基于問題導向 培養科學思維

【摘 "要】 文章基于問題導向教學法，以蘇科版“凸透鏡成像的規律”為教學案例，通過問題導入、自主學習、合作學習和解決問題四個核心環節組織教學活動。在教學過程中，采用了建立成像模型、問題串引導、數據可視化以及拓展探究等多種形式，將科學思維要素巧妙地融入其中，旨在幫助學生在深入理解凸透鏡成像規律的同時，顯著提升科學思維能力。

【關鍵詞】 問題導向；科學思維；凸透鏡成像；數據可視化

一、以問題導向培養學生科學思維的教學模式

問題導向教學法源于“基于問題的學習”（Problem-based learning）這一理念，指將學習置于真實復雜的問題情境中，學生通過自主學習、小組合作的形式，尋找解決問題的方案。隨著義務教育新課標的頒布，問題導向作為物理教學中常用的方法，應當幫助構建與新課標相適應，即以核心素養為導向的新型教學。科學思維是核心素養的核心，學生核心素養的形成依賴于積極主動的思維。結合中學物理課堂的特點，問題導向的課堂教學模式可簡要概括為五個基本環節：教師引導、問題導入、自主學習、合作學習、解決問題。其中，教師引導這一環節應貫穿整個教學過程，對其他四個環節產生積極作用。

二、“凸透鏡成像的規律”教學案例

在本次教學案例中，將以“放大鏡為什么會成倒立縮小的像”這一問題作為導入。在自主學習環節，學生將探索并解決“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，在合作學習環節，學生將進一步探討凸透鏡成像背后的規律，深入挖掘凸透鏡成像的機理。通過這兩個環節，學生的學習過程層層遞進，最終解決導入時提出的初始問題。在整個學習過程中，學生不僅能夠在解決問題的過程中逐步建構知識體系，還能通過探究、合作和討論，提高科學思維能力，如觀察分析、邏輯推理、實驗設計等。

（一）創設問題情境，激發認知沖突

教師引導學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？”大部分學生使用放大鏡觀察課本時，發現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，有學生通過觀察黑板，發現了倒立縮小的文字，這一發現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習提供了豐富的素材和動力。

設計意圖：學生往往由于主觀的認知經驗或對知識的淺層理解，形成錯誤或模糊的前概念。教師需要敏銳地捕捉學生的這一錯誤認知，并據此設計具有爭辯性的問題，引導學生對前概念產生懷疑、主動發現問題，進而有效發展他們的質疑思維和科學探究能力。

（二）轉化真實情境，發展建模思維

根據新課標的培養要求，教師應著重培養學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。教師需要引導學生學會如何分析問題、尋找解決問題的策略。物理模型是構建物理概念和規律的基礎，而模型建構則是一種處理物理問題的重要的科學思維方法。學生通過對復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（在鏡面上標注圖案，以便于比較像與物的大小）。然后，根據前面的導入現象，指導學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，讓學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：像的性質可能與哪些因素有關？

學生在固定好“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，學生可以對凸透鏡成像的規律有更加直觀和深入的理解。

教師首先帶領學生回顧了上一節關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，教師引導學生根據之前通過實驗器材觀察到的實際情況，如光具座上的數據和所成的像，提取出物體及其物距大小，并鼓勵學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生結合實際情境和模型，共同推理出凸透鏡成像性質與物距之間的關系。

設計意圖：鑒于初中階段學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，教師可以借助現有的實驗器材，提供具體的數據來逐步引導學生。通過這種方法，學生在具備實際數據和感官體驗的基礎上，再結合自己的動手操作，能更輕松地畫出相應的模型圖，直觀地感受到物距是影響凸透鏡成像多樣性的關鍵因素。從而，學生明確了接下來研究的重點對象是物距。

（三）開展小組合作，探究成像規律

教師演示：為了引導學生進行深入的探究，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，以激發學生主動思考：

問題1：怎樣調整光屏才能使像最清晰？

問題2：當光屏上不能呈現完整的像時，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律，你認為在實驗過程中需要記錄哪些關鍵數據呢？

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

合作探究：全班學生被分為兩大組，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，每四人組成一小組，每組同學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，學生們成功地在光屏上呈現出了倒立放大、等大和縮小的實像。然而，他們也發現了一個有趣的現象：當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呢？

結合之前學習的平面鏡成像的反射定律，學生們根據虛像形成的原因和成像示意圖，思考后得出結論：此時形成的是正立放大的虛像，因此只能在光屏一側透過凸透鏡觀察“F”的像。實驗完成后，各組將收集的數據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據的圖表，實現了數據的可視化并展示在屏幕上。

問題5：請同學們仔細分析這些數據和圖表，嘗試總結凸透鏡成像的規律是什么？

以焦距為5.5cm的實驗數據為例，如圖1所示，可以得出以下結論：（1）成像規律中，一倍焦距和二倍焦距是成像特點的關鍵分界線；（2）觀察物距與像距的關系，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，物距與焦距的關系決定了成像的特點。綜合學生結論，可以得到：當ugt;2f、flt;vlt;2f時，形成倒立縮小的實像；當u=2f時，成倒立等大的實像；當flt;ult;2f、vgt;2f時，形成倒立放大的實像；而當ult;f時，則成正立放大的虛像。

設計意圖：小組合作學習是學生科學思維形成的重要途徑。通過學生討論，鼓勵其思考與質疑，激發探究欲望。借助實驗探究，培養學生分析、推理論證等科學方法。本實驗方案通過設置問題鏈，合理安排小組任務，讓學生在短時間內共享大量數據，感受規律的普遍性，強調合作的重要性，并通過數據可視化幫助學生直觀分析數據，推理得出結論。

（四）解決實際問題，檢驗理論理解程度

教師利用多媒體設備向學生展示了照相機、投影儀等光學儀器，并邀請學生分析這些儀器的成像原理，以檢驗學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，最終的成像性質是否會有所改變呢？

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

設計意圖：解決這些實際問題需要學生運用科學思維，這樣不僅能讓學生感受到物理知識在生活中的實際應用，還能增強他們學習物理的興趣。此外，通過圍繞教學內容進行延伸，開展拓展性教學，教師旨在引導學生感受現有知識的局限性，學會質疑所學知識，從而激發新的思考。這樣的教學方式有助于學生聯系課上所學，不斷深化學習方法，并將本節課的知識和方法應用到更加復雜的實際問題中去。

（五）通過多元評價，獲取全面反饋

教師在教學前可準備一個課堂表現評價表，并從問題解決的角度出發，制訂如下評價性問題鏈，以引導學生在學習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用于實踐并保持準確性，不會出錯？

問題2：你是否積極參與實驗的設計和改進，并貢獻了自己的想法？

問題3：你是否認真分析了實驗數據，并能根據數據得出完整、準確的結論？

問題4：你是否能夠運用本節課所學的透鏡知識解決生活中的實際問題？

除了學生評價課堂表現外，教師還應布置任務以檢驗本節課的學習效果：請學生整理在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。

設計意圖：設置這一評價性問題鏈，旨在幫助學生更好地評價和反思自己在科學態度、學習方法等方面的成長和收獲，進而促進學生實現思維的提煉和升華。同時，這種評價方式還考慮了學生的知識和能力水平，注重了生生評價、師生評價的結合，從而更合理地評估學生核心素養的發展狀況。

三、結語

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

參考文獻：

［1］ 余文森. 以核心素養為導向：建立與義務教育新課標相適應的新型教學［J］. 中國教育學刊，2022（05）：17-22.

［2］ 胡衛平. 深入理解科學思維 有效實施課程標準［J］. 課程教材教法，2022，42（08）：55-60.

［3］ 宋勇. 從基于經驗到基于證據的物理可視化教學實踐研究：以“探究凸透鏡成像規律”為例［J］. 物理教師，2022，43（01）：36-39.