直的平面內(nèi)，簡稱“三線共面”，即“兩線”分居法線兩側(cè)。在完整的實(shí)驗(yàn)論證過程中幫助學(xué)生形成完整的思維鏈條。

教師在黑板上分別畫出反射面、入射光線與法線，請一位學(xué)生上黑板大致畫出反射光線的位置。學(xué)生在出色地完成任務(wù)后，教師順勢給出入射角與反射角的概念。在模型建構(gòu)中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)反射光線是在被法線隔開的、與入射光線相對的半個平面內(nèi)，因此法線將其所在的平面分為兩個“半平面”[4] 。

（3） 精準(zhǔn)定位： 反射光線的“ 精確位置在哪？”

關(guān)鍵證據(jù)的獲取是提高學(xué)生的科學(xué)論證能力最好方法。通過創(chuàng)設(shè)有認(rèn)知沖突的問題，在質(zhì)疑、交流與探究中形成一致的主張，在思維碰撞中提升思維水平。可以安排學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)探究，尋找精確研究目標(biāo)。

分組實(shí)驗(yàn)：使用光具盤尋找反射光線的精確位置。學(xué)生打開光具盤上激光器，多次改變?nèi)肷浣谴笮?，觀察反射角大小，讀取數(shù)據(jù)并填入表格，學(xué)生匯報(bào)結(jié)論，發(fā)現(xiàn)兩角相等，反射光線、入射光線關(guān)于法線成軸對稱圖形。終于找到了反射光線確切位置。

設(shè)計(jì)意圖：環(huán)環(huán)相扣的層級性問題鏈可以激發(fā)學(xué)生探究的興趣，也是維持持續(xù)探究的原動力。從“ 有限封閉” 的真實(shí)實(shí)驗(yàn)向“ 無限開放” 的“ 虛擬” 實(shí)驗(yàn)拓展，在關(guān)鍵證據(jù)的尋找與合理科學(xué)解釋中推出法線的概念及其物理意義。在揭開事物的真相中得出“ 三線” 共一面的特殊性與唯一性。

（ 三） 歸納評價，突破認(rèn)知沖突問題——反射定律內(nèi)容是如何排序的？

站在數(shù)學(xué)知識的角度，有學(xué)生提出“ 入射角等于反射角” 的結(jié)論，出現(xiàn)認(rèn)知上沖突，教師依據(jù)先有入射光線，后有反射光線因果關(guān)系來修正認(rèn)知的偏差。接著安排學(xué)生依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)論，歸納總結(jié)光的反射規(guī)律，再按照學(xué)習(xí)活動卡上的評價量表進(jìn)行自我測評（ 如圖6所示）。

物理規(guī)律的建立，是挑戰(zhàn)人智慧的創(chuàng)造性勞動。學(xué)生在整理以上實(shí)驗(yàn)結(jié)論的基礎(chǔ)上展開物理規(guī)律得出。其中有些學(xué)生只能得出部分規(guī)律;也有學(xué)生出現(xiàn)規(guī)律的排序問題;師生進(jìn)行交流討論，發(fā)現(xiàn)光的反射規(guī)律的三條內(nèi)容之間有必然的內(nèi)在邏輯關(guān)系，確定反射光線的位置是問題的關(guān)鍵，必須按照尋找反射光線的空間范圍由大到小地排序，最后精準(zhǔn)定位。學(xué)生按照這個理念，很快得出反射規(guī)律內(nèi)容的排序依據(jù)，同時發(fā)現(xiàn)法線在光的反射規(guī)律中起到定海神針的作用。通過尋找反射光線的過程中實(shí)施科學(xué)論證，得出科學(xué)規(guī)律。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生在進(jìn)階性“ 問題鏈” 中展開“ 實(shí)驗(yàn)鏈” 的驗(yàn)證，學(xué)生保持旺盛的科學(xué)探究動力，在歸納整理與自我評估的過程中，強(qiáng)化了科學(xué)推理與科學(xué)論證能力，最后得出科學(xué)的物理規(guī)律，消除了認(rèn)知沖突，彌合了分歧，達(dá)成教學(xué)目標(biāo)。

（ 四） 綜合實(shí)踐， 解決改進(jìn)拓展問題——“ 平行的入射光一定能平行反射嗎？”

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教具可以解決學(xué)習(xí)過程中出現(xiàn)的增量問題，充分發(fā)揮學(xué)生的學(xué)習(xí)成果也能夠解決教學(xué)中出現(xiàn)的存量問題。在應(yīng)用學(xué)生作品進(jìn)行適度創(chuàng)新的實(shí)踐活動中，定義光的反射現(xiàn)象背后隱性的物理規(guī)律，盡可能地發(fā)揮很好有特色資源的教學(xué)功能，實(shí)現(xiàn)教學(xué)價值的最大化，起到意想不到的教學(xué)效果。

情境3：利用身邊的透明塑料卡片完成一道作業(yè)：在給出入（ 反） 射光線或法線的基礎(chǔ)上，畫出反（入） 射光線，讓光路補(bǔ)充完整。教師巡視指導(dǎo)，再將收集的學(xué)生作業(yè)如圖7a 進(jìn)行分類：（1）組是入射角均相等的作圖，（2） 組是入射角不相等的作圖，投屏展示。提示學(xué)生先看圖7b 白紙上的兩幅圖片，會有什么發(fā)現(xiàn)。學(xué)生仔細(xì)分析發(fā)現(xiàn)這兩張塑料卡的光路不但重合，并且發(fā)現(xiàn)，其中一張圖中入射光線與反射光線的方向與另一幅圖中光線方向正好相反，巧妙地驗(yàn)證“光路的可逆性”原理。

教師再將圖7a 中的第（1） 組中的三張相同的卡片按照入射光線相互平行，反射面相互疊加的方式擺放;再將第（2）組中的三張卡片，也按照入射光線平行，各反射面間首尾相接的方式擺放，其卡片組合分別如圖7c 中的（3）與（4）所示。學(xué)生在觀察圖片時發(fā)現(xiàn)，大家的作業(yè)成為“變形金剛”式的教學(xué)資源，學(xué)生在驚嘆之余，發(fā)現(xiàn)一些入射角相同的塑料拼接成“鏡面反射”現(xiàn)象;將入射角不同的各塑料片拼接成“漫反射”現(xiàn)象。學(xué)生通過讀圖發(fā)現(xiàn)，其實(shí)每一條光線都遵循反射規(guī)律的。學(xué)生在閱讀教材中深刻領(lǐng)悟到任何事物都有利弊之分。一方面利用鏡面反射可以成像，反射太陽光發(fā)電等，但是城市建筑物的玻璃幕墻發(fā)生鏡面反射，卻造成“光污染”，影響市民生活。

設(shè)計(jì)意圖：充分發(fā)揮學(xué)生作業(yè)教學(xué)資源優(yōu)勢，在作圖卡片有效組合的適度創(chuàng)新實(shí)踐活動中解決實(shí)際問題，驗(yàn)證物理規(guī)律。在問題解決中展開科學(xué)論證和質(zhì)疑創(chuàng)新，在一場愉悅“ 作業(yè)秀” 中落實(shí)了物理規(guī)律應(yīng)用，鞏固了教學(xué)成果，發(fā)展了核心素養(yǎng)。

（ 五） 創(chuàng)新成果，解決適度創(chuàng)新問題——光的反射現(xiàn)象有何應(yīng)用？

學(xué)生此時的創(chuàng)新創(chuàng)造潛力被徹底激發(fā)出來了。學(xué)生根據(jù)前面已學(xué)的聲學(xué)知識，結(jié)合今天的學(xué)習(xí)內(nèi)容突發(fā)靈感，貫以“如何讓聲音的振動可見”為主題的學(xué)生創(chuàng)意作品展示，嘗試用激光筆、亞克力管、反光膜、橡皮膜等材料，制作“會跳舞的光”學(xué)具實(shí)踐活動拉開了序幕，部分作品如圖8 所示。

設(shè)計(jì)意圖：實(shí)施“ 雙鏈驅(qū)動” 的教學(xué)方式，能夠?yàn)榭茖W(xué)思維的提升提供原動力，落實(shí)“ 知行合一，學(xué)以致用” 的教學(xué)原則。挖掘?qū)W生的自主創(chuàng)新潛力，是科學(xué)思維的最高境界，真正達(dá)成學(xué)生科學(xué)思維能力培養(yǎng)目標(biāo)。

四、教學(xué)反思

“問題鏈”與“實(shí)驗(yàn)鏈” 構(gòu)成科學(xué)探究過程中的兩條主線，這兩條主線之間形成了緊密的邏輯關(guān)系，體現(xiàn)科學(xué)探究的本質(zhì)[5] 。物理學(xué)科的性質(zhì)決定了物理新課教學(xué)的過程，其實(shí)質(zhì)上就是物理學(xué)中真實(shí)問題的解決過程。“雙鏈驅(qū)動”教學(xué)促進(jìn)學(xué)生思維的發(fā)展，是落實(shí)以人為本的新課程理念的重要舉措?！半p鏈驅(qū)動” 的教學(xué)模式是在新課標(biāo)背景下提高物理教學(xué)質(zhì)量的有效課堂，基于進(jìn)階性的問題鏈的構(gòu)建，在觀察與描述物理現(xiàn)象中尋找問題，在物理模型建構(gòu)中分析問題，在實(shí)驗(yàn)探究中提出假設(shè)，在歸納評價與實(shí)際應(yīng)用中檢驗(yàn)假設(shè)與修正假設(shè)，最終實(shí)現(xiàn)新知識的意義建構(gòu)與舊知識的改造和重組，揭示物理現(xiàn)象背后的隱性規(guī)律，在促進(jìn)科學(xué)思維發(fā)展。然而科學(xué)思維絕不是隨著問題的解決而結(jié)束，而是新問題的開始。在實(shí)驗(yàn)鏈的推進(jìn)中培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維能力，提升學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 賁可敬. “ 雙載體” 驅(qū)動物理課堂轉(zhuǎn)型———以“ 電熱器電流的熱效應(yīng)” 教學(xué)為例[ J] . 物理教學(xué)，2020，42（10） ：14-16+49.

[2] 潘章麗，吳倩，趙麗芳，等. 基于SOLO 分類理論的高中生物學(xué)問題鏈設(shè)計(jì)———以“ DNA 的復(fù)制” 為例[ J] . 中學(xué)生物教學(xué)，2023（29） ：70-72.

[3] 王玉春，蔣煒波. 物理學(xué)科模型建構(gòu)研究的綜述與思考[ J] . 中學(xué)物理， 2023， 41（13） ： 8-13.

[4] 義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書編寫組. 物理（ 八年級 上冊） [ M] . 上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，廣州：廣東教育出版社2017.

[5] 李興. 實(shí)驗(yàn)鏈與問題鏈互為驅(qū)動 彰顯科學(xué)探究的本質(zhì)———“ 探究電磁爐的工作原理” 初探及感悟[ J] . 物理教師， 2019， 40（11） ：36-38.

（ 責(zé)任編輯：加順花）