劉燕妮 湯金波 王連友

摘 要：科學思維是物理學科核心素養(yǎng)的重要組成部分，發(fā)展學生的科學思維是形成學生核心素養(yǎng)的關(guān)鍵.本文以初中物理光學部分的學生自主創(chuàng)新實驗為例，結(jié)合思維方法的教學，重點突出科學思維中的模型建構(gòu)、質(zhì)疑創(chuàng)新兩個要素，以此來發(fā)展學生的科學思維.

關(guān)鍵詞：學生自主創(chuàng)新實驗;科學思維;模型建構(gòu) ;質(zhì)疑創(chuàng)新

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）18-0040-04

作者簡介：劉燕妮（1982-），女，山東平度人，碩士，中學一級教師，研究方向：中學物理教學;

湯金波（1964-），男，江蘇如皋人，本科，中學特級教師，研究方向：學生自主創(chuàng)新實驗;

王連友（1985-），男，云南華坪人，碩士，中學一級教師，研究方向：物理實驗研究.

科學思維是物理學科核心素養(yǎng)的重要組成部分，《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》指出科學思維主要包括模型建構(gòu)、科學推理、科學論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素，而學生學習能力的差異主要在于思維的差異，對于初中生來講，大部分學生思維還處于淺層階段，因此發(fā)展學生的科學思維是重要的教學目標之一，是實現(xiàn)學生核心素養(yǎng)的關(guān)鍵.下面筆者以學生自主創(chuàng)新實驗為載體淺談如何發(fā)展學生的科學思維，其中這里所提的“創(chuàng)新”是指“教育性創(chuàng)新”，它相對于現(xiàn)實社會來說也許不是新的，但相對于學生當時的認知圖式來說是新的，稱這種創(chuàng)新為教育性創(chuàng)新.本文以光學實驗為例，結(jié)合思維方法教學，凸顯學生模型建構(gòu)、質(zhì)疑創(chuàng)新意識和思維的培養(yǎng)，進而發(fā)展學生的科學思維，最終形成核心素養(yǎng).

1 通過學生自主創(chuàng)新實驗，培養(yǎng)學生建構(gòu)模型的意識和思維

模型的建立過程是對事物進行抽象概括的過程.由于實際問題非常復雜，要全面考慮每個因素的存在，會在處理物理問題時寸步難行.這就要求我們在研究問題時舍棄非本質(zhì)屬性，把這一類事物共同的、本質(zhì)的屬性聯(lián)合起來，從而建立起一個輪廓清晰的、易于研究的新形象或新符號.這里用到的就是抽象概括的思維方法，目前教材中體現(xiàn)的“模型建構(gòu)”絕大多數(shù)是建構(gòu)已完成的模型，缺少讓學生自己建構(gòu)模型的內(nèi)容，而學生自主創(chuàng)新實驗，為學生自己建構(gòu)模型、深入理解物理過程提供了豐富的情境素材，在教師的引導下，可以有效發(fā)展學生的建構(gòu)模型的意識和思維.

案例1 小孔成像模型

課堂上，教師通?？梢猿晒Φ赝瓿伞靶】壮上瘛睂嶒?，學生也能較為容易得出小孔成像特點并畫出小孔成像原理圖，但部分學生并未真正理解何為“小孔”，導致學生在自己動手實驗的過程中，就會出現(xiàn)以下的問題，如圖1、圖2所示.

學生存在的主要問題是：開孔的大小及光源的選擇.圖1和圖2所開的孔都比較大，圖1顯而易見無法呈現(xiàn)小孔成像的特點，而圖2似乎可以呈現(xiàn)出小孔成像的倒立的特點，但其是否就是小孔成像呢？這里教師可以通過分析和綜合的方法引導學生思考，分析方法就是把研究對象分解為各個組成部分、要素，對每一部分或每一要素加以研究，揭示事物的屬性和本質(zhì).綜合方法與分析法正好相反，是把研究對象的各個部分、方面和因素綜合起來，從整體上把握事物的本質(zhì)和規(guī)律.通過學生自主實驗所提供的情境，引導學生觀察在光屏上所承接到亮斑的形狀，就圖1來說，學生可以觀察到光屏上光斑的形狀是與孔的形狀相同，引導學生通過畫圖進行理解，由于光沿直線傳播，燭焰上某一點所發(fā)出的光線經(jīng)過此孔時，光線比較發(fā)散，致使光到達光屏上時是一個區(qū)域，且與孔形狀相同，如圖3所示.而對于第二個學生實驗，臺燈是由數(shù)個LED光源組成，就單個LED 光源來說，其發(fā)出的一束光線經(jīng)過紙杯上的孔時，同樣因為孔較大致使通過孔的光線較為發(fā)散，從而導致光屏上形成與孔的形狀相同的光斑，如圖4所示，由此可知學生所做的實驗并非屬于小孔成像，但是該同學的實驗整體卻呈現(xiàn)出小孔成像的特點，主要因為光的直線傳播使分散的LED光源形成了倒立的空間排布.那到底何為小孔成像呢？當燭焰上的一點A發(fā)出的無數(shù)條光線中，只有一束較集中的光線能經(jīng)過小孔（即要求孔足夠?。瑥亩诠馄辽闲纬晌ㄒ粚?yīng)的像點A′，符合這一模型才屬于小孔成像，由此可知，經(jīng)過小孔所成的像的形狀應(yīng)與光源的形狀相同，如圖5所示.通過這樣的模型分析，可以讓學生更加深入理解何為“小孔”以及“小孔成像”的本質(zhì)特征.

案例2 色散模型

教師可先布置實踐作業(yè) “尋找生活中的彩虹”，學生便能通過很多身邊的實物找到彩虹，比如玻璃煙灰缸、六棱透明殼的圓珠筆、玻璃做成的獎杯、水杯、光盤、尺子、泡泡、電視機屏幕、水中放置平面鏡、噴泉……，其中圖6為玻璃煙灰缸所形成的彩虹，圖7為玻璃獎杯所形成的彩虹，圖8為光盤所形成的彩虹，圖9為電視屏幕所形成的彩虹，圖10為水中平面鏡所形成的彩虹，圖11為噴泉所形成的彩虹，那這些彩虹形成的原理是否都是光的折射呢？這里需要引導學生使用“比較與分類”的思維方法，比較就是確定研究對象之間的差異點和共同點的一種思維過程和方法.因為只有把事物之間進行比較，才能對事物進行抽象概括，從而把握事物的本質(zhì)特征.分類就是清楚掌握對象的共同點和差異點，將事物按照一定的標準進行區(qū)分，分類的前提是進行比較.在我們利用分類的思維方法對事物進行分類時，就是對事物本質(zhì)屬性的掌握過程.

通過學生實踐案例，可以引導學生對能產(chǎn)生彩虹的物體進行分類，若按物體的透明程度來分，學生可以將其分為透明物體和不透明物體兩大類，然后針對透明物體再引導學生觀察彩虹的位置，學生可以發(fā)現(xiàn)所形成的彩虹位置是不同的，一種是光透過透明物體（類似三棱鏡形的物體如煙灰缸、六棱透明殼的圓珠筆、獎杯等）后所形成的彩虹，而另一種情況是光在物體的表面所形成的彩虹（例如泡泡表面、尺子表面等）.針對初中生對“光的折射”現(xiàn)象的理解，很容易讓學生判斷出不透明物體所形成的彩色條紋（彩虹）不屬于光的折射現(xiàn)象，在這里可以適當拓展學生的視野，讓學生知道彩色條紋的形成還有一些其他的原理，這不僅能提升學生學習物理的興趣，也為學生以后的學習做好鋪墊.

對于初中生來講，可以引導學生思考為什么那么多透明物體可以使光發(fā)生色散呢？其實不僅僅局限于課堂上所使用的三棱鏡，當白光以某一角度入射到其他很多帶棱角的透明物體時，不同色光會發(fā)生不同程度的偏折，從而產(chǎn)生了光的色散現(xiàn)象.而對于稍微復雜一點的模型，可以通過最基本的三棱鏡模型進行引申，如圖12所示，例如對于水中放平面鏡呈現(xiàn)出的彩虹，引導學生思考里面是否也存在最基本的三棱鏡模型呢？學生會發(fā)現(xiàn)平面鏡和水面構(gòu)成了三棱鏡模型，同時又結(jié)合了平面鏡反射，改變了光的傳播方向，從而改變了彩虹的位置.而噴泉形成的彩虹是光通過近似圓形水滴而形成的，其形成的機理相對復雜，可引導學生理解為將水中放平面鏡模型中的平面轉(zhuǎn)變成了曲面，而其產(chǎn)生色散的本質(zhì)是相同的，都是不同色光在從一種介質(zhì)斜射入另一種介質(zhì)時發(fā)生了不同的偏折而產(chǎn)生了色散現(xiàn)象.從圖中可以看出小水滴形成的紫光在上、紅光在下，而為什么我們看到的彩虹是紅光在上、紫光在下呢？因為人眼的瞳孔較小，進入人眼的不同顏色的光是從不同的水滴射出，從高處的水滴射入人眼的是紅光，從低處水滴射入人眼的是紫光，所以我們看到的彩虹是紅在上、紫在下.在教師的引導下，通過比較、分類等思維方法的學習，讓學生在對現(xiàn)象的觀察分析中建構(gòu)模型，從而深入理解并能抓住光的色散現(xiàn)象的本質(zhì)特征.

2 通過學生自主創(chuàng)新實驗，發(fā)展學生質(zhì)疑創(chuàng)新的意識和思維

質(zhì)疑創(chuàng)新離不開批判性思維和創(chuàng)造性思維，而這也是目前學生非常缺乏的，學生具有批判性思維才能具有開放性的態(tài)度，不迷信權(quán)威，具有探索精神.學生具有創(chuàng)新性思維才能有新穎、有價值的想法.因此，質(zhì)疑和創(chuàng)新是發(fā)展學生科學思維的重要成分.對于接觸物理時間不長的初中生來說，創(chuàng)新似乎還很難，但質(zhì)疑創(chuàng)新思維的發(fā)展不只需要一定知識的積累，更重要的在于學生內(nèi)在的精神和獨立思考的能力等，教師可以有選擇性地將生活中的科技發(fā)展用以引導學生思考，運用分析、綜合、類比等思維方法，發(fā)展學生質(zhì)疑創(chuàng)新意識和思維，同時也能讓學生意識到自己所學知識的價值以及質(zhì)疑創(chuàng)新的重要性.

案例3 簡易幻燈機/投影儀

現(xiàn)實生活中投影儀是怎么發(fā)展來的呢？投影儀的前身是幻燈機，而我國古代的皮影戲、走馬燈是最早的幻燈機，隨著透鏡的發(fā)明，便產(chǎn)生了基于“皮影戲”原理的帶透鏡的幻燈機，開始的幻燈片材料是玻璃制成的，在玻璃上畫上不同的繪畫，而后隨著技術(shù)的發(fā)展才產(chǎn)生了投影儀，其可以通過不同的接口同計算機、DVD等相連接，播放相應(yīng)的視頻信號.對于初中生，教師可以讓學生簡單了解投影儀的發(fā)展歷程，讓他們知道技術(shù)的發(fā)展并不是一蹴而就的，再讓學生結(jié)合所學的光學知識對幻燈機（投影儀）進行相關(guān)設(shè)計，實踐中學生便能發(fā)現(xiàn)問題，提出問題，促進學生對所學知識的深度理解，同時能培養(yǎng)孩子們的知識遷移能力、動手能力和質(zhì)疑創(chuàng)新意識和思維.

首先準備好強光手電筒、無色透明膠片、彩色透明膠片、卡紙、刀片、彩筆、紙箱、凸透鏡等，讓學生思考如何制作出能投影出不同色彩圖案的幻燈機（投影儀）呢？有的學生先想到在無色透明膠片上畫上彩色圖案，并將其放置在凸透鏡的一二倍焦距之間，再通過強光手電筒照射彩色圖案的方式來實現(xiàn)，但在實際操作的過程中發(fā)現(xiàn)投影出的彩色圖案畫質(zhì)欠佳，接著引導學生通過現(xiàn)有的器材思考解決方案，學生自然可以想到剪裁彩色透明膠片方法，教師再從實際操作的角度（比如是否方便放置）引導學生進行質(zhì)疑分析，學生可以想到通過在不透明的紙上摳出自己想要的圖形并疊放有色透明膠片的方法呈現(xiàn)自己想要的彩色圖案，并成功完成了幻燈機的制作，如圖13所示.在動手操作的過程中學生還發(fā)現(xiàn)了通過黑色透明膠片后所看到的圖形顏色并不是黑色而是白色，這又可以激發(fā)學生思考，透明物體的顏色不是由它透過的色光決定的嗎？實驗中的黑色膠片是透光的，黑色可以吸收任何一種色光，但膠片并未完全吸收所有的光，因此每種色光都有透過黑色膠片即形成的是白光，根據(jù)實驗現(xiàn)象可以讓學生更好地理解其實黑色不是光的顏色而是沒有光進入到人的眼睛，要看到黑色，應(yīng)該使用不透光的物體，這樣的實踐既可以讓孩子們學會自制彩色光源，又可以深入理解光透過物體后的顏色及黑色的本質(zhì).除此之外，學生采用手機視頻也可巧妙地制作出有彩色圖案的投影儀，如圖14所示，從使用膠片到手機視頻，也呈現(xiàn)出從幻燈機到投影儀發(fā)展的一些變化特征.

學生在完成幻燈機（投影儀）的制作過程中，增強了動手能力，加深了對知識的理解，發(fā)展了質(zhì)疑創(chuàng)新的意識和思維，并感受到了將所學知識運用到生活的樂趣，物理不僅能讓我們更好地理解世界，而且會讓我們的生活更加美好.

案例4 簡易照相機

照相機的原理簡單，學生易懂，但在制作上也會遇到問題，通常學生會選擇透明薄膜作為照相機的光屏，但卻發(fā)現(xiàn)在光屏上看不到像.教師便可在此培養(yǎng)學生質(zhì)疑分析能力，首先思考是否是像距、物距的原因，在學生排除上述原因后，教師引導學生回顧課堂實驗所使用的光屏以及電影屏幕，并思考之所以各個方向都能看見像的原因，再結(jié)合相機制作光屏的需要，學生便可以思考出使用既能透過部分光又能發(fā)生漫反射的半透明紙，經(jīng)過嘗試，學生成功制作出簡易照相機，如圖15所示.在實踐的過程中，學生遇到了問題，并能在教師的引導下結(jié)合自己的經(jīng)驗進行分析思考，提出新的方案來改進實驗且取得了良好的實驗效果.

除此之外，學生能發(fā)現(xiàn)自制照相機在照近處和遠處的景物時，清晰度不同，要呈現(xiàn)清晰的像，學生自然可以想到調(diào)節(jié)像距，這一想法也是可行的，比如照相機上所配的伸縮鏡頭，在這里還可以引導學生從不同角度再去思考，類比“眼睛視物”，學生便可以想到通過改變透鏡的厚度來實現(xiàn)變焦，然后引導學生如何實現(xiàn)透鏡的變厚變薄，進而引出水透鏡，并自制出變焦照相機，如圖16所示.在拍遠處或近處的景物時可以通過注入水或抽出水使得在光屏上成清晰的像.通過實驗發(fā)現(xiàn)，照近處的景物時，需要注入更多的水才可以觀察到清晰的像，如圖17甲所示，此時水透鏡相對較厚，當漸漸遠離物體時，像變得模糊，如圖17乙所示，此時用針筒向外抽取部分水，使水透鏡變薄，便可再次看到物體的像，如圖17丙所示.根據(jù)實驗現(xiàn)象引導學生分析原因，這個實驗不僅讓學生深度理解所學的知識，更培養(yǎng)學生的解決問題的能力，發(fā)展學生質(zhì)疑創(chuàng)新意識和思維.實踐后還可以讓學生調(diào)研目前市場上的相機變焦系統(tǒng)，了解科技的發(fā)展，這也為學生的心中埋下了一顆科研的種子.

3 結(jié)語

本文通過學生自主實驗呈現(xiàn)出多樣化的實驗素材，發(fā)現(xiàn)學生存在的問題，根據(jù)學生的思維特點，結(jié)合思維方法的教學，運用分析和綜合、分類和比較、抽象和概括、類比等思維方法，在相對復雜的情境下培養(yǎng)學生建構(gòu)模型的意識和思維，讓學生能夠透過現(xiàn)象抓住事物的本質(zhì);通過結(jié)合學生已有的經(jīng)驗和實驗的現(xiàn)象，引導學生對原有的觀點進行質(zhì)疑分析，并在解決問題的過程中讓學生學會利用新的角度、新的方法等去思考，培養(yǎng)學生批判性思維和創(chuàng)造性思維.目前新版初中階段的物理課程標準還尚未頒布，可以參考“高中階段的物理課程標準”對初中生的科學思維進行初步培養(yǎng)，而學生自主創(chuàng)新實驗為發(fā)展學生的科學思維提供了豐富的實驗載體，是初中物理教材的有效補充，教師通過在新的情境下引導學生進行思考和實踐，使學生漸漸形成建構(gòu)模型、質(zhì)疑創(chuàng)新的意識和思維，從而發(fā)展學生的科學思維，最終形成核心素養(yǎng).

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（收稿日期：2021-06-02）