《义务教育物理课程标准（2022年版）》（以下简称《新课标》）明确指出，物理教学要培养学生的物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任四大核心素养。其中，科学思维是指从物理学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，是基于经验事实建构理想模型的抽象概括过程，是分析综合、推理论证等方法的内化，是基于事实证据和科学推理对不同观点和结论质疑、批判、检验和修正，进而提出创造性见解的品格与能力
［1］。初中阶段是学生科学思维发展的关键时期，而物理实验探究过程恰恰与学生科学思维的形成过程高度契合。因此，在实验教学中促进学生科学思维的有效进阶，已成为当前初中物理实验教学亟待解决的重要课题。
苏科版初中物理教材中的“探究凸透镜成像规律”实验
［2］是《新课标》规定的必做实验，也是培养学生科学思维的典型案例之一。该实验涉及物距、像距、焦距等多个变量，实验现象复杂，成像规律抽象，包括实像、虚像、正立、倒立、放大、缩小等特征，对学生的观察、数据分析、推理等科学思维能力要求较高。笔者以“凸透镜成像规律”实验为例，探讨在实验中促进学生科学思维的发展，为提升初中物理实验教学质量、培养学生核心素养提供参考。
1 科学思维的内涵与进阶维度
1.1 科学思维的内涵
科学思维并非单一形式，而是多维度、多层次的综合体系。从物理学科特点出发，科学思维主要包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素
［1］。模型建构是根据研究目的，对研究对象的分析和简化。例如，凸透镜可视为光线折射的理想光学模型。科学推理是从已知物理事实出发，运用逻辑方法推导未知结论的过程。又如：通过分析凸透镜成像实验数据，归纳出成像规律。科学论证是指基于经验证据和逻辑推理，来支持或反驳某个观点的过程。例如，用实验现象和数据验证凸透镜成像规律的正确性。质疑创新是不盲从权威，对已有结论和方法进行批判性思考，并尝试提出新问题、新思路或新方法。例如，在探究凸透镜成像规律时，思考是否存在其他影响成像的因素。
1.2 科学思维的进阶维度
根据皮亚杰的认知发展理论，初中生主要处于形式运算阶段，其科学思维的发展具有阶段性和递进性
［3］。结合初中物理教学实际情况，科学思维的进阶过程可划分为以下4个阶段。
（1） 经验感知阶段：学生通过观察实验现象、操作实验等环节，获得对物理现象的直观认知与感性经验。在此阶段，思维以具体性和直观性为特征，主要关注“是什么”的问题，如观察到凸透镜在不同物距下成不同的像。
（2） 具象认知阶段：学生整理实验中获得的感性材料（如数据、现象等），运用比较、分类、概括等方法，探寻物理现象的共性与规律，形成初步的理性认识。在此阶段，思维开始从具体向半抽象过渡，开始思考“为什么会这样”的问题，但尚未建立本质联系。例如，从数据分析得出不同物距下像的大小、正倒、虚实与物距的关系。
（3） 抽象建模阶段：学生通过分析、归纳、演绎等思维活动，从数据中提炼出本质规律，并尝试运用物理模型（如图像、公式、原理图等）进行表征。在此阶段，学生需要回答“如何证明”的问题。例如，运用光学原理推导凸透镜成像规律，建构凸透镜成像光路图模型。
（4） 质疑创新阶段：学生在掌握相关知识与规律的基础上，对实验过程、实验结论展开批判性思考，尝试发现新问题或改进实验方法，以树立创新意识和提升创新能力。在此阶段，学生开始探索“还能怎样”的问题。例如，思考如何精准确定凸透镜所成实像的位置，或者探究透镜的完整性、透镜上的污迹等因素对成像的影响。
2 苏科版“探究凸透镜成像规律”实验教学现状分析
为了解当前苏科版“探究凸透镜成像规律”实验教学中科学思维培养情况，笔者通过教师访谈、学生问卷调查及课堂观察等多种形式，对所在地区多所初中展开了调研。调研发现，目前教学中主要存在以下几个突出问题。
2.1 实验目标定位偏差，重结论轻思维
许多教师将该实验目标简单设定为让学生“完成实验”“观察凸透镜成像的各种情况”，却忽视了实验过程对学生科学思维的培养。在教学中，教师通常直接提供实验步骤和需记录的数据表格，学生只需按步骤操作、填写数据，最后背诵实验结论。这种“程序化”的实验教学，使学生沦为实验操作的“机械执行者”，无法真正体验科学探究的思维过程，科学思维能力的培养自然无从谈起。例如，在仪器组装环节，教师直接告知学生将蜡烛、凸透镜、光屏依次安装在光具座上，并调节烛焰焰心、透镜光心、光屏中心在同一高度，学生无须思考“为何要在光具座上实验？”“为何要调节‘三心’高度？”等问题，思维得不到有效锻炼。
2.2 实验探究过程简化，缺乏思维深度
在探究凸透镜成像规律的实验中，物距、像距、焦距3个变量之间的关系至关重要。通过薄透镜成像实验，可以观察成像的虚实、正倒、缩放等特征。对于凸透镜，当物距u大于焦距f时，成倒立实像，且物距减小时像距增大；当物距小于焦距时，成正立虚像，且物距减小时虚像到透镜的距离（像距的绝对值）减小。这些规律可用薄透镜成像公式1/f=1/v+1/u来描述。但在实际教学中，为了节省时间、保证实验“成功”，教师往往会简化探究过程，将多变量的探究转化为单变量的验证。例如，教师预先设定好几个关键的物距点（如u>2f、f<u<2f、u<f等），让学生依次进行实验，观察并记录实验情况。这种简化的探究过程，实质上成为验证凸透镜成像规律的流程，学生难以体验科学探究的曲折与乐趣，思维深度受限，难以形成严谨的科学思维。
2.3 数据分析处理薄弱，推理能力欠缺
实验数据分析在科学教学中扮演着至关重要的角色，它不仅是科学思维从感性认识上升到理性认识的关键环节，而且是培养学生科学素养和创新能力的重要手段
［4］。在实际教学中，教师常常将实验过程简化，让学生只在预先设定的“
u>2
f ”“2
f>
u>
f ”“
u<
f ”等范围内采集数据。这导致数据采集沦为形式，数据分析环节也被架空——教师往往一带而过，学生未能经历“数据整理—比较分析—归纳概括”的科学推理过程。由于实验数据严重不足（或测量粗糙、数据点太少），导致无法进行有效的数据分析，因此模型建构环节缺乏依据。例如，在研究凸透镜成像规律时，如果只有零星几个不准确的物距和像距数据，就无法绘制出有规律的
u-
v图像，也就难以从中发现物距、像距和焦距之间精确的定量关系。
2.4 缺乏质疑创新引导，思维固化
在实验教学中，教师往往只强调实验结论的唯一性和权威性，不重视学生质疑实验过程和结论的举动。当学生在实验中遭遇与预期不符的现象时，教师或归咎于学生操作失误，或直接予以忽视，并未引导学生剖析原因，拟定改进方案。这种教学方式致使学生形成“唯师、唯书”的思维定式，既缺乏批判性思维，又欠缺创新意识，进而导致学生知识迁移应用能力薄弱。例如，有学生发现蜡烛置于2倍焦距处时，光屏上的像略显模糊，然而教师并未引导学生思考“为何会模糊”“怎样使像更清晰”等问题，而是让学生依照教材结论填写报告，这抑制了学生思维的主动性与创造性。
3 指向科学思维进阶的凸透镜成像规律实验教学策略
针对上述实验教学中存在的问题，结合科学思维的内涵与进阶维度，笔者提出以下指向科学思维进阶的凸透镜成像规律实验教学策略。
3.1 经验感知阶段：创设认知冲突，激发探究欲
思维起点源于疑问。该阶段旨在打破学生前概念，引发认知冲突，为思维进阶提供动力。
（1） 创设真实情境：教师在讲台上放置发光的“F”形光源，在学生与“F”形光源之间的合适位置放置一个大号凸透镜，让学生观察到放大的“F”像；接着调整凸透镜的位置，就能在教室墙壁上呈现放大的“F”像。随后，让学生用自己手中的凸透镜对准讲台上的“F”形光源，询问他们看到了什么样的“F”像。最后提出问题：为什么同样是凸透镜，所成的像会不同？造成不同特点像的根本原因是什么？像的特点与物体到凸透镜的距离有何关系？这样的问题链易于激发学生的好奇心和探究欲，使学生带着问题进入探究过程，为其科学思维的发展奠定了良好的基础。
（2） 前概念探查与冲突：提供凸透镜（放大镜）让学生观察书本上的字。学生会发现：将凸透镜靠近物体时，看到正立放大的虚像；逐渐远离，在某一时刻像突然消失；继续远离，则看到倒立的像。这与他们“放大镜只能放大”的前概念产生冲突。“为什么同一个凸透镜会形成不同的像？”“像为什么会‘翻转’？”“消失的瞬间发生了什么？”这些问题自然涌现。
（3） 结构化观察指导：在学生自由探索后，引导他们进行有目的的观察：“请仔细描述，在移动透镜的过程中，像的大小、正倒、清晰度是如何变化的？记录下像‘翻转’和‘消失’时的大概位置。”这一指导把漫无目的的“看”转变为有意识的“观察”，初步训练学生观察的条理性与全面性。在思维发展方面，学生从无意注意转变为有意观察，从生活经验过渡到物理问题，初步形成“凸透镜成像可能与物体位置有关”的猜想。此时，思维处于具体感知水平，且已具备向更高水平跃迁的动机。
3.2 具象认知阶段：搭建探究阶梯，引导思维递进
在该阶段，教师引导学生设计实验方案，系统采集数据，从随机观察过渡到定量分析，发现数据间的初步规律。
（1） 教学重构：变“照方抓药”为“方案设计”。教师不直接给出教材中的实验步骤，而是以问题链驱动学生思考：“如何进行定量研究？”“我们刚才发现像的变化与物体位置有关，那么如何准确描述‘位置’呢？需要测量哪些物理量？”，从而引导学生提出“物距”（
u）和“像距”（
v）的概念，并思考测量方法。如何进行全面探究呢？“物体放在哪些位置才能看到所有类型的像？我们能否找到像变化的‘临界点’？”由此引出“焦点”和“焦距”（
f）的猜想。学生通过将凸透镜正对太阳光，找到最小最亮的光斑（即焦点），进而测出焦距，这是实验的第一个关键测量。如何设计实验记录表？针对问题，学生小组讨论后设计表格，应包括：实验次数、物距
u、像的性质（大小、正倒、虚实）、像距
v。教师展示多种方案，引导学生思考优化方向：是否需要在焦点附近增加测量数据以验证结果的可靠性？是否应记录不成像的情形？毫无疑问，表格设计本身就是对思维条理化的训练。数据记录表格如
表1所示。
（2） 实施探究与初步分析：学生分组实验，在光具座上从远到近移动物体，从透镜3f处开始，每次向透镜移动2 cm或3 cm，再移动光屏，直至光屏上呈现清晰的像，记录数据。关键引导：①关注焦点（f）和二倍焦距（2f）附近像的变化；②尝试用同一凸透镜成等大倒立实像，以便寻找物距与像距的关系；③物体在1f内时，光屏上找不到像，试着透过透镜从物体同侧去观察虚像，思考为什么光屏承接不到。
（3） 思维发展：学生经历“提出问题—设计方案—实施测量—记录数据”的完整过程，思维从定性转向定量，从模糊转向精确。他们能从中发现一些表层的成像规律，如“物体在焦点以内时，成正立放大的虚像”“物体在焦点和二倍焦距之间时，成倒立放大的实像”，但尚未建立起物距（u）、像距（v）与焦距（f）之间的定量关系，所发现的规律较为片段化。
3.3 抽象建模阶段：数理结合，建构成像模型
该阶段是学生思维实现飞跃的关键阶段，他们能从实验数据中抽象出成像规律，并运用物理模型进行表征。
教学重构：将单纯的“数据罗列”转变为“模型建构”，着重开展以下3个层次的思维训练活动。
（1） 数据深度分析——发现定量规律。引导学生计算每组数据的
u、
v、
f之间的关系。学生会惊讶地发现：在凸透镜成像时，物距（
u）、像距（
v）和焦距（
f）之间的关系遵循公式1/
u+1/
v=1/
f。这表明：当形成实像时，1/
u+1/
v的值近似恒定，且约等于1/
f（在误差允许范围内）。这一发现比教材给出的定性规律更深刻，学生自己“发现”了成像公式的雏形。绘制
u-
v关系图像：以
u为横坐标，
v为纵坐标，描点作图（
图1）。
图像呈现出双曲线的一支，直观地展示了u、v此消彼长的关系。引导学生思考：为什么曲线不与坐标轴相交呢？（因为当u=f时，v无穷大，不成像；当u<f时，成虚像，v为负值）通过图像分析，将数值关系转化为几何直观。
（2） 光路模型建构——解释规律本质。关键问题：“数据规律背后的物理本质是什么？光是如何传播形成这些像的？”回顾光的折射知识，引出3条特殊光线：平行于主光轴的光线过焦点；过光心的光线方向不变；过焦点的光线平行于主光轴（
图2）。
小组活动：选取3处典型位置（
u>2
f，
f<
u<2
f，
u<
f），尝试绘制光路图来解释成像特点。学生初次尝试时往往错误频出，如存在光线画不直、折射点位置不准确、反向延长线画错等错误。这些错误恰恰是思维得以深化的契机。通过错误分析与修正，学生逐步领悟到：实像，乃实际光线交汇之点；虚像，则位于反向延长线相交之处。像的大小，取决于两条光线的夹角；而像距的变化，则源于折射光线方向的改变。
图2的光路将抽象规律可视化，学生据此第一次“看到”了成像的内在机制。
（3） 规律系统整合——构建认知框架。基于数据分析和模型建构，引导学生自主归纳成像规律，并以简洁明了的语言或图表形式进行表达。教师应鼓励并指导学生尝试运用多样化的总结归纳方法，如表格法、口诀法、图像法、公式法等。重点理解“一倍焦距分虚实，二倍焦距分大小”的物理含义：焦点是光线会聚与否的临界点，决定像的虚实；二倍焦距是等大像点，决定像的缩放。学生不仅能说出结论，更能从光路角度解释为什么。
（4） 思维发展。学生经历“数据分析—发现定量关系—建构光路模型—解释规律本质”的完整抽象过程。思维实现从具体数据到抽象模型的跨越，从经验归纳到理论解释的升华。成像公式和光路图成为他们理解成像规律的内在认知工具，而不仅是外在记忆对象。
3.4 质疑创新阶段——迁移应用与批判创新，促进思维升华
该阶段旨在引导学生将模型应用于新情境，并对模型本身进行反思，发展高阶思维。
（1） 模型批判——认识局限性。教师应引导学生深入思考实验结论的普适性。例如：不同焦距的凸透镜成像规律是否一致？当凸透镜厚度增加，或是出现破损、表面有污渍等情况时，这些因素又会对成像规律产生怎样的影响？关键讨论：“我们的成像规律和光路图在何种条件下才成立？”引导学生认识到：3条特殊光线是基于理想化假设的；薄透镜近似处理时忽略了透镜的实际厚度；实验过程中存在的像差（如色差、球差）并未被纳入考量；光路可逆性也是有一定条件限制的。在此基础上，进一步开展拓展实验：利用厚透镜（如装满水的圆柱形玻璃杯）进行成像观察，并与薄透镜的成像效果进行对比。学生直观看到像的扭曲与变形现象，从而深刻理解理想模型的简化处理与现实世界复杂性的差异。
（2） 创意设计——提出改进方案。发起挑战任务：“现有实验装置存在哪些不足？我们应如何进行改进？”学生可能会提出以下改进建议：蜡烛火焰的跳动会对观察造成干扰，可采用LED光源进行替代；光具座的刻度精度不足，可加装数字游标以提高测量准确性；手动记录数据效率低下，可结合传感器技术自动采集u、v数据并实现实时成像。教师应积极鼓励学生动手绘制改进设计图，并详细阐述其中的创新点。这一过程不仅有助于学生将物理知识与工程思维紧密结合，还能有效培养其创新意识和提升解决复杂问题的能力。
（3） 迁移应用——提出新的探究问题。如“凸透镜成像的大小与焦距有什么关系？”“当物体在凸透镜和光屏之间移动时，像的变化规律是什么？”等，并尝试设计实验方案进行探究。
（4） 思维发展。学生能够灵活运用成像模型分析真实光学仪器，展现出思维的系统性和迁移性；能够辩证看待模型的适用条件，展现出思维的批判性；能够提出实验改进方案，展现出思维的创新性。学生的思维发展是一个动态过程：从理解与掌握基本规律，到在实践中灵活运用，最终能够批判反思、突破原有框架，实现认知能力的高阶跃迁。
4 教学实践效果与反思
笔者在两所初中各选取2个实验班和2个对照班，共计4个平行班开展该内容的教学实践。实验班采用上述思维进阶导向的重构教学，对照班采用传统讲授式教学。通过前后测、课堂观察、学生访谈、作品分析等多种方式采集数据，经分析得出如下结论。
（1） 思维品质显著提升。在物理思维测试中，实验班学生在分析与综合、归纳与演绎、建模与假设、等效与类比等思维方法的运用上，得分显著高于对照班（p<0.01）。与对照班相比，实验班学生在“解释新现象”和“设计探究方案”等开放性任务中，表现出的逻辑性与创新性都更为突出。
（2） 概念理解更加深刻。后测显示，实验班学生对“焦点”“焦距”“实像与虚像的本质区别”等核心概念的理解正确率达92%，而对照班仅为65%。在访谈过程中，实验班学生多从光路角度阐释规律，对照班学生则更多依靠记忆口诀。
（3） 探究能力持续发展。在后续实验教学中，实验班学生自主设计实验方案的比例达78%，其中45%的方案具有创新性；对照班这一比例分别为32%和12%。这一结果表明，思维进阶教学具有迁移效应。
（4） 学习态度积极转变。实验班学生对物理实验的兴趣显著提升，课堂参与度高。有学生反馈：“以往觉得实验就是按步骤操作，如今会先思考为何要这么做，还能发现课本里没有的内容。”这种从“被动操作”到“主动探究”的转变，正是思维进阶的内在动力。
（5） 实践反思。思维进阶需要时间保障。重构后的教学需要更多课时（约增加30%），但在思维发展上的收益远大于知识灌输。同时，教师角色也面临挑战。教师需要从“知识传授者”转变为“思维引导者”，这对教师的学科素养和教学智慧提出了更高要求，专业发展支持至关重要。评价方式亦需同步改革，传统笔试难以全面评价思维品质，应增加实验设计、问题解决、模型建构等表现性评价，形成与思维进阶相匹配的评价体系。
5 结论与启示
笔者以凸透镜成像实验为例，构建并实践了科学思维进阶导向的初中物理实验教学模式。研究表明：将实验教学从“验证结论”转向“发展思维”，遵循“经验感知—具象认知—抽象建模—质疑创新”的进阶路径，能够有效促进学生科学思维的深度发展。这种重构不仅转变了学生的学习方式，更重塑了物理实验的教育内涵。科学思维并非天赋的馈赠，而是教育的结晶。当每一个物理实验都化作思维生长的沃土，当每一次探究都点燃智慧的火花，我们培育的将不仅是掌握物理知识的学生，更是具备科学思维、能够面向未来的思考者与创造者。这，正是物理教育最根本的使命。
京公网安备11010202008535号
PDF
(594KB)
