指向學生科學論證能力培養的教學設計*
——以“平面鏡成像”為例

胥文麗 陳紅君

(長春師范大學物理學院 吉林 長春 130032)

1 概述

1.1 概念界定

科學論證能力指的是當學生遇到有關涉及科學問題的情境時,能夠依靠自己所擁有的知識,提出初步的論點或觀點,并且同時可以使用相應的證據進行邏輯推理去驗證和支持自己的觀點[1],在提出觀點之后,同樣可以有理有據地面對他人反復的質疑和反駁,并且依靠所得證據使得他人與自己的觀點保持一致.

由此可見,科學論證能力在學生學習過程中,尤其是問題探究式學習過程中有著至關重要的作用.這種能力的培養很大程度上依賴于問題情境的創設,首先要引發學生思考,從而開展一系列論證活動,在潛移默化之中培養學生的科學論證能力.

1.2 提出問題

當下物理教學中普遍減少了學生參與實驗探究的過程,而是教師直接演示實驗或者直接展示多媒體材料,忽略了學生的參與和探究,只突出結果導向,而并未使學生真正體會物理學習更應該有的探究精神[2].學生缺乏探究,沒有互相交流討論的過程,更沒有邏輯推理得出觀點的感受,只是死板的記憶.而“平面鏡成像”這一節內容在初中物理教學階段普遍存在這樣的問題,這種問題式探究教學的課程,除了教師的情境創設和概念教學,實驗探究也是必不可少的[3],在這個過程中,要培養學生的實驗探究和邏輯推理能力,并且要使學生熟練地掌握物理論證式學習的方法、有效地解決實際問題[4].

針對這一問題,本文以“平面鏡成像”為例進行了指向培養學生科學論證能力的教學設計.旨在教學過程中,通過教師引導,學生參與實驗探究過程,并且在整個實驗過程中,依靠自己的證據支持進行一系列邏輯推理[5],并在實驗之后交流討論和反駁質疑的過程中,潛移默化地培養學生的科學論證能力,從而發展學生的物理思維,使學生能有邏輯、有依據的得出結論并獲取知識[6],在以后的學習過程中依靠這種能力有效地解決實際問題.

2 設計思路

關于如何培養學生的科學論證能力也已經有了許多的研究,而本節內容主要根據圖爾敏論證模式中最基本的要素(主張、依據和資料)以及韓葵葵(完整的論證結構包括:提出科學論點、提出反駁點、反駁)、彌樂(提出了科學論證能力的發展進階表現框架,并將其劃分為初級——提出觀點的能力、中級——基于證據進行推理的能力、高級——反駁論證的能力)等多名學者的研究,歸納出如表1所示的學生針對本節內容進行科學論證并有效提高科學論證能力和幫助學生掌握科學論證的關鍵要素[7].

表1 掌握科學論證的關鍵要素

3 “平面鏡成像”教學環節

在學習本節內容之前學生已經掌握了“光的直線傳播”和“光的反射”的內容,對光現象已經有了初步的認知和知識基礎,這為本節內容的學習奠定了基礎.

以下是“平面鏡成像”的主要教學環節.

3.1 創設問題情境 引發學生論證思考

教師通過多媒體設備向學生展示“小貓咪照鏡子”的圖片,讓學生思考兩個問題:

(1)生活中還有哪些與“小貓咪照鏡子”類似的現象?

(2)通過我們的日常觀察,這種現象有什么特點呢?

對問題的思考使學生將課堂展示的內容與生活實際聯系起來,表現出物理源于生活又回歸于生活的同時,引發學生對日常生活現象的思考和注意.通過教師提問,激發學生主動思考的科學思維能力,學生能舉一反三地列出生活中與之相關的例子,比如:用梳妝鏡梳妝,在學校里看著儀容儀表鏡整理著裝,用理發店的鏡子觀看自己發型的改變,湖面的倒影等等.

在經過思考之后學生可以總結出此類現象的特點,比如:鏡子里的像與物體或人本身的大小有時候一樣大,有時候不一樣大;鏡子外的物體或人動的時候鏡子里面的像也跟著一起動等等.體現了學生已經可以根據現象總結歸納出一個物理規律和物理概念的雛形,形成了關于“平面鏡成像”的初步物理觀念,也表明學生已經可以進行初步的概括并形成自己的理解,也是科學論證能力的初步體現.

3.2 進行科學實驗 體會科學探究過程

經過問題情境下學生的初步論證思考,得出相關的結論之后,教師組織學生開始進行關于“平面鏡成像特點”的探究.在實驗過程中,要求學生基于自己剛才所得出的結論進行觀察,主要針對物體與像的大小關系以及物體與像的位置變化特點進行研究.“平面鏡成像”實驗基本操作如圖1所示.

圖1 “平面鏡成像”實驗基本操作圖

在實驗過程中,學生主要通過使用不同大小的蠟燭進行對比實驗,發現物與像的大小是相等的,再通過改變物體的位置發現,像的位置隨物體的位置改變而改變,通過測量發現,物體跟它所成的像到平面鏡的距離相等,物與像的連線跟鏡面是垂直的.

通過以上實驗探究過程,學生在教師的指導下依靠自己的力量完成了實驗,并且在實驗過程中,進行實驗觀察和數據記錄,得出“平面鏡成像的特點”:像與物的大小相等;像與物到平面鏡的距離相等;像與物的連線與鏡面垂直.在整個過程中,學生基于自己提出的問題進行探究實驗,在實驗過程中不停地觀察記錄,根據現象和結果進行邏輯推理和論證,改變了自己對“平面鏡成像”原有的比如“近大遠小”的認知,最終得出準確的結論.

3.3 學生得出結論 交流討論實驗結果

基于學生實驗得出來的結論,教師要求學生之間互相交流,并且對整個實驗過程進行反思,主要討論的有以下兩個問題:

(1)在整個實驗中還有哪些地方有不足或者可以改善?

(2)回憶實驗過程,我們發現平面鏡成像所遵循的光學原理又是什么呢?

對于問題(1),學生主要圍繞兩個方面進行熱烈的討論:在實驗過程中,進行反復實驗,移動過程中,蠟燭的燃燒有一定的危險性;物與像的距離測量比較麻煩.在交流討論過程中,經過一系列彼此的反駁和相互質疑,大家最終得出了一致的解決辦法:蠟燭可以改用大小不一的幾組電蠟燭替代;將本來墊在玻璃板下面的紙板,換成帶有格子的紙板或者手動在紙板上畫出格子,以格數來表示距離的大小,不僅便于讀數,還能提高實驗效率.

對于問題(2),在教師的指導下,學生展開平面鏡成像的圖示較量,大家一一畫出自己實驗過程中蠟燭成像的光路圖,如圖2所示.經過觀察發現,平面鏡成像的光路遵循光的反射定律,并且發現我們看到的實驗中蠟燭所成的像不是真實存在的,人眼看到的光也是蠟燭本身發出的,學生由此現象再結合教材上的知識,最終知道了,蠟燭在平面鏡背后所成的像看得見摸不著,叫做虛像.

圖2 光路圖

經過探究實驗之后的討論交流,學生比較完整地體驗到了科學論證的邏輯推理過程,也進行了反駁和質疑的過程,學生之間發生了思維的碰撞,也使得學生的學習興趣到達這節課的頂峰.在此過程中,學生基于自己獲得的結論不斷地相互交流和討論,質疑和反駁,直到學生們得出能完全應對反駁質疑的結論.對于學生來說,其實已經在這樣的過程中,潛移默化地進行了科學論證的過程,并且也有效地提升了自己的科學論證能力,反復的辯駁并對自己已有結論的修改確定的過程,也是體現學生高階物理思維能力的過程.

3.4 提出實際問題 科學論證解決問題

經過教師指導下學生的學習和實驗探究,在系統地進行科學探究實驗的過程中潛移默化地掌握了科學論證的方法,并且也掌握了科學論證的關鍵要素.那么如何知道學生經過這一過程是否已經掌握了“平面鏡成像”的知識?在實際應用中學生能不能用已有的知識解決問題?學生在解決問題的過程中還是否會體現科學論證的關鍵要素呢?

基于上述問題,教師提出一個實際問題來幫助學生鞏固新知識并且學會用科學論證的方法解決問題.

教師展示圖片并提出問題:

如圖3所示是兩個放在玻璃上的核桃的成像圖,同學們根據我們所學過的內容去觀察一下,我們會發現什么呢?

圖3 核桃成像圖

學生利用觀察法,首先可以直觀地看出圖中有兩個并列的核桃,并且通過比較發現有兩組大小不一且位置不一樣的“影子”,從而學生在腦海里形成思考,它們是怎么形成的呢?在學生觀察完畢之后,教師緊接著提出下一個問題:

那么同學們能否判斷出,這兩組不同的“影子”分別遵循什么規律呢?

學生在思考過程中,首先建立起這跟本節課所學內容“平面鏡成像”肯定有關,其次,圖中有兩組“像”,那緊接著學生就要推理思考并產生質疑,兩組“影子”都是遵循“平面鏡成像”的規律嗎?經過邏輯推理分析得出結論并不是如此,將這個想法駁斥之后,緊接著學生就會產生新的依據,那兩組“像”遵循不同的規律的話,學生先由平面鏡成像的對稱性觀察圖片之后得出一個結論:核桃下方的比較清晰的像是遵循平面鏡成像規律的,這個像跟核桃本身關于玻璃鏡面對稱,并且大小相等.緊接著再由之前所學的“光的直線傳播”的相關知識,得出另一個結論:核桃后面較大較長的影子是由于光的直線傳播導致的,并且光的方向在影子的反方向.

經過以上學生對教師提出問題的思考討論,不難發現,學生經過一定的潛移默化,很容易就可以在面臨新的問題時依據已有的物理概念和物理規律進行邏輯推理,并且這種行為是主動的、積極的,足以體現科學論證的方法在學生解決實際問題時也有著至關重要的作用.將生活中隨處可見的小現象放到課堂上讓學生深入思考,既能體現物理源于生活又回歸生活的本質,又能使學生意識到所學的知識和方法不僅可以解決課本上的問題,也能為我們生活中無處不在的物理現象做解答,使得學生在熱愛物理的道路上也漸漸熱愛生活.

4 結束語

本研究旨在培養學生的科學論證能力所設計的教學環節.通過創設熟悉的、真實的問題情境,使學生感受生活中無處不在的物理現象,激發學生的思考和學習興趣.在學生建立起初步的物理概念以及物理規律之后,以此為依據和問題展開實驗探究,在科學探究的過程中運用觀察法和記錄法,在對實驗現象和結果進行邏輯推理,得出自己的結論之后,學生之間展開交流討論,互相辯駁質疑,在此過程中對所得觀點不斷推翻重建,反復修正,得出最終結論.整個學習過程也是學生科學探究的過程,學生將科學論證能力和科學概念相結合,在依靠證據進行邏輯推理和批判質疑的過程中提升自己的科學理解,同時也潛移默化地習得了科學論證的要素,提升了科學論證的能力,并且還能在解決實際問題過程中巧妙地應用.