基于物理科學思維培養的教學設計

穆艷宇 陳紅君 丁美予 陳月

摘 要：科學思維是物理課程的培養目標之一，也是物理教學改革的難點問題.教師合理的教學設計能夠有效地培養學生的科學思維.本文以“平面鏡成像”為例設計以啟發思維、形成思維、應用思維、提升思維為主線的教學設計，希望能為一線教師提供借鑒和啟示.

關鍵詞：科學思維;平面鏡成像;教學設計

中圖分類號：G633.7 ? ? 文獻標識碼：B ? ? 文章編號：1008-4134（2021）16-0040-03

作者簡介：穆艷宇（1997-），男，貴州遵義人，碩士研究生，研究方向：物理課程與教學論.

通訊作者：陳紅君（1978-），女，吉林東豐人，碩士，副教授，碩士生導師，研究方向：物理課程與教學論、科學教育基本理論;

丁美予（1999-），女，吉林公主嶺人，碩士研究生，研究方向：物理課程與教學論;

陳月（1998-），女，吉林松原人，碩士研究生，研究方向：物理課程與教學論.

1 問題的提出

科學思維是核心素養的重要組成部分，科學思維是從物理學視角對客觀事物的本質屬性、內在規律及相互關系的認識方式[1].“平面鏡成像”是在學生學習光的直線傳播與反射的基礎上，對光的反射的延伸[2].當前初中生雖然對平面鏡成像有著較為豐富的感性認識，但由于視覺問題使其認知存在諸多誤區，比如，學生難以理解物距、像距、虛像等抽象的物理概念.傳統的關于平面鏡成像的教學設計，主要采取講授式教學，教師直接將平面鏡成像特點傳授給學生.這些都是常規、系統的教學模式，規范性較強，但是對于初中生而言，缺乏一定的趣味性，難以真正激發學生學習興趣與熱情，會在一定程度上阻礙學生科學思維的發展.

2 基于科學思維培養的教學設計

本研究結合“平面鏡成像”特點，通過創設情境、探究實驗等方法將抽象概念得以具象，促進學生科學探究能力的提升，結合魔箱、偶鏡等小實驗，充分調動學生的好奇心，激發學生的學習興趣與熱情，并采用問題解決、課外拓展等形式，使學生在解決實際物理問題的過程中，最終達到培養學生科學思維的目的.具體教學流程如圖1所示.

3 “平面鏡成像”教學環節

3.1 創設情境，啟發思維

教師自制一個“魔箱”（如圖2所示），“魔箱”上端開有縫隙，前端開口，可看到魔箱內部，教師將一枚硬幣從上端縫隙伸入魔箱，讓學生觀察內部情況，學生們觀察到硬幣不見了，學生充滿疑惑與好奇.待教師解密魔術后，發現在箱子內部斜45度角插入一面平面鏡，進而引出新課——“平面鏡成像”.

教師：我們發現在這個“魔箱”里有一面神奇的鏡子，原來是它欺騙了我們的眼睛.可是為什么要傾斜45度放置它？

學生：為了對稱？為了穩定性？（充滿疑惑）

教師：讓我們帶著這個疑問學習今天的內容“平面鏡成像”.首先我們要認識清楚第一個問題，什么是平面鏡？請同學們仔細觀察桌面上的鏡子，然后描述它的特點？

學生：它表面是平的，光滑的.

教師：對，像這種表面是平的鏡子我們就叫它“平面鏡”.

設計理念：教師以物理原理為教學背景，以表演魔術的方式演示奇幻有趣的現象，能夠充分吸引學生們的注意，激發他們的學習興趣和學習熱情，使學生都能夠積極地參與到課堂中.這種魔術的導入形式既能調動學生學習的積極性，又能迅速激發學生的認知沖突，讓學生產生學習新知識的需求，這樣學生就順其自然以最佳的學習狀態投入到課堂學習中.這樣的設計不僅能讓學生產生探究的欲望，啟發學生的思維，而且還能展示出教師教學的藝術和魅力.

3.2 實驗探究，形成思維

教師：都說水火不相容，接下來，老師給大家演示一個“水中燃燒的蠟燭”（如圖3所示）實驗，（實驗前準備步驟：一個透明的玻璃杯豎直放置在水平講臺上，在玻璃杯的后側，即在朝向教師的一面放一支點燃的蠟燭）讓學生回答觀察到的現象.

學生：玻璃杯里面有一支正在燃燒的蠟燭.

教師：老師現在向玻璃杯里倒水，火焰是否熄滅？

學生：沒有.

教師：是什么原因產生這種奇妙的現象？

學生：平面鏡.

教師：對，生活中我們看到的像一般都能在屏幕上呈現，比如我們去電影院看電影，請同學們思考一下蠟燭的像是否也能呈現在屏幕上？

一部分學生說可以，一部分學生有些遲疑.

教師：既然實踐是檢驗真理的唯一標準，那就讓我們用實驗來驗證.

請兩名學生到講臺前，并把觀察到的現象（白紙上沒有蠟燭的像）告訴大家.

教師：看來這個像很特別，我們在屏幕上找不到它，我們把這種能被看見，卻無法用光屏承接的像叫“虛像”.

在學生了解“虛像”概念后，教師提問，讓學生列舉生活中平面鏡成像的例子，學生回答后由教師補充，讓學生對平面鏡成像有更加理性的認識.按照大家日常照鏡子的經驗，對學生提出平面鏡成像特點的思考題.學生用玻璃板代替平面鏡來進行實驗探究，學生通過移動玻璃板前后的塑料支架，觀察像如何變化，對比像的位置與大小，展開實驗探究（如圖4所示），實驗開始前引導學生猜想像與物關系、像距與物距關系，并設計表格（見表1）.

實驗結束后，教師引導學生根據實驗現象，結合之前所學的光在同種均勻介質中沿直線傳播與光的反射知識，總結實驗規律，完成預設表格，組織小組討論交流，讓學生總結歸納平面鏡成像的特點，根據平面鏡成像特點畫光路圖，教師再給予完善和補充，完成新課的探究過程，讓學生體會物理規律的發現與形成的過程.

設計理念：利用探究性實驗，引導學生了解物理實驗探究的基本過程與具體步驟，不僅能培養學生的動手操作能力，而且還能培養學生的思維能力，讓學生體驗物理規律的形成過程，養成嚴謹的治學態度，樹立正確的科學態度與責任感.并且在實驗前引導學生對未知事物進行猜想與假設，能激發學生獨立思考能力，加深學生在探究過程中對物理規律的掌握情況，強化他們的問題解決能力，有助于學生物理思維的形成與發展.

3.3 問題解決，應用思維

教師提問學生平面鏡在生活中具體有哪些應用，以此了解學生對本節課的知識掌握程度、對平面鏡成像的理解是否深入以及是否能靈活變通，將理論知識運用于生活實際.接下來，教師演示“偶鏡”（如圖5所示）實驗，提問學生該實驗應用什么原理，讓學生通過繪制光路圖進一步明確平面鏡成像的特點和規律，并能將這些知識運用于實際生活中，提高學生解決問題能力.

教師將兩平面鏡垂直于桌面放置，兩面鏡子成60°角.

教師：同學們已經很好地掌握平面鏡成像的特點與規律，那么現在就有個思考題有待大家去解決，老師如果把一個礦泉水瓶放在兩面鏡子中間，大家認為平面鏡里將得到多少個與其一樣的礦泉水瓶？

學生進行仔細思考，互相交流，有些同學在本子上開始畫圖.這時教師將礦泉水瓶放好，同學們看到無數礦泉水瓶的像，并針對此現象開始展開激烈的討論，有些同學恍然大悟，有些同學充滿疑惑.

教師：這是不是很神奇，同學們思考一下為什么會出現這種現象？一會兒老師找名同學給大家解釋一下產生這種現象的原理，同時再給大家一個思考題，當兩面鏡子夾角是30°、90°、120°時，所成的像又如何？同學們先畫出光路圖，再用桌前的平面鏡裝置進行驗證.

學生們紛紛動筆畫圖，之后動手進行驗證.由同學給出原理，解釋現象的成因，教師進行完善與補充.

教師：同學們的解釋已經比較完整，老師再補充一下.原因如下：這是由于從礦泉水瓶射出的光線在兩面鏡子中間發生多次反射，每反射一次就會看到一個虛像.鏡子之間的夾角越小，光在鏡子之間的反射次數就越多，形成的虛像也就越多.

設計理念：教師通過預設性提問，能夠了解與考查學生是否真正掌握“虛像”和“實像”等一系列概念的物理意義以及“平面鏡成像”的物理特點，通過學生的回答，了解學生的物理思維發展水平.在了解學生的物理思維所處水平后，通過演示具體實驗，提出思考問題，問題既是思維的源泉，更是思維的動力，學生在解決問題的過程中，就是對思維的調動與應用.舉一反三，又能訓練學生的思維遷移能力與敏捷性.在解決新問題的過程中，又兼顧了課前的疑問，達到前后呼應，促進學生思維發展.

3.4 課外拓展，提升思維

教師引導學生了解生活中的物理現象，拓展延伸提出問題，教師讓學生思考鏡子中的自己與實際自己的大小關系，引導學生用物理知識來解釋生活中的現象.

教師：平面鏡成像的特點與規律在我們日常生活中的應用十分廣泛，同學們能想到哪些實際應用呢？

學生：照鏡子，有時候測視力也會用到……

教師：那同學們回想一下，我們照鏡子的時候，鏡子中的自己和實際的自己大小關系如何？

學生：一樣大.

學生：鏡中的人比實際的小.

教師：我聽到同學們的答案不一致，請同學們課后查閱資料并結合我們本節課所學的內容探究它們之間到底存在怎樣的關系以及原因，下節課我們一起分享與交流這個問題.

設計理念：物理源于生活，并應用于生活.所以物理課程應注重與生活實際、社會發展相聯系.引導學生運用平面鏡成像特點解釋照鏡子這一生活中常見現象，讓學生在課外探究與思考中進一步提升科學思維能力.

通過本節課的學習，學生能夠掌握平面鏡成像的特點與原理，并且能將所學知識很好地運用于生活，真正體現生活中處處有物理，物理源于生活.學生在教師的引導下，自主探究并進行思考總結，在獲得知識的過程中，也是思維發展逐步達到科學思維的過程，學生能夠解釋由于自己之前對平面鏡成像僅僅停留在表象層面，由于視覺誤差造成對概念、現象的理解模糊，通過本節課的學習，深入思考，既豐富感性認識、又深化對理性規律的掌握，形成與發展正確的科學思維.

4 結語

本研究以培養學生科學思維為出發點，通過創設問題情境，使學生觀察有趣的科學現象，感受物理學科的魅力，激發學生的學習興趣以及對物理學科的熱愛，引發學生的好奇心與探究意識;采用教師指導、學生小組合作相結合的形式進行探究性實驗，以此提高學生的觀察與思考能力、實踐操作能力以及合作交流能力，使學生在親身實驗中掌握科學知識，形成科學認識;通過將所學知識應用于實際問題之中，進一步加深學生對所學知識理解，逐步深化對平面鏡成像的認識程度，提升學生的知識運用能力，培養學生的問題解決能力;通過課外拓展，將所學新知識遷移到生活實際中，讓物理知識與生活實際相聯系，在分析與解決問題的過程中，提高學生的科學探究能力，從而達到有效培養學生科學思維的最終目的.

參考文獻：

[1]陳敬華.基于發展學生科學思維的教學設計——以“勻變速直線運動”為例[J].物理教學探討，2020，38（09）：27-31.

[2]王曉丹.平面鏡成像教學設計及說明[J].新課程（中學），2017（09）：68.

[3]甘立紅.淺談探究性實驗在培養學生創新思維中的作用[J].實驗教學與儀器，2009，26（06）：15-16.

[4]徐蓓蓓.基于促進生成的教學原則的物理概念教學設計[J].物理教學，2021，43（01）：5-10.

[5]陳浩.培養核心素養，提升高階思維——“彈力”公開課教學設計[J].物理教學，2020，42（11）：9-10+8.

[6]韋松英，夏向榮，朱海英.基于核心素養的教學設計--以"波的形成"教學為例[J].物理教學，2020，42（03）：7-11.

[7]朱海英，夏向榮.基于核心素養的教學設計——以“多普勒效應”教學為例[J].物理教學，2019，41（12）：16-20.

[8]駱文洲，梁旭.基于核心素養的教學設計——以“萬有引力定律”教學為例[J].物理教學，2019，41（10）：33-36.

（收稿日期：2021-05-06）