感悟科学探究 凸显思维培育——以苏科版“透镜”为例

戴玲娟

(南通市第一初级中学，江苏 南通 226500)

素养时代的物理课堂需要教师精心设计科学探究活动，通过学生的多感官体验建构模型，系列进阶实验中据理论证，领悟思想中开拓创新，培养学生深度理解物理的知识和思想同时，促进学生高阶思维能力的提升，最终迁移和运用到实际问题中.本文以苏科版“透镜”一节为例，以“初识透镜——再探透镜——揭秘透镜”为探究活动主线，以发展学生的高阶思维为出发点和落脚点，切实落实学生的核心素养.

1 多感官体验中建构模型

教育家夸美纽斯说：“一切知识都是从感官开始的.”在物理课堂上，教师应创设丰富的教学情境，充分调动学生多感官(眼、耳、口、手等)体验，获得生动的感性认知，运用抽象、概括的思维进行加工，提炼出现实情境中的物理模型，实现从感性体验到理性认知的飞跃.

一节让学生兴趣盎然的课必定有一个能快速吸引学生注意的引入.课堂伊始，笔者播放一组澳大利亚森林火灾后生灵涂炭、满目疮痍的图片，让学生体验深刻的视觉冲击，进而引发思考：“森林火灾的起因是什么？”“保护环境，我能做些什么？”树立环保意识，引导学生敬畏自然，关爱生命的生态意识，渗透学科育人的理念.紧接着播放两个对比演示实验微视频，其一是太阳光直接照射可燃钢丝棉(着火点较低，且有环保烟花的美称)，5 s后，并未发生明显的变化；另一是在太阳与钢丝棉

图1 透镜点燃钢丝棉

间的适当位置放一透镜，静待相同的时间后，发现钢丝棉被点燃，如图1所示.视频产生的动态视觉体验，充分调动了学生学习兴趣，对透镜的探索已经迫不及待了，在“初识透镜”活动中，生生合作，师生互助，归纳出“摸”、“看”、“照”等方面进行辨别透镜.

“光心”——透镜中具有特殊意义的一点.平时的教学中，教师常常采用接受式学习，严重忽略了学生的主动参与、积极构建，抑制了学生创造性思维的发展.鉴于此，笔者设计了具有开放性的探究活动： (1) 以做促学，学做相长.放手让学生自主探究“透镜对光的作用”，实验中，学生尝试着用激光笔从不同方向照向透镜，并逐一记录下来，为分享提供可靠的素材，如图2，通过大量的实验现象，师生共同归纳凸、凹透镜对光的会聚、发散作用.倘若以上的设计目的是让学生通过“做中学”，那“学中思”更能深化学生的思维.(2) 以问促思，关注本质.教师点拨：“所有的光线经过透镜都会偏折吗？”一“问”激起千层浪，细心的学生可能会恍然大悟，有一些经过凹透镜的光线并没有偏折，假若没有学生注意这一特殊情况，教师也无需立刻告知答案，适时的课堂留白，才能韵味无穷，学生会主动拿起激光笔，再探透镜对光的作用，并将学生的发现汇总在同一个图中，发现传播方向不变的光线都经过一个特殊点，如图3；而光对着凸透镜照射时，也有类似的现象，如图4，但也不难发现出射光线与入射光线间有较小的侧移，笔者引导并演示如果换用更厚些的凸透镜，侧移会更大.物理上，为了研究问题的方便，常常会抓住主要因素，忽略次要因素，建立理想化的模型——薄透镜，即其厚度远小于组成透镜球面的半径，上述特殊的点我们称之为光心，其特点是过透镜光心的光线传播方向不变，薄透镜的光心就在透镜的中心.

以上的设计意图，是让学生明白物理上每一个特殊点(如光心、焦点、2倍焦距等)、每一条特殊线(如法线、力臂等)的引入，都是人们发现知识、总结规律的关键的点和线，在物理的学习中有着不可替代的作用和意义.教师创设丰富的情境，调动学生的多感官体验，让学生真切地经历知识的发展过程，在归纳、对比、抽象的思维中感悟知识的内涵与外延，激活学生建构物理模型的科学思维，培养学生用物理的眼光观察世界.

图2 透镜对光的发散和会聚作用

图3 寻找光心1

图4 寻找光心2

2 进阶实验中据理论证

物理概念的建立、辨析和应用往往是枯燥乏味的，教师应设计具有挑战性的系列主题活动，帮助学生运用所做、所见、所感，据理论证，厘清概念的内涵与外延，激发学生高阶思维的发展，促进学生形成有助于未来可持续发展的核心素养.

图5 凸透镜对不平行于主光轴的平行光的会聚作用

焦距是透镜中的核心概念，是光学系统中衡量光的会聚或发散的度量方式，把握焦点的实质，是建构焦距概念的前提，因此，笔者创新设计了“初识焦点——辨析焦点——再探焦点——可变焦距”项目式的系列实验，探究透镜对光线的作用.(1) 初识焦点.一束平行于主光轴的光正对透镜照射，均会聚一点或发散后反向延长交于一点，物理上就把这个点叫做焦点，初步认清凸、凹透镜的焦点意义，培养学生归纳与总结的科学思维，但这样的认知并不深刻.(2) 辨析焦点.一束平行光不正对凸透镜照射，如图5，此时会聚的点是焦点吗？学生结合所学与所见，从焦点的本质出发，进行辨析与思考，进而真正达到对物理观念的透彻理解，提升学生深刻而灵活的思维品质.(3) 再识焦点.以两个探究活动均是在二维平面内的研究情况，但学生生活在多维的、立体的世界里，所见所闻均非平面的，所以这样的教学无疑会抑制学生的智慧增长，笔者采用“转动增维”的方法进行了优化，即用电风扇带动激光笔转动，利用人“视觉暂留”的特点，此时原本平面上的一条光线看上去就是一束立体的、柱形的光束射向透镜，在另一侧形成了锥体状的光束，如图6.至此，“焦点”的概念已全面、立体地展现在学生的脑海里. (4) 可变焦距.透镜的焦距并非恒定不变，自制可变焦的水透镜可实现连续变焦，笔者演示向水透镜中注水、抽水，调节凸透镜的凸起程度，发现曲率越大的凸透镜，其焦距越短，会聚能力越强，如图7；教师展示的水透镜即拓宽了对凸透镜焦距的认知结构，又为后续学习“照相机与眼球”做铺垫，还打破学生的思维格局，一箭三雕，巧妙地设计层次分明的实验项目，切实推进深度学习.

图6 凸透镜的会聚(转动增维效果图)

图7 自制可变焦的水透镜

以上进阶实验的设计意图，由特殊到一般，抽象概念的内延；由平面到立体，丰盈概念的空间；由固定到可变，灵活概念的应用.物理的学习要求将学生所学知识转化为解决实际问题的综合能力，即迁移应用和举一反三的能力，而这里的“一”，便是依据事物的道理，对事物的本质进行分析、论证，纵然表象千变万化，但仍不离其宗，培养学生用物理的头脑分析世界.

3 思想渗透中开拓创新

爱因斯坦曾说：“教育无非是将一切已学过的东西都遗忘后，所剩下的东西.”而这剩下的便是素养，即用物理的思维分析世界.物理的思想常常隐藏在科学探究的活动之中，笔者之前在处理“揭秘透镜”的环节时，由两个三棱镜不同方式的组合，到透镜的多个分割，看似学生学完后，也能揭开透镜的奥秘，但关于“微元”的思想，学生依旧是一知半解的；其实，学生在小学数学中已经利用微元的思想来推导圆的面积公式了，如图8，如何帮助学生加深对微元的认识，并内化为自己的思维方式呢？

图8 推导圆的面积公式

笔者进行了如下的优化设计：在课前布置了一个小游戏，要求仅用一把剪刀、一张纸，尽可能地剪出一个圆形，学生通过课外实验，发现将纸对折的次数越多，所剪出的越接近圆，如图9，学生从实际操作中领悟到圆可以看成是圆周上微小线段的累加.如此，学生对微元的认识不再是静态的文字，而是在体验和感受中变得鲜活起来，同时增强了学生课外探究活动的意识，促使学生将物理的思想内化为自己认识世界的方式.

图9 尽可能剪出圆形

透镜的特殊光线是为清晰地描述透镜成像规律而引入的物理语言，笔者在处理3条特殊光线时，首先从放手让学生探究透镜对光线的作用，进而发现平行于主光轴以及过光心的特殊光线.这样的设计尊重初二学生的好奇心强，乐于探索未知的心理特点，由任意对着透镜照射的光线中寻找特殊现象，渗透的是由一般到特殊的演绎思想，也是着力于培养学生仔细观察的品质.

总之，物理学习不能仅停留在获得知识、习得技能上，而应以科学探究为载体，在学生多感官体验中构建模型、在进阶实验中据理论证、在领悟思想中开拓创新，切实提升学生的科学思维，落实学生的核心素养.唯此，才能让学习方法深入人心，学习过程深入细致，学习成果根深叶茂，真正使科学思维在课堂中绽放异彩.