照鏡子為什么能成像
——基于概念轉變與學習進程的教學設計

江蘇南京市五老村小學（210002）肖 娟

師：我們照鏡子為什么能成像呢？

生1：因為有光，光將這個屋子照亮了。

生2：光照在鏡子上，我們就能看到鏡子里的樣子。

……

通過多次試教，筆者發現學生很難將光的反射和照鏡子建立聯系。即使在學生已經獲知幾乎每樣東西都可以反射光的概念的基礎上，在解釋照鏡子為什么能成像這一現象時，學生仍然采用先前的經驗，沒有將新的概念遷移到新的情境中，沒有轉變以前的認識方式。問題出在哪呢？

韋鈺院士翻譯的溫·哈倫所著的《科學教育的原則和大概念》一書，介紹了科學家對全球科學教育的一些看法：科學教育不應該傳授給孩子支離破碎、脫離生活的抽象理論和事實，而應當慎重選擇一些重要的科學概念。科學是復雜的，為了掌握這種復雜性，似乎需要一個由概念、理論和原理組成的巨大陣列。科學包含大大小小無數的概念，底層孤立的小概念可以聚合成相關的較大概念，一直延續下去，可以歸納成數目較少的核心概念（大概念）。

小學科學課程的教學目標是培養學生的科學素養，并為他們繼續學習、成為合格公民和終身發展奠定良好的基礎。科學教育的對象不是科技工作者，而是接受教育的每一個人。在日常生活中，人們經常面臨的是有關科學、技術、工程、數學（STEM）的綜合問題，而不單單是科學問題。對他們而言，與之經驗聯系更為明顯、緊密的大概念更為有用。同時，神經科學研究發現，相互聯系的大概念，較之沒有聯系的小概念，在遇到新情況時更容易被運用。所以，在教學過程中，除促使學生的前概念轉變為科學概念、錯誤概念轉變為正確概念、模糊概念轉變為清晰概念之外，還要讓孤立的概念轉變為具有內涵和外延的概念，即小概念轉變為大概念。而完成這個概念轉變的過程即為學習的過程。

圖1展示了學生在學習過程中各個方面的相互關系，三個要素是相互關聯的。在大概念理念的指導下，如何設計三要素以提升學生學習效果呢？

圖1 學生在學習過程中各個方面的相互關系

一、創設趣味情境，保護學生的求知欲

小學生以形象思維為主，有趣且來源于生活的活動可以提升學生的探究興趣，引導學生認識到科學是與生活息息相關的。蘇教版教材五年級上冊《照鏡子》一課中設計了陽光打靶的趣味活動，活動來源于學生的生活，貼近學生的認知。大部分學生已經知道這是光的反射現象，極少數學生將反射和折射混淆。陽光打靶游戲能夠很好地幫助學生認識到光遇到物體后行進路線發生改變的現象。但是陽光打靶和照鏡子之間有什么關系呢？光的行進路線改變與照鏡子成像之間有什么聯系呢？

為解決上述問題，筆者前置了一個小游戲——黑暗中看畫。趣味游戲引導學生想辦法看到暗室里的畫。漆黑的室內為什么看不見畫呢？怎樣在不打開室內燈的情況下看清楚畫呢？為什么借助鏡子就可以將光引到畫上呢？為什么光照到畫上，我們就能看見呢？一個個問題可以幫助學生糾正之所以能看見物體，是因為人眼發出光芒的錯誤認知，建立看見物體需要有光的正確但模糊的概念。基于前概念光在空氣中沿直線行進，根據光源、光斑等明顯的實驗現象，學生能夠大膽猜測出光行進路線在遇到鏡子后發生改變。由此，學生對光在空氣中沿直線行進的概念就轉變為光在行進中遇到鏡子，行進路線會發生改變。

只有鏡子可以改變光的行進路線嗎？學生會提到玻璃、光盤等表面光滑的物體，這是學生的前概念。其他表面粗糙的物體呢？如，木板、泡沫板、抹布等。實踐是檢驗真理的唯一標準，科學家在遇到類似問題時也需要進行試驗研究。怎么研究呢？本課設計中，筆者依據真實情境，為學生簡化對應模型。在黑暗的環境中，學生借用模型可以清楚地看到木板、泡沫板、抹布等表面粗糙的物體也可以改變光的行進路線，發生光的反射現象。這樣，學生將光在行進中遇到鏡子時行進路線會發生改變的概念擴展為光在行進中遇到很多物體時行進路線都會發生改變，遇到的物體表面越光滑反射效果越明顯。

鏡子除了用來陽光打靶，還可以用來干什么呢？照鏡子為什么能成像呢？學生已經掌握很多物體都可以反射光的概念，能成功遷移到照鏡子成像的新情境中嗎？結果是不盡如人意的，只有少數學生能夠成功轉變概念，畢竟很多物體都可以反射光的概念跟他們的常識是相違背的。此時，需要教師為學生創設新情境，讓學生在情境中繼續像科學家一樣進行研究。本課中，筆者讓學生在黑暗的環境中照鏡子，在有手電筒光的環境中照鏡子，比較手電筒光照射到臉上和照射到鏡子上時成像的效果，從而發現光對于照鏡子成像的重要作用，進而讓學生理解照鏡子為什么能成像的道理。

二、倡導探究學習，突出學生的主體地位

像科學家一樣主動去探究周圍世界，學生能夠更加清楚地知道科學概念的發展，而不是被動接受教師提供的事實和概念。因此，教師應采用探究式教學方式，突出學生學習的主體地位。

探究的問題最好由學生自己提出，或是讓學生感覺是自己提出的。“怎樣將外界的光引進來？”“其他物體能不能改變光的行進路線呢？”“照鏡子需要什么條件？”這些問題都是教師為學生創設情境后，學生自主提出來的。對于這些問題，學生或多或少有一些想法。例如，表面光滑的物體也可以改變光的行進路線；燈光照在鏡子上，才能看到鏡子里的人像。這是未實驗前的前概念，是對探究問題的假設。小組實驗后匯報，學生可以清楚地將實驗的現象、說明的問題以及他們最終得出的結論跟全班同學分享。

經歷了這個探究活動，學生不僅發展了很多物體都可以改變光的行進路線的概念，已有概念得到轉變、升級，而且學會了如何將真實情境轉換為模擬情境，能夠像科學家一樣，簡化問題，抽取關鍵、核心因素，用模型研究復雜問題，能體會到團結協作的重要性。作為一個小組，大家相互幫助，共同解決探究過程中的個個難題。經歷了一個個探究活動，學生不僅找到特定問題的答案，對大概念有更深刻的理解，而且學習能力和學習態度也有了較大的發展。

當然，不是所有環節都要探究，有些部分可以直接告知，如反射和折射的區別，這樣幫助學生掃除障礙，搭建轉變核心概念的腳手架。這要求教師理解大概念以及趨向大概念的發展方向。

三、活用評測方法，調控學生的學習進程

評測手段包括形成性評測和終結性評測兩種方式。形成性評測是一種在教學過程中能幫助教師實時了解學生學習情況的評測手段，為教師及時調整教學計劃、改進教學方法提供參考。終結性評測一般是在教學告一段落，為了解教學效果而進行的評測手段。在教學中，為及時調控教學進程，達成教學目標，形成性評測是一種常用的評測手段。

形成性評測主要作用是帶來反饋，反饋的對象不僅是施教者的教師，也包括受教者的學生。學生根據反饋結果知道學習活動的目的以及為實現目標需要做出的努力，從而有效管理自己的學習活動，增加課堂的參與度。教師根據反饋結果來判斷學生的能力，調控后續的教學活動，從而使教學活動不至于太復雜，超越學生的學習能力，也不至于太簡單，調動不了學生的學習積極性。但評測的標準若是設置不合理，將會影響上述作用的發揮。評測的標準應根據具體的課程目標，短期的課程目標逐步趨向長期目標，最終發展為大概念。

為發展科學大概念而使用形成性評測手段，教師可以做什么呢？提問是收集學生學習信息的有效的方法。提問的方式有很多。如果想知道學生的具體想法，可以問：“你是怎么想的？”這類簡答題；當學生回答有困難時，教師會給一些提醒，如“什么是……”這樣的選擇題；當學生還是無法做出判斷時，教師只能繼續妥協，變選擇題為判斷題——“什么是不是……”。從簡答題、選擇題到判斷題，問題的開放程度逐步降低，學生思考的時間和維度也在降低，即使做出了正確的回答，也不一定是思索后的結果，可能是恰巧蒙對了。錯誤的反饋妨礙了教師對學生學習信息的收集，導致教師不能正確地把控學習的進程和效果。因此，為保證教學活動的開放性，讓學生先前的經驗充分顯性化，以便教師因勢利導地開展有效的教學活動，課堂上應多一些簡答題，少一些選擇題和判斷題。例如，《照鏡子》一課就是由幾個問題串起來的：“為什么看不到墻上的畫呢？怎樣才能看見墻上的畫呢？你是怎么做到的呢？只有鏡子能反射光嗎？照鏡子為什么能看到里面的像呢？”

對于問題的回答，學生可以有多種方式，如口述、畫圖、書寫和概念圖等。圖2（a）（b）（c）是學生用畫圖的形式來解釋為什么外面的光能照射到室內的圖畫上。圖（a）清晰地揭示出該學生沒有明確光是運動的這樣一個事實；圖（b）反映出該學生忽視了光是連續行進的事實；圖（c）表明該學生的認識趨近科學的概念。學生之間相互討論、交流，在解說與傾聽的過程中逐步認識到原有想法的不足，模糊的概念變得越來越清晰。

圖2：學生解釋為什么外面的光能照射到室內的畫上

口述是課堂上常見的表達方式。本節課中需要學生充分表達自己的想法。在研究幾乎所有物體都能反射光的基礎上，教師提問：“照鏡子為什么能成像呢？”“因為有光。”“為什么有光就能成像呢？”學生無法解釋清楚，說明“幾乎所有物體都能反射光”的知識沒有成功遷移到新的問題上。這時，教師需要為學生構建照鏡子之所以能成像是因為物體能夠反光的概念搭建新的腳手架。經歷過在黑暗的環境下借用手電筒照鏡子的活動后，有學生能夠說道：“手電筒的光照射到人臉上，人臉能夠反射光，將光反射到鏡子后，又在鏡子表面發生反射，最后照射到我們眼里，所以我們能看到鏡子里的自己。”通過口述，可以看出學生已經成功地將照鏡子成像與光的反射建立聯系。但只有少數學生能說清楚還不行。要讓少數學生的想法成為全班的共識，教師就要放慢節奏，讓更多的學生說一說自己的想法。思想的碰撞有助于學生概念的轉變和科學概念的建構。

本課中，筆者通過創設趣味情境，將學生的前概念顯性化，了解到學生的生活經驗中已經有了“鏡子能夠反射光”的前概念。在尋找替換材料的活動中激發學生的認知沖突：是不是只有鏡子能改變光的行進路線？引導學生自己尋找證據、解釋證據，交流與分享，最終構建了“幾乎所有物體都能反射光”的更寬泛概念。這樣，思維有了跨越性發展，想法變得更為有用。概念由孤立的轉變為具有內涵和外延的，屬于螺旋式的學習進程。學生能解釋室外的光為什么能照到室內的畫上，卻無法解釋照鏡子為什么能成像的理由，即無法用已有的概念去解釋本質相同、但出現在不同的背景下的現象。教師需要幫助學生建立二者之間的聯系，將碎片化的概念聯系起來，發展為更大的概念——物體可以被看見，因為它們自身發光或是因為產生反射光，都可以被人眼檢測到。這個概念的發展過程屬于拼圖式學習進程。無論哪種學習進程都是為了發展為更大的概念，無論哪種概念的發展，都是為了提升學生的綜合素養，使他們不斷地探究科學世界。