基于问题导向 培养科学思维

【摘 "要】 文章基于问题导向教学法，以苏科版“凸透镜成像的规律”为教学案例，通过问题导入、自主学习、合作学习和解决问题四个核心环节组织教学活动。在教学过程中，采用了建立成像模型、问题串引导、数据可视化以及拓展探究等多种形式，将科学思维要素巧妙地融入其中，旨在帮助学生在深入理解凸透镜成像规律的同时，显著提升科学思维能力。

【关键词】 问题导向；科学思维；凸透镜成像；数据可视化

一、以问题导向培养学生科学思维的教学模式

问题导向教学法源于“基于问题的学习”（Problem-based learning）这一理念，指将学习置于真实复杂的问题情境中，学生通过自主学习、小组合作的形式，寻找解决问题的方案。随着义务教育新课标的颁布，问题导向作为物理教学中常用的方法，应当帮助构建与新课标相适应，即以核心素养为导向的新型教学。科学思维是核心素养的核心，学生核心素养的形成依赖于积极主动的思维。结合中学物理课堂的特点，问题导向的课堂教学模式可简要概括为五个基本环节：教师引导、问题导入、自主学习、合作学习、解决问题。其中，教师引导这一环节应贯穿整个教学过程，对其他四个环节产生积极作用。

二、“凸透镜成像的规律”教学案例

在本次教学案例中，将以“放大镜为什么会成倒立缩小的像”这一问题作为导入。在自主学习环节，学生将探索并解决“凸透镜成像有哪几种不同的情况”这一问题，对凸透镜成像的多样性有初步认识。接着，在合作学习环节，学生将进一步探讨凸透镜成像背后的规律，深入挖掘凸透镜成像的机理。通过这两个环节，学生的学习过程层层递进，最终解决导入时提出的初始问题。在整个学习过程中，学生不仅能够在解决问题的过程中逐步建构知识体系，还能通过探究、合作和讨论，提高科学思维能力，如观察分析、逻辑推理、实验设计等。

（一）创设问题情境，激发认知冲突

教师引导学生使用放大镜进行观察，并抛出问题：“通过放大镜所看到的物体一定是放大的吗？”大部分学生使用放大镜观察课本时，发现了正立放大的文字和图像，并受到放大镜名称或之前“透镜”一课的影响，他们可能认为通过放大镜看到的一定是放大的图像。然而，有学生通过观察黑板，发现了倒立缩小的文字，这一发现自然引出了新的问题：“明明叫作‘放大’镜，为什么会看到缩小且倒立的像呢？”这种观察差异和疑问为接下来的探究学习提供了丰富的素材和动力。

设计意图：学生往往由于主观的认知经验或对知识的浅层理解，形成错误或模糊的前概念。教师需要敏锐地捕捉学生的这一错误认知，并据此设计具有争辩性的问题，引导学生对前概念产生怀疑、主动发现问题，进而有效发展他们的质疑思维和科学探究能力。

（二）转化真实情境，发展建模思维

根据新课标的培养要求，教师应着重培养学生的观察和分析能力，而非仅仅局限于对物理知识的记忆和理解。教师需要引导学生学会如何分析问题、寻找解决问题的策略。物理模型是构建物理概念和规律的基础，而模型建构则是一种处理物理问题的重要的科学思维方法。学生通过对复杂的物理情境进行深入的思考，忽略次要因素，抽象概括出理想模型，从而能够提炼出问题的核心。

教师可以让学生拿出配备好的实验装置，包括“F”LED灯、光具座、凸透镜（在镜面上标注图案，以便于比较像与物的大小）。然后，根据前面的导入现象，指导学生进行实验装置的组装。接下来，教师可以布置自主探究任务，让学生移动凸透镜并仔细观察，同时思考以下问题：

问题1：凸透镜成像有哪些不同的情况？

问题2：像的性质可能与哪些因素有关？

学生在固定好“F”LED灯后，通过逐渐增大物距（由近及远移动凸透镜），可以观察到凸透镜的各种成像情况。由近及远依次为：正立放大像、不成像（模糊一片）、倒立放大像、倒立等大像、倒立缩小像。通过这个过程，学生可以对凸透镜成像的规律有更加直观和深入的理解。

教师首先带领学生回顾了上一节关于特殊光线作图成像的知识，随后利用Flash动画作图，按照实际物体的高度和凸透镜的焦距进行了详细的示范。接着，教师引导学生根据之前通过实验器材观察到的实际情况，如光具座上的数据和所成的像，提取出物体及其物距大小，并鼓励学生尝试画出该物体通过凸透镜成像的示意图。这一过程旨在帮助学生结合实际情境和模型，共同推理出凸透镜成像性质与物距之间的关系。

设计意图：鉴于初中阶段学生的思维正处于从形象到抽象的过渡阶段，若建模思维的训练仅基于原始问题，可能效果并不理想。因此，教师可以借助现有的实验器材，提供具体的数据来逐步引导学生。通过这种方法，学生在具备实际数据和感官体验的基础上，再结合自己的动手操作，能更轻松地画出相应的模型图，直观地感受到物距是影响凸透镜成像多样性的关键因素。从而，学生明确了接下来研究的重点对象是物距。

（三）开展小组合作，探究成像规律

教师演示：为了引导学生进行深入的探究，教师以寻找倒立放大的像为例，进行了一系列前期铺垫。在演示过程中，教师故意展示出常见的操作问题，以激发学生主动思考：

问题1：怎样调整光屏才能使像最清晰？

问题2：当光屏上不能呈现完整的像时，可能的原因是什么？又该如何解决这一问题？

问题3：为了研究凸透镜成像背后的规律，你认为在实验过程中需要记录哪些关键数据呢？

教师采用“头脑风暴法”，通过提问的形式激发学生的思维，鼓励他们大胆表达自己的想法。这样的教学方式有助于学生理解实验的操作要点，如确定三心等高的重要性，同时也避免了学生在后续实验中手忙脚乱。

合作探究：全班学生被分为两大组，分别使用5.5cm焦距和7.5cm焦距的凸透镜进行实验。在大组内，每四人组成一小组，每组同学利用凸透镜进行多组物距下的成像实验，通过改变物距来寻找前面提出的四种成像情况。同时，学生们在表格中详细记录了每次实验的物距、像距以及成像的特点。在实验过程中，学生们成功地在光屏上呈现出了倒立放大、等大和缩小的实像。然而，他们也发现了一个有趣的现象：当物距减小到一定程度时，无论如何移动光屏，都无法找到清晰的像。

问题4：为什么当物距减小到一定程度时，可以用眼睛观察到像，但无法在光屏上呈现呢？

结合之前学习的平面镜成像的反射定律，学生们根据虚像形成的原因和成像示意图，思考后得出结论：此时形成的是正立放大的虚像，因此只能在光屏一侧透过凸透镜观察“F”的像。实验完成后，各组将收集的数据汇总到教师提供的表格软件中。通过软件处理，形成了两种焦距下各七组数据的图表，实现了数据的可视化并展示在屏幕上。

问题5：请同学们仔细分析这些数据和图表，尝试总结凸透镜成像的规律是什么？

以焦距为5.5cm的实验数据为例，如图1所示，可以得出以下结论：（1）成像规律中，一倍焦距和二倍焦距是成像特点的关键分界线；（2）观察物距与像距的关系，如成倒立缩小像时，物距u大于二倍焦距，而像距v位于一倍焦距和二倍焦距之间；（3）实际上，物距与焦距的关系决定了成像的特点。综合学生结论，可以得到：当ugt;2f、flt;vlt;2f时，形成倒立缩小的实像；当u=2f时，成倒立等大的实像；当flt;ult;2f、vgt;2f时，形成倒立放大的实像；而当ult;f时，则成正立放大的虚像。

设计意图：小组合作学习是学生科学思维形成的重要途径。通过学生讨论，鼓励其思考与质疑，激发探究欲望。借助实验探究，培养学生分析、推理论证等科学方法。本实验方案通过设置问题链，合理安排小组任务，让学生在短时间内共享大量数据，感受规律的普遍性，强调合作的重要性，并通过数据可视化帮助学生直观分析数据，推理得出结论。

（四）解决实际问题，检验理论理解程度

教师利用多媒体设备向学生展示了照相机、投影仪等光学仪器，并邀请学生分析这些仪器的成像原理，以检验学生对凸透镜成像原理的掌握情况。在课程的最后，教师提出了两个课后拓展探究的问题：

问题1：如果将两个甚至多个凸透镜组合在一起，最终的成像性质是否会有所改变呢？

问题2：在掌握了凸透镜的成像规律后，能否运用相似的方法去探究凹透镜的成像规律呢？

设计意图：解决这些实际问题需要学生运用科学思维，这样不仅能让学生感受到物理知识在生活中的实际应用，还能增强他们学习物理的兴趣。此外，通过围绕教学内容进行延伸，开展拓展性教学，教师旨在引导学生感受现有知识的局限性，学会质疑所学知识，从而激发新的思考。这样的教学方式有助于学生联系课上所学，不断深化学习方法，并将本节课的知识和方法应用到更加复杂的实际问题中去。

（五）通过多元评价，获取全面反馈

教师在教学前可准备一个课堂表现评价表，并从问题解决的角度出发，制订如下评价性问题链，以引导学生在学习过程中进行及时的自我评价和互相评价。

问题1：你是否能将自己已掌握的知识应用于实践并保持准确性，不会出错？

问题2：你是否积极参与实验的设计和改进，并贡献了自己的想法？

问题3：你是否认真分析了实验数据，并能根据数据得出完整、准确的结论？

问题4：你是否能够运用本节课所学的透镜知识解决生活中的实际问题？

除了学生评价课堂表现外，教师还应布置任务以检验本节课的学习效果：请学生整理在ult;f、flt;ult;2f等五种不同情况下，凸透镜成像的性质及其成像模型。鼓励小组成员之间互相交流和完善，将成果及时反馈给教师。

设计意图：设置这一评价性问题链，旨在帮助学生更好地评价和反思自己在科学态度、学习方法等方面的成长和收获，进而促进学生实现思维的提炼和升华。同时，这种评价方式还考虑了学生的知识和能力水平，注重了生生评价、师生评价的结合，从而更合理地评估学生核心素养的发展状况。

三、结语

在传统课堂的“凸透镜成像的规律”教学中，部分教师往往倾向于先揭示规律，再让学生通过实验来验证和理解这些规律。然而，这种做法可能导致学生缺乏深度思考，思维训练不足，尤其在推理和论证等科学思维方法的培养上效果有限，难以有效提升学生的科学思维能力。本文提出的教学案例采用了问题导向教学法，根据教学环节和教学内容的特点，针对性地提供了渗透科学思维要素的建议。这一方法鼓励学生通过自主探索和合作讨论来解决问题，从而培养他们的科学思维能力。后续研究可以进一步探索在物理概念、习题等教学中如何有效运用问题导向教学法提升学生的科学思维能力。

参考文献：

［1］ 余文森. 以核心素养为导向：建立与义务教育新课标相适应的新型教学［J］. 中国教育学刊，2022（05）：17-22.

［2］ 胡卫平. 深入理解科学思维 有效实施课程标准［J］. 课程教材教法，2022，42（08）：55-60.

［3］ 宋勇. 从基于经验到基于证据的物理可视化教学实践研究：以“探究凸透镜成像规律”为例［J］. 物理教师，2022，43（01）：36-39.