基于問題導(dǎo)向 培養(yǎng)科學(xué)思維

【摘 "要】 文章基于問題導(dǎo)向教學(xué)法，以蘇科版“凸透鏡成像的規(guī)律”為教學(xué)案例，通過問題導(dǎo)入、自主學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)和解決問題四個核心環(huán)節(jié)組織教學(xué)活動。在教學(xué)過程中，采用了建立成像模型、問題串引導(dǎo)、數(shù)據(jù)可視化以及拓展探究等多種形式，將科學(xué)思維要素巧妙地融入其中，旨在幫助學(xué)生在深入理解凸透鏡成像規(guī)律的同時，顯著提升科學(xué)思維能力。

【關(guān)鍵詞】 問題導(dǎo)向；科學(xué)思維；凸透鏡成像；數(shù)據(jù)可視化

一、以問題導(dǎo)向培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的教學(xué)模式

問題導(dǎo)向教學(xué)法源于“基于問題的學(xué)習(xí)”（Problem-based learning）這一理念，指將學(xué)習(xí)置于真實復(fù)雜的問題情境中，學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)、小組合作的形式，尋找解決問題的方案。隨著義務(wù)教育新課標(biāo)的頒布，問題導(dǎo)向作為物理教學(xué)中常用的方法，應(yīng)當(dāng)幫助構(gòu)建與新課標(biāo)相適應(yīng)，即以核心素養(yǎng)為導(dǎo)向的新型教學(xué)。科學(xué)思維是核心素養(yǎng)的核心，學(xué)生核心素養(yǎng)的形成依賴于積極主動的思維。結(jié)合中學(xué)物理課堂的特點，問題導(dǎo)向的課堂教學(xué)模式可簡要概括為五個基本環(huán)節(jié)：教師引導(dǎo)、問題導(dǎo)入、自主學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)、解決問題。其中，教師引導(dǎo)這一環(huán)節(jié)應(yīng)貫穿整個教學(xué)過程，對其他四個環(huán)節(jié)產(chǎn)生積極作用。

二、“凸透鏡成像的規(guī)律”教學(xué)案例

在本次教學(xué)案例中，將以“放大鏡為什么會成倒立縮小的像”這一問題作為導(dǎo)入。在自主學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，學(xué)生將探索并解決“凸透鏡成像有哪幾種不同的情況”這一問題，對凸透鏡成像的多樣性有初步認識。接著，在合作學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，學(xué)生將進一步探討凸透鏡成像背后的規(guī)律，深入挖掘凸透鏡成像的機理。通過這兩個環(huán)節(jié)，學(xué)生的學(xué)習(xí)過程層層遞進，最終解決導(dǎo)入時提出的初始問題。在整個學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生不僅能夠在解決問題的過程中逐步建構(gòu)知識體系，還能通過探究、合作和討論，提高科學(xué)思維能力，如觀察分析、邏輯推理、實驗設(shè)計等。

（一）創(chuàng)設(shè)問題情境，激發(fā)認知沖突

教師引導(dǎo)學(xué)生使用放大鏡進行觀察，并拋出問題：“通過放大鏡所看到的物體一定是放大的嗎？”大部分學(xué)生使用放大鏡觀察課本時，發(fā)現(xiàn)了正立放大的文字和圖像，并受到放大鏡名稱或之前“透鏡”一課的影響，他們可能認為通過放大鏡看到的一定是放大的圖像。然而，有學(xué)生通過觀察黑板，發(fā)現(xiàn)了倒立縮小的文字，這一發(fā)現(xiàn)自然引出了新的問題：“明明叫作‘放大’鏡，為什么會看到縮小且倒立的像呢？”這種觀察差異和疑問為接下來的探究學(xué)習(xí)提供了豐富的素材和動力。

設(shè)計意圖：學(xué)生往往由于主觀的認知經(jīng)驗或?qū)χR的淺層理解，形成錯誤或模糊的前概念。教師需要敏銳地捕捉學(xué)生的這一錯誤認知，并據(jù)此設(shè)計具有爭辯性的問題，引導(dǎo)學(xué)生對前概念產(chǎn)生懷疑、主動發(fā)現(xiàn)問題，進而有效發(fā)展他們的質(zhì)疑思維和科學(xué)探究能力。

（二）轉(zhuǎn)化真實情境，發(fā)展建模思維

根據(jù)新課標(biāo)的培養(yǎng)要求，教師應(yīng)著重培養(yǎng)學(xué)生的觀察和分析能力，而非僅僅局限于對物理知識的記憶和理解。教師需要引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會如何分析問題、尋找解決問題的策略。物理模型是構(gòu)建物理概念和規(guī)律的基礎(chǔ)，而模型建構(gòu)則是一種處理物理問題的重要的科學(xué)思維方法。學(xué)生通過對復(fù)雜的物理情境進行深入的思考，忽略次要因素，抽象概括出理想模型，從而能夠提煉出問題的核心。

教師可以讓學(xué)生拿出配備好的實驗裝置，包括“F”LED燈、光具座、凸透鏡（在鏡面上標(biāo)注圖案，以便于比較像與物的大小）。然后，根據(jù)前面的導(dǎo)入現(xiàn)象，指導(dǎo)學(xué)生進行實驗裝置的組裝。接下來，教師可以布置自主探究任務(wù)，讓學(xué)生移動凸透鏡并仔細觀察，同時思考以下問題：

問題1：凸透鏡成像有哪些不同的情況？

問題2：像的性質(zhì)可能與哪些因素有關(guān)？

學(xué)生在固定好“F”LED燈后，通過逐漸增大物距（由近及遠移動凸透鏡），可以觀察到凸透鏡的各種成像情況。由近及遠依次為：正立放大像、不成像（模糊一片）、倒立放大像、倒立等大像、倒立縮小像。通過這個過程，學(xué)生可以對凸透鏡成像的規(guī)律有更加直觀和深入的理解。

教師首先帶領(lǐng)學(xué)生回顧了上一節(jié)關(guān)于特殊光線作圖成像的知識，隨后利用Flash動畫作圖，按照實際物體的高度和凸透鏡的焦距進行了詳細的示范。接著，教師引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)之前通過實驗器材觀察到的實際情況，如光具座上的數(shù)據(jù)和所成的像，提取出物體及其物距大小，并鼓勵學(xué)生嘗試畫出該物體通過凸透鏡成像的示意圖。這一過程旨在幫助學(xué)生結(jié)合實際情境和模型，共同推理出凸透鏡成像性質(zhì)與物距之間的關(guān)系。

設(shè)計意圖：鑒于初中階段學(xué)生的思維正處于從形象到抽象的過渡階段，若建模思維的訓(xùn)練僅基于原始問題，可能效果并不理想。因此，教師可以借助現(xiàn)有的實驗器材，提供具體的數(shù)據(jù)來逐步引導(dǎo)學(xué)生。通過這種方法，學(xué)生在具備實際數(shù)據(jù)和感官體驗的基礎(chǔ)上，再結(jié)合自己的動手操作，能更輕松地畫出相應(yīng)的模型圖，直觀地感受到物距是影響凸透鏡成像多樣性的關(guān)鍵因素。從而，學(xué)生明確了接下來研究的重點對象是物距。

（三）開展小組合作，探究成像規(guī)律

教師演示：為了引導(dǎo)學(xué)生進行深入的探究，教師以尋找倒立放大的像為例，進行了一系列前期鋪墊。在演示過程中，教師故意展示出常見的操作問題，以激發(fā)學(xué)生主動思考：

問題1：怎樣調(diào)整光屏才能使像最清晰？

問題2：當(dāng)光屏上不能呈現(xiàn)完整的像時，可能的原因是什么？又該如何解決這一問題？

問題3：為了研究凸透鏡成像背后的規(guī)律，你認為在實驗過程中需要記錄哪些關(guān)鍵數(shù)據(jù)呢？

教師采用“頭腦風(fēng)暴法”，通過提問的形式激發(fā)學(xué)生的思維，鼓勵他們大膽表達自己的想法。這樣的教學(xué)方式有助于學(xué)生理解實驗的操作要點，如確定三心等高的重要性，同時也避免了學(xué)生在后續(xù)實驗中手忙腳亂。

合作探究：全班學(xué)生被分為兩大組，分別使用5.5cm焦距和7.5cm焦距的凸透鏡進行實驗。在大組內(nèi)，每四人組成一小組，每組同學(xué)利用凸透鏡進行多組物距下的成像實驗，通過改變物距來尋找前面提出的四種成像情況。同時，學(xué)生們在表格中詳細記錄了每次實驗的物距、像距以及成像的特點。在實驗過程中，學(xué)生們成功地在光屏上呈現(xiàn)出了倒立放大、等大和縮小的實像。然而，他們也發(fā)現(xiàn)了一個有趣的現(xiàn)象：當(dāng)物距減小到一定程度時，無論如何移動光屏，都無法找到清晰的像。

問題4：為什么當(dāng)物距減小到一定程度時，可以用眼睛觀察到像，但無法在光屏上呈現(xiàn)呢？

結(jié)合之前學(xué)習(xí)的平面鏡成像的反射定律，學(xué)生們根據(jù)虛像形成的原因和成像示意圖，思考后得出結(jié)論：此時形成的是正立放大的虛像，因此只能在光屏一側(cè)透過凸透鏡觀察“F”的像。實驗完成后，各組將收集的數(shù)據(jù)匯總到教師提供的表格軟件中。通過軟件處理，形成了兩種焦距下各七組數(shù)據(jù)的圖表，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的可視化并展示在屏幕上。

問題5：請同學(xué)們仔細分析這些數(shù)據(jù)和圖表，嘗試總結(jié)凸透鏡成像的規(guī)律是什么？

以焦距為5.5cm的實驗數(shù)據(jù)為例，如圖1所示，可以得出以下結(jié)論：（1）成像規(guī)律中，一倍焦距和二倍焦距是成像特點的關(guān)鍵分界線；（2）觀察物距與像距的關(guān)系，如成倒立縮小像時，物距u大于二倍焦距，而像距v位于一倍焦距和二倍焦距之間；（3）實際上，物距與焦距的關(guān)系決定了成像的特點。綜合學(xué)生結(jié)論，可以得到：當(dāng)ugt;2f、flt;vlt;2f時，形成倒立縮小的實像；當(dāng)u=2f時，成倒立等大的實像；當(dāng)flt;ult;2f、vgt;2f時，形成倒立放大的實像；而當(dāng)ult;f時，則成正立放大的虛像。

設(shè)計意圖：小組合作學(xué)習(xí)是學(xué)生科學(xué)思維形成的重要途徑。通過學(xué)生討論，鼓勵其思考與質(zhì)疑，激發(fā)探究欲望。借助實驗探究，培養(yǎng)學(xué)生分析、推理論證等科學(xué)方法。本實驗方案通過設(shè)置問題鏈，合理安排小組任務(wù)，讓學(xué)生在短時間內(nèi)共享大量數(shù)據(jù)，感受規(guī)律的普遍性，強調(diào)合作的重要性，并通過數(shù)據(jù)可視化幫助學(xué)生直觀分析數(shù)據(jù)，推理得出結(jié)論。

（四）解決實際問題，檢驗理論理解程度

教師利用多媒體設(shè)備向?qū)W生展示了照相機、投影儀等光學(xué)儀器，并邀請學(xué)生分析這些儀器的成像原理，以檢驗學(xué)生對凸透鏡成像原理的掌握情況。在課程的最后，教師提出了兩個課后拓展探究的問題：

問題1：如果將兩個甚至多個凸透鏡組合在一起，最終的成像性質(zhì)是否會有所改變呢？

問題2：在掌握了凸透鏡的成像規(guī)律后，能否運用相似的方法去探究凹透鏡的成像規(guī)律呢？

設(shè)計意圖：解決這些實際問題需要學(xué)生運用科學(xué)思維，這樣不僅能讓學(xué)生感受到物理知識在生活中的實際應(yīng)用，還能增強他們學(xué)習(xí)物理的興趣。此外，通過圍繞教學(xué)內(nèi)容進行延伸，開展拓展性教學(xué)，教師旨在引導(dǎo)學(xué)生感受現(xiàn)有知識的局限性，學(xué)會質(zhì)疑所學(xué)知識，從而激發(fā)新的思考。這樣的教學(xué)方式有助于學(xué)生聯(lián)系課上所學(xué)，不斷深化學(xué)習(xí)方法，并將本節(jié)課的知識和方法應(yīng)用到更加復(fù)雜的實際問題中去。

（五）通過多元評價，獲取全面反饋

教師在教學(xué)前可準(zhǔn)備一個課堂表現(xiàn)評價表，并從問題解決的角度出發(fā)，制訂如下評價性問題鏈，以引導(dǎo)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中進行及時的自我評價和互相評價。

問題1：你是否能將自己已掌握的知識應(yīng)用于實踐并保持準(zhǔn)確性，不會出錯？

問題2：你是否積極參與實驗的設(shè)計和改進，并貢獻了自己的想法？

問題3：你是否認真分析了實驗數(shù)據(jù)，并能根據(jù)數(shù)據(jù)得出完整、準(zhǔn)確的結(jié)論？

問題4：你是否能夠運用本節(jié)課所學(xué)的透鏡知識解決生活中的實際問題？

除了學(xué)生評價課堂表現(xiàn)外，教師還應(yīng)布置任務(wù)以檢驗本節(jié)課的學(xué)習(xí)效果：請學(xué)生整理在ult;f、flt;ult;2f等五種不同情況下，凸透鏡成像的性質(zhì)及其成像模型。鼓勵小組成員之間互相交流和完善，將成果及時反饋給教師。

設(shè)計意圖：設(shè)置這一評價性問題鏈，旨在幫助學(xué)生更好地評價和反思自己在科學(xué)態(tài)度、學(xué)習(xí)方法等方面的成長和收獲，進而促進學(xué)生實現(xiàn)思維的提煉和升華。同時，這種評價方式還考慮了學(xué)生的知識和能力水平，注重了生生評價、師生評價的結(jié)合，從而更合理地評估學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展?fàn)顩r。

三、結(jié)語

在傳統(tǒng)課堂的“凸透鏡成像的規(guī)律”教學(xué)中，部分教師往往傾向于先揭示規(guī)律，再讓學(xué)生通過實驗來驗證和理解這些規(guī)律。然而，這種做法可能導(dǎo)致學(xué)生缺乏深度思考，思維訓(xùn)練不足，尤其在推理和論證等科學(xué)思維方法的培養(yǎng)上效果有限，難以有效提升學(xué)生的科學(xué)思維能力。本文提出的教學(xué)案例采用了問題導(dǎo)向教學(xué)法，根據(jù)教學(xué)環(huán)節(jié)和教學(xué)內(nèi)容的特點，針對性地提供了滲透科學(xué)思維要素的建議。這一方法鼓勵學(xué)生通過自主探索和合作討論來解決問題，從而培養(yǎng)他們的科學(xué)思維能力。后續(xù)研究可以進一步探索在物理概念、習(xí)題等教學(xué)中如何有效運用問題導(dǎo)向教學(xué)法提升學(xué)生的科學(xué)思維能力。

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