科學方法促進概念理解的教學設計

摘 要：概念教學是概念理解的教學，在“透鏡”新課教學中，筆者基于創設真實情景，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涵和外延，提高學生的核心素養，逐步建構和完善學生的概念知識體系.

關鍵詞：科學方法;概念理解;教學設計

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年度實驗區重點課題“區域推進靈性教育的實踐研究”（項目編號：SYQ201507）;浙江省2016教育科學規劃課題“運用類比法促進初中科學概念轉變的教學策略研究”（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，是反映事物本質屬性的思維產物.概念教學是學生構建知識體系的實施路徑，是培養學生核心素養的重要途徑之一.在常態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，無法深入分析和應用，無法進行概念轉變，更無法達到理解概念.

正如蘇聯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和規律，所以通過科學方法的思維來研究、描述、實施、總結和檢驗科學現象，從而揭示研究對象的本質屬性，達到概念理解的解釋、釋義、應用、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散作用，認識透鏡的焦點和焦距.

（2）經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象的能力，并學習初步的科學研究方法.

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

1.3 情感態度與價值觀

（1）通過凸透鏡會聚易形成火災的現象，提高安全意識.

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

2 教學思路與框架

這是一節典型的概念教學課，學生在之前學習了光的反射和折射現象，對“面鏡”的分類和光的會聚發散有初步了解，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原因.設計注重學科知識的邏輯順序與學生認知發展規律的統一，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，以項目式驅動的方式，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信息.呈現已學過的平面鏡、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：應該是第5種的三棱鏡可以，可以讓光發生偏折，而第4種的玻璃磚只是讓光發生平移.

設計意圖：從已學的鏡中采用科學方法中的分類思想，區分“面鏡”的原理是光的反射，“透鏡”的原理是光的折射，建構“透鏡”的初步概念，也從“凹面鏡”對光的會聚和“凸面鏡”對光的發散作用來為第二種分類方法做鋪墊.并且采用“結構—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）.大家發現了什么？

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象？

學生：三棱鏡組合的結構與透鏡的結構一樣，對光的偏折也就相同.

教師：采用分割的方式，我們發現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）.

設計意圖：采用“實驗+模型”科學方法來探究透鏡會聚與發散的奧秘.通過三棱鏡對光的偏折特點，用三棱鏡的組合來建構模型，與實際透鏡的光偏折比對.從現象的一致性出發，考慮它們結構的相似之處，根據“組合”與“分解”辯證關系，簡化和抽象出模型，并根據條件來發展模型，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，我們如何分類和命名？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），從側面觀察會更直觀.

教師：根據形狀命名：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散入手加以辨別（照）.

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

學生：還可以通過晃動透鏡，若發現像的晃動方向與透鏡相同，則該透鏡是凹透鏡，若發現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劣，是否有最好的一種方法.

學生：光學儀器的規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，要根據實際的條件情況來選擇合適的方法.

設計意圖：根據透鏡的結構差異以及對光的偏折效果不同來分類.分別從最直觀的結構特征、對平行光線的作用、成像特點、移動方向來進行區分.根據師生點評辨別透鏡的優缺點，以評價促進學生的思維發展.

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，佩戴合適度數的透鏡.

教師：我們把凸透鏡放在太陽底下，調節凸透鏡與地面的距離，可以發現能產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.我們知道當光發生折射現象時，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過這個點.即平行于主光軸的光，經過凸透鏡后，過焦點.

教師：凸透鏡的特殊光線2，根據光路可逆性原理，如果這邊有一條過焦點的光線，經過凸透鏡后會怎樣？（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，也發現一個特殊現象，經過光心的各條光線，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學的表示方法.更是從定性的分類到定量探究透鏡的數據，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、森林內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，容易引燃車內的坐墊或森林中的枯草，造成火災.

設計意圖：基于真實情景的習題評估，有利于學生結合所學的知識點解釋發生的現象.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，并且他們應該能夠將最近所學的知識應用到新的相關情境中去.

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”，倡導理解的教學逐漸成為國際教育研究的趨勢.在科學教育領域，概念理解具有整體性、層次性和精細化三大特征.本節教學設計以解決視線模糊的真實情景驅動為教學主線，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點

學生在日常生活中，已經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，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：調動已有經驗，盡可能地運用與當前學習內容相似的、已領會的知識，學生自主應用往往還具有一定困難.

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

4.2 采用科學方法區塊鏈為整體推進

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常會采用模擬實驗的科學方法來組織教學中概念的建構和理解;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、總結和檢驗科學現象，從而揭示研究對象的本質屬性，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，體會科學方法的內涵;在探索過程結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，理解概念的內涵和外延[4].

以科學方法促進概念理解的教學設計，有效整合分類、轉換、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和剖析概念，通過對學科核心概念的理解來培養學生的核心素養[5].

參考文獻：

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

[2]劉徽.設計優質單元——讀《理解為先模式——單元教學設計指南（一）》[J].現代教學，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.隱顯性相結合：物理概念建立的一種科學方法教育[J].福建基礎教育研究，2020（01）：101-104.

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

（收稿日期：2021-03-04）