以学生自主创新实验为载体 发展学生科学思维

刘燕妮 汤金波 王连友

摘 要：科学思维是物理学科核心素养的重要组成部分，发展学生的科学思维是形成学生核心素养的关键.本文以初中物理光学部分的学生自主创新实验为例，结合思维方法的教学，重点突出科学思维中的模型建构、质疑创新两个要素，以此来发展学生的科学思维.

关键词：学生自主创新实验;科学思维;模型建构 ;质疑创新

中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1008-4134（2021）18-0040-04

作者简介：刘燕妮（1982-），女，山东平度人，硕士，中学一级教师，研究方向：中学物理教学;

汤金波（1964-），男，江苏如皋人，本科，中学特级教师，研究方向：学生自主创新实验;

王连友（1985-），男，云南华坪人，硕士，中学一级教师，研究方向：物理实验研究.

科学思维是物理学科核心素养的重要组成部分，《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》指出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，而学生学习能力的差异主要在于思维的差异，对于初中生来讲，大部分学生思维还处于浅层阶段，因此发展学生的科学思维是重要的教学目标之一，是实现学生核心素养的关键.下面笔者以学生自主创新实验为载体浅谈如何发展学生的科学思维，其中这里所提的“创新”是指“教育性创新”，它相对于现实社会来说也许不是新的，但相对于学生当时的认知图式来说是新的，称这种创新为教育性创新.本文以光学实验为例，结合思维方法教学，凸显学生模型建构、质疑创新意识和思维的培养，进而发展学生的科学思维，最终形成核心素养.

1 通过学生自主创新实验，培养学生建构模型的意识和思维

模型的建立过程是对事物进行抽象概括的过程.由于实际问题非常复杂，要全面考虑每个因素的存在，会在处理物理问题时寸步难行.这就要求我们在研究问题时舍弃非本质属性，把这一类事物共同的、本质的属性联合起来，从而建立起一个轮廓清晰的、易于研究的新形象或新符号.这里用到的就是抽象概括的思维方法，目前教材中体现的“模型建构”绝大多数是建构已完成的模型，缺少让学生自己建构模型的内容，而学生自主创新实验，为学生自己建构模型、深入理解物理过程提供了丰富的情境素材，在教师的引导下，可以有效发展学生的建构模型的意识和思维.

案例1 小孔成像模型

课堂上，教师通常可以成功地完成“小孔成像”实验，学生也能较为容易得出小孔成像特点并画出小孔成像原理图，但部分学生并未真正理解何为“小孔”，导致学生在自己动手实验的过程中，就会出现以下的问题，如图1、图2所示.

学生存在的主要问题是：开孔的大小及光源的选择.图1和图2所开的孔都比较大，图1显而易见无法呈现小孔成像的特点，而图2似乎可以呈现出小孔成像的倒立的特点，但其是否就是小孔成像呢？这里教师可以通过分析和综合的方法引导学生思考，分析方法就是把研究对象分解为各个组成部分、要素，对每一部分或每一要素加以研究，揭示事物的属性和本质.综合方法与分析法正好相反，是把研究对象的各个部分、方面和因素综合起来，从整体上把握事物的本质和规律.通过学生自主实验所提供的情境，引导学生观察在光屏上所承接到亮斑的形状，就图1来说，学生可以观察到光屏上光斑的形状是与孔的形状相同，引导学生通过画图进行理解，由于光沿直线传播，烛焰上某一点所发出的光线经过此孔时，光线比较发散，致使光到达光屏上时是一个区域，且与孔形状相同，如图3所示.而对于第二个学生实验，台灯是由数个LED光源组成，就单个LED 光源来说，其发出的一束光线经过纸杯上的孔时，同样因为孔较大致使通过孔的光线较为发散，从而导致光屏上形成与孔的形状相同的光斑，如图4所示，由此可知学生所做的实验并非属于小孔成像，但是该同学的实验整体却呈现出小孔成像的特点，主要因为光的直线传播使分散的LED光源形成了倒立的空间排布.那到底何为小孔成像呢？当烛焰上的一点A发出的无数条光线中，只有一束较集中的光线能经过小孔（即要求孔足够小），从而在光屏上形成唯一对应的像点A′，符合这一模型才属于小孔成像，由此可知，经过小孔所成的像的形状应与光源的形状相同，如图5所示.通过这样的模型分析，可以让学生更加深入理解何为“小孔”以及“小孔成像”的本质特征.

案例2 色散模型

教师可先布置实践作业 “寻找生活中的彩虹”，学生便能通过很多身边的实物找到彩虹，比如玻璃烟灰缸、六棱透明壳的圆珠笔、玻璃做成的奖杯、水杯、光盘、尺子、泡泡、电视机屏幕、水中放置平面镜、喷泉……，其中图6为玻璃烟灰缸所形成的彩虹，图7为玻璃奖杯所形成的彩虹，图8为光盘所形成的彩虹，图9为电视屏幕所形成的彩虹，图10为水中平面镜所形成的彩虹，图11為喷泉所形成的彩虹，那这些彩虹形成的原理是否都是光的折射呢？这里需要引导学生使用“比较与分类”的思维方法，比较就是确定研究对象之间的差异点和共同点的一种思维过程和方法.因为只有把事物之间进行比较，才能对事物进行抽象概括，从而把握事物的本质特征.分类就是清楚掌握对象的共同点和差异点，将事物按照一定的标准进行区分，分类的前提是进行比较.在我们利用分类的思维方法对事物进行分类时，就是对事物本质属性的掌握过程.

通过学生实践案例，可以引导学生对能产生彩虹的物体进行分类，若按物体的透明程度来分，学生可以将其分为透明物体和不透明物体两大类，然后针对透明物体再引导学生观察彩虹的位置，学生可以发现所形成的彩虹位置是不同的，一种是光透过透明物体（类似三棱镜形的物体如烟灰缸、六棱透明壳的圆珠笔、奖杯等）后所形成的彩虹，而另一种情况是光在物体的表面所形成的彩虹（例如泡泡表面、尺子表面等）.针对初中生对“光的折射”现象的理解，很容易让学生判断出不透明物体所形成的彩色条纹（彩虹）不属于光的折射现象，在这里可以适当拓展学生的视野，让学生知道彩色条纹的形成还有一些其他的原理，这不仅能提升学生学习物理的兴趣，也为学生以后的学习做好铺垫.

对于初中生来讲，可以引导学生思考为什么那么多透明物体可以使光发生色散呢？其实不仅仅局限于课堂上所使用的三棱镜，当白光以某一角度入射到其他很多带棱角的透明物体时，不同色光会发生不同程度的偏折，从而产生了光的色散现象.而对于稍微复杂一点的模型，可以通过最基本的三棱镜模型进行引申，如图12所示，例如对于水中放平面镜呈现出的彩虹，引导学生思考里面是否也存在最基本的三棱镜模型呢？学生会发现平面镜和水面构成了三棱镜模型，同时又结合了平面镜反射，改变了光的传播方向，从而改变了彩虹的位置.而喷泉形成的彩虹是光通过近似圆形水滴而形成的，其形成的机理相对复杂，可引导学生理解为将水中放平面镜模型中的平面转变成了曲面，而其产生色散的本质是相同的，都是不同色光在从一种介质斜射入另一种介质时发生了不同的偏折而产生了色散现象.从图中可以看出小水滴形成的紫光在上、红光在下，而为什么我们看到的彩虹是红光在上、紫光在下呢？因为人眼的瞳孔较小，进入人眼的不同颜色的光是从不同的水滴射出，从高处的水滴射入人眼的是红光，从低处水滴射入人眼的是紫光，所以我们看到的彩虹是红在上、紫在下.在教师的引导下，通过比较、分类等思维方法的学习，让学生在对现象的观察分析中建构模型，从而深入理解并能抓住光的色散現象的本质特征.

2 通过学生自主创新实验，发展学生质疑创新的意识和思维

质疑创新离不开批判性思维和创造性思维，而这也是目前学生非常缺乏的，学生具有批判性思维才能具有开放性的态度，不迷信权威，具有探索精神.学生具有创新性思维才能有新颖、有价值的想法.因此，质疑和创新是发展学生科学思维的重要成分.对于接触物理时间不长的初中生来说，创新似乎还很难，但质疑创新思维的发展不只需要一定知识的积累，更重要的在于学生内在的精神和独立思考的能力等，教师可以有选择性地将生活中的科技发展用以引导学生思考，运用分析、综合、类比等思维方法，发展学生质疑创新意识和思维，同时也能让学生意识到自己所学知识的价值以及质疑创新的重要性.

案例3 简易幻灯机/投影仪

现实生活中投影仪是怎么发展来的呢？投影仪的前身是幻灯机，而我国古代的皮影戏、走马灯是最早的幻灯机，随着透镜的发明，便产生了基于“皮影戏”原理的带透镜的幻灯机，开始的幻灯片材料是玻璃制成的，在玻璃上画上不同的绘画，而后随着技术的发展才产生了投影仪，其可以通过不同的接口同计算机、DVD等相连接，播放相应的视频信号.对于初中生，教师可以让学生简单了解投影仪的发展历程，让他们知道技术的发展并不是一蹴而就的，再让学生结合所学的光学知识对幻灯机（投影仪）进行相关设计，实践中学生便能发现问题，提出问题，促进学生对所学知识的深度理解，同时能培养孩子们的知识迁移能力、动手能力和质疑创新意识和思维.

首先准备好强光手电筒、无色透明胶片、彩色透明胶片、卡纸、刀片、彩笔、纸箱、凸透镜等，让学生思考如何制作出能投影出不同色彩图案的幻灯机（投影仪）呢？有的学生先想到在无色透明胶片上画上彩色图案，并将其放置在凸透镜的一二倍焦距之间，再通过强光手电筒照射彩色图案的方式来实现，但在实际操作的过程中发现投影出的彩色图案画质欠佳，接着引导学生通过现有的器材思考解决方案，学生自然可以想到剪裁彩色透明胶片方法，教师再从实际操作的角度（比如是否方便放置）引导学生进行质疑分析，学生可以想到通过在不透明的纸上抠出自己想要的图形并叠放有色透明胶片的方法呈现自己想要的彩色图案，并成功完成了幻灯机的制作，如图13所示.在动手操作的过程中学生还发现了通过黑色透明胶片后所看到的图形颜色并不是黑色而是白色，这又可以激发学生思考，透明物体的颜色不是由它透过的色光决定的吗？实验中的黑色胶片是透光的，黑色可以吸收任何一种色光，但胶片并未完全吸收所有的光，因此每种色光都有透过黑色胶片即形成的是白光，根据实验现象可以让学生更好地理解其实黑色不是光的颜色而是没有光进入到人的眼睛，要看到黑色，应该使用不透光的物体，这样的实践既可以让孩子们学会自制彩色光源，又可以深入理解光透过物体后的颜色及黑色的本质.除此之外，学生采用手机视频也可巧妙地制作出有彩色图案的投影仪，如图14所示，从使用胶片到手机视频，也呈现出从幻灯机到投影仪发展的一些变化特征.

学生在完成幻灯机（投影仪）的制作过程中，增强了动手能力，加深了对知识的理解，发展了质疑创新的意识和思维，并感受到了将所学知识运用到生活的乐趣，物理不仅能让我们更好地理解世界，而且会让我们的生活更加美好.

案例4 简易照相机

照相机的原理简单，学生易懂，但在制作上也会遇到问题，通常学生会选择透明薄膜作为照相机的光屏，但却发现在光屏上看不到像.教师便可在此培养学生质疑分析能力，首先思考是否是像距、物距的原因，在学生排除上述原因后，教师引导学生回顾课堂实验所使用的光屏以及电影屏幕，并思考之所以各个方向都能看见像的原因，再结合相机制作光屏的需要，学生便可以思考出使用既能透过部分光又能发生漫反射的半透明纸，经过尝试，学生成功制作出简易照相机，如图15所示.在实践的过程中，学生遇到了问题，并能在教师的引导下结合自己的经验进行分析思考，提出新的方案来改进实验且取得了良好的实验效果.

除此之外，学生能发现自制照相机在照近处和远处的景物时，清晰度不同，要呈现清晰的像，学生自然可以想到调节像距，这一想法也是可行的，比如照相机上所配的伸缩镜头，在这里还可以引导学生从不同角度再去思考，类比“眼睛视物”，学生便可以想到通过改变透镜的厚度来实现变焦，然后引导学生如何实现透镜的变厚变薄，进而引出水透镜，并自制出变焦照相机，如图16所示.在拍远处或近处的景物时可以通过注入水或抽出水使得在光屏上成清晰的像.通过实验发现，照近处的景物时，需要注入更多的水才可以观察到清晰的像，如图17甲所示，此时水透镜相对较厚，当渐渐远离物体时，像变得模糊，如图17乙所示，此时用针筒向外抽取部分水，使水透镜变薄，便可再次看到物体的像，如图17丙所示.根据实验现象引导学生分析原因，这个实验不仅让学生深度理解所学的知识，更培养学生的解决问题的能力，发展学生质疑创新意识和思维.实践后还可以让学生调研目前市场上的相机变焦系统，了解科技的发展，这也为学生的心中埋下了一颗科研的种子.

3 结语

本文通过学生自主实验呈现出多样化的实验素材，发现学生存在的问题，根据学生的思维特点，结合思维方法的教学，运用分析和综合、分类和比较、抽象和概括、类比等思维方法，在相对复杂的情境下培养学生建构模型的意识和思维，让学生能够透过现象抓住事物的本质;通过结合学生已有的经验和实验的现象，引导学生对原有的观点进行质疑分析，并在解决问题的过程中让学生学会利用新的角度、新的方法等去思考，培养学生批判性思维和创造性思维.目前新版初中阶段的物理课程标准还尚未颁布，可以参考“高中阶段的物理课程标准”对初中生的科学思维进行初步培养，而学生自主创新实验为发展学生的科学思维提供了丰富的实验载体，是初中物理教材的有效补充，教师通过在新的情境下引导学生进行思考和实践，使学生渐渐形成建构模型、质疑创新的意识和思维，从而发展学生的科学思维，最终形成核心素养.

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（收稿日期：2021-06-02）