基于科学思维发展的物理教学实践

摘要

以“光学知识应用”为例，探讨基于科学思维发展的物理教学实践。首先，从知识结构化的视角梳理光学单元的核心概念及其相互关系；然后，基于学业标准和逆向设计原理确定学习目标；最后，基于目标设计一系列进阶任务，如解释树荫下光斑的成因、比较“水中捞月”与“水中叉鱼”的光学现象，以及利用凸透镜进行成像实验等，帮助学生深入理解光学原理。在解决实际问题的过程中，运用科学建模和推理论证等思维方法，提升学生的科学核心素养。

Graphical abstract

关键词

科学思维 / 科学建模 / 推理论证 / 光学知识 / 凸透镜

《义务教育科学课程标准（2022版）》指出，科学核心素养包含4个维度即科学观念、科学思维、探究实践、态度责任，其中科学思维又是核心素养的关键。科学思维是指从科学的视角对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的认识方式，主要包括模型建构、推理论证、创新思维等^［1］。科学建模和科学论证是科学思维的核心，也是当前国际科学教育领域的核心议题，美国《新一代科学教育标准》（NGSS）将建模和论证作为科学实践的要素指导课堂教学^［2］。

在常态物理教学中（特别是复习课），教师很容易以刷题的方式进行知识的巩固并把解题方法作为训练的手段，而忽略了让学生经历科学思维的过程。为改变这一现状，笔者尝试运用“知识体系结构化、学习任务进阶设计、学业水平精准评估”策略设计教学，指导学生运用科学建模和科学论证等思维方法解释自然现象、解决实际问题，真正做到在巩固知识的同时提升其科学核心素养。

1 知识的整体认知与目标导向

1.1 建构单元概念之间的关系

光学单元是浙教版科学七年级下册第二章的内容，该单元主要研究了“光在同种均匀介质中如何传播”“光在不同种介质中如何传播”“透镜在生活中有何应用”等问题。光的直线传播可以解释日食月食等现象，光的反射可以解释平面镜成像等现象，光的折射可以解释光的色散以及利用光的折射制作光学成像元件为生活服务。更上位的跨学科核心概念有“相互作用观、系统与模型、结构与功能”等，跨学科概念统领学科核心概念。光学概念与光学现象整体认知见图1。

1.2 基于学业标准确定学习目标

新课标中光学单元的学业标准要求如下：①知道光的直线传播、反射、折射和色散等现象。②能根据光线模型解释针孔成像、影子等现象；根据光的反射规律解释平面镜成像的特征；根据折射规律解释水中物体的“视深”问题。③能用实验探究凸透镜所成的实像（放大、等大、缩小）和虚像，并能利用成像规律解释投影仪、照相机、远视眼镜、放大镜的光学原理^［1］。学业标准描述的内容就是学生学习光学后应该达到的科学能力，即能运用光学知识解释自然现象与光学应用的原理。

UbD（Understanding by Design）教学设计理论创始人威金斯认为，教师在考虑如何开展教学活动之前，先要努力思考学习要达到的目的到底是什么，以及哪些证据表明学习达到了目的^［3］。根据光学单元的学业要求，结合逆向设计原理，确定该单元的复习目标如下：①分析“树荫下的光斑”“井底之蛙的视野”等现象的成因，且能熟练应用科学建模等思维方法解释自然现象；②分析比较“水中捞月”与“水中捕鱼”的异同，理解平面镜成像与折射成像的区别；③解决“如何利用透镜拍照”“如何设计显微镜”等生活实际问题，且能熟练应用透镜成像知识和科学建模等思维方法解决实际问题。

2 任务的进阶设计与教学实践

2.1 通过科学建模，解释自然现象

挑战任务1：树荫下的光斑一定是圆的吗？

【情境再现】晴天的树荫下，地面上有各种各样的光斑。这些光斑是什么？如何形成的？

学生解释：光斑是太阳的像，是太阳通过树叶缝隙产生的小孔成像。另有学生反驳：不一定，有些非圆形光斑是太阳光直接透过树叶缝隙照到地上，不是小孔成像。

教师追问并说明：这两者有何区别，能否作图解释？为了避免太阳实物本身是圆形带来的干扰，我们可采用“F”光源来演示说明。

学生解释：如图2-a所示，当孔较小时，光源发出的光穿过小孔，因为光的直线传播，光源“F”可以看作由无数个物点S组成，光屏上则由与物点S一一对应的像点S′组成，即呈现清晰、倒立的“F”光源的实像。如图2-b所示，当孔较大时，因为光源“F”的每个点发射出无数条光并穿过孔，如光源“F”字上部物点S发出的光沿着孔的边缘投射到光屏上，则光屏上的光斑呈现孔的形状。

教师提问：如何知道树叶间的缝隙算小孔？太阳的直径大约是1.392×10⁶ km，太阳到地球的平均距离大约是1.496×10⁸ km。多大的孔才能在地面上形成太阳的像？

学生解释：太阳直径、日地距离都是很大的数据，当树叶缝隙的尺寸与缝隙到地面的距离相对较小时才算小孔。

教师指导：取一个尺寸适合的孔作光路图（图3）。

学生解释：当太阳上边缘Q发光点经过小孔时，产生的像Q′与下边缘P发光点经过小孔时产生的像P′的区域不重合时，产生清晰的像。即像距为OA时为临界点，则有：若此时孔地距离减小到OB，则不能成清晰的像；若远离到OC，则能成清晰的像。

【计算与举例】利用相似三角形原理关联太阳的大小、太阳到地球的距离以及小孔的大小。比例关系如下：太阳直径/日地距离=孔的直径/孔地距离，即D/d=S/S_{\mathrm{1}}，如果小孔离地1 m（S₁），可知小孔的直径（d）约为9.3 mm。

【设计意图】此任务旨在通过对自然现象的观察，引导学生运用科学建模思维解释小孔成像的原理。通过讨论和作图，学生能够区分小孔成像与大孔不能成像的差别，并理解光的直线传播特性。通过计算相似三角形，学生可以更深刻地认识到小孔尺寸与成像清晰度之间的关系，从而提升他们对光学基础知识的理解和应用能力。

2.2 通过异同比较，理解光学本质

挑战任务2：井底之蛙欣赏风景，有水与无水时视野范围一样吗？

【情境再现】枯井底部有一只青蛙，看到一片天空，晚上下雨后，井水满了，看到上空的范围如何变化？请用光学知识建模解释。

学生解释：在无水时（枯水井），光在空气中沿直线传播，青蛙能看到的天空区域相对较小；在有水时（满水井），光从空气斜射入水中，在水与空气的交界面发生折射，从而使得青蛙能够看到更广阔的天空区域。

教师追问：有没有办法可以知道井中满水比无水时的视野扩大多少呢？

【补充信息】已知井的直径D₁为1 m，井深H为2 m。根据菲涅耳定律，水井满水时，光线从空气中斜射入水中，入射角与折射角正弦的比值为\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\alpha /\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\beta =\mathrm{4}/\mathrm{3}。

教师指导：为方便计算青蛙的视野范围，假设青蛙能观察到的天空区域的高度等于井的深度。根据题意所作的光路如图4所示。

在图4-a中，根据相似三角形规律可知，无水时青蛙的视野直径D₂为2 m。在图4-b中，根据三角函数可得：

\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\alpha =\frac{BC}{OC}=\frac{BC}{\sqrt[]{B{C}^{\mathrm{2}}+H^{\mathrm{2}}}}=\frac{BC}{\sqrt[]{B{C}^{\mathrm{2}}+\mathrm{4}}}；

\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\beta =\frac{D_{\mathrm{1}}}{\mathrm{2}\sqrt[]{H^{\mathrm{2}}+\frac{{D_{\mathrm{1}}}^{\mathrm{2}}}{\mathrm{4}}}}=\frac{D_{\mathrm{1}}}{\sqrt[]{\mathrm{4}{H}^{\mathrm{2}}+{D_{\mathrm{1}}}^{\mathrm{2}}}}=\frac{\mathrm{1}}{\sqrt[]{\mathrm{4}\times {\mathrm{2}}^{\mathrm{2}}+\mathrm{1}}}\mathrm{。}

代入数据计算得出：BC为0.7 m，则有水时青蛙的视野直径D₃为2.4 m。

【设计意图】该任务通过井底之蛙的比喻，让学生探究光的折射对视野范围的影响。学生需要应用光的折射知识建构模型并进行计算，借此预测并解释青蛙在有水和无水情况下视野的变化。这个过程不仅加深了学生对折射现象的理解，而且锻炼了他们运用科学方法解决实际问题的能力。

挑战任务3：“水中捞月”与“水中叉鱼”哪个容易？

学生解释：如图5-a所示，“水中捞月”是光的反射现象，月亮的光线SO照射到水面发生反射，形成平面镜成像，我们看到的是月亮的虚像S′，所以无法捞起月亮。如图5-b所示，“水中捕鱼”是光的折射原理。由于水和空气的折射率不同，光线路径会发生偏折，我们看到鱼的位置S′比实际位置S要浅。如果用鱼叉捕鱼，那么需要叉向更深一点的位置。比较两种情境的异同，如表1所示。

【设计意图】此任务通过比较两种不同的水下视觉现象，帮助学生理解光的反射和折射的区别。通过绘制光路图和分析成像原理，学生能够认识到不同光学现象背后的物理规律，并学会如何将这些知识应用于解释日常生活中的自然现象。

2.3 通过科学实践，解决实际问题

挑战任务4：没有光屏承接像，利用凸透镜可以拍出几款成像照片？

学生拿着凸透镜看远处物体，看到了倒立缩小的物体。透过凸透镜看较远处的物体，光经过透镜传播，当物体在两倍焦距以外时，成倒立缩小的实像。这时像在放大镜与人眼之间，如果有光屏，则可以承接。

小组合作，拿着凸透镜看作业本上的字，可以看到倒立放大的字。透镜的焦距为10 cm，作业本与透镜的距离在10～20 cm之间，眼睛与透镜的距离在20 cm以上。光经过透镜传播原理如图6所示，当物体在一倍焦距和两倍焦距之间时，成倒立放大的实像。

拿着凸透镜直接看作业本上的字，看到了正立放大的虚像。透过凸透镜看近处物体，可看到正立的影像，只是眼睛和透镜处在同一侧。光经过透镜传播原理如图7所示。物体在一倍焦距以内，成正立放大的虚像。

【设计意图】学生通过不同的观察体验，如观察远处景物、近处文字等行为，来了解凸透镜在不同物距下形成不同类型的像。这种实践活动有助于学生形成对透镜成像原理的直观理解，并激发他们对光学应用的兴趣。

挑战任务5：设计显微镜。

教师问题：利用凸透镜的以上成像原理，能否设计出放大倍数更大的显微镜？

学生解释：可以利用二次放大，即：一次放大成实像，二次放大成虚像。实验室的显微镜就是先把微小物体的透射光经过物镜进行放大，再通过目镜二次放大，以供人眼观察，其光路图如图8所示。载玻片上的物体位于物镜的一倍焦距和两倍焦距之间，形成一个倒立、放大的实像A′B′，再经目镜放大为虚像A″B″。眼睛通过目镜所看到的不是物体本身，而是物体被物镜、目镜二次放大的像。所以，放大倍数是物镜倍数与目镜倍数的乘积。如果在人眼观察的位置放上手机或摄像机，则可在此处进行三次放大的拍摄。

【设计意图】此任务要求学生运用所学的透镜成像知识来设计显微镜。通过讨论和绘制光路图，学生了解显微镜的工作原理，包括物镜和目镜的成像作用以及放大倍数的计算。此过程不仅加深了学生对透镜成像原理的理解，更培养了他们的创新思维和设计能力。

3 总结与反思

该节课通过科学建模与推理论证等科学方法的精准使用，有效促进了学生对科学知识的深层次理解，提升了学生的科学核心素养；还从“知识结构化”“进阶任务设计”“学习评估”三大视角，助力教师开展知识应用型教学。

从知识结构化的视角设计教学。能力的提升体现在知识的应用中，教师通过知识结构化构建概念之间的联系，学生能够系统地理解科学知识。例如，将光学知识分为“光的直线传播”“光的反射”“光的折射”和“透镜应用”等模块，学生能够清晰地看到各知识点之间的联系和区别。教师需要思考的是，是否所有学生都能有效构建知识网络，以及如何进一步优化知识结构化的教学策略。

从学习任务的视角设计教学。在教学中设计挑战任务作为学习资源和支架，有效地支持了学生的科学思维发展。通过具体的问题情境，引导学生运用科学建模和推理论证等思维方法，不仅激发了学生的学习兴趣，也提高了他们的问题解决能力。教师需要注意的是，学习任务是否足够多样化以适应不同学生的学习需求，以及是否所有学生都能有效地利用这些资源进行深入学习。

从学习评估的视角设计教学。该节课通过学业标准来确定学习目标，确保了教学内容与评估标准的一致性。学生在完成任务的过程中，教师可通过观察其表现来进行形成性评价，及时给予反馈。教师需要注意的是，评估方式是否全面，是否能够准确反映学生的理解深度。在未来的教学中，教师还可以探索使用更多评估工具和方法，如自我评价、同伴评价等，以获得更全面的学习反馈。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部. 义务教育科学课程标准（2022年版） ［S］.北京：北京师范大学出版社，2022.

[2] 弭乐，郭玉英.科学建模与科学论证整合的教学模式述评［J］.物理教师，2018，39（02）：7-12.

[3] 格兰特·威金斯，杰伊·麦克泰格.追求理解的教学设计［M］.第二版.闫寒冰，宋雪莲，赖平，译.上海：华东师范大学出版社，2017.

基金资助

2020年浙江省教师教育规划课题“证据教学：科学本质视域下的初中科学教学研究”(ZX2020107)