基于物理科学思维培养的教学设计

穆艳宇 陈红君 丁美予 陈月

摘 要：科学思维是物理课程的培养目标之一，也是物理教学改革的难点问题.教师合理的教学设计能够有效地培养学生的科学思维.本文以“平面镜成像”为例设计以启发思维、形成思维、应用思维、提升思维为主线的教学设计，希望能为一线教师提供借鉴和启示.

关键词：科学思维;平面镜成像;教学设计

中图分类号：G633.7     文献标识码：B     文章编号：1008-4134（2021）16-0040-03

作者简介：穆艳宇（1997-），男，贵州遵义人，硕士研究生，研究方向：物理课程与教学论.

通讯作者：陈红君（1978-），女，吉林东丰人，硕士，副教授，硕士生导师，研究方向：物理课程与教学论、科学教育基本理论;

丁美予（1999-），女，吉林公主岭人，硕士研究生，研究方向：物理课程与教学论;

陈月（1998-），女，吉林松原人，硕士研究生，研究方向：物理课程与教学论.

1 问题的提出

科学思维是核心素养的重要组成部分，科学思维是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[1].“平面镜成像”是在学生学习光的直线传播与反射的基础上，对光的反射的延伸[2].当前初中生虽然对平面镜成像有着较为丰富的感性认识，但由于视觉问题使其认知存在诸多误区，比如，学生难以理解物距、像距、虚像等抽象的物理概念.传统的关于平面镜成像的教学设计，主要采取讲授式教学，教师直接将平面镜成像特点传授给学生.这些都是常规、系统的教学模式，规范性较强，但是对于初中生而言，缺乏一定的趣味性，难以真正激发学生学习兴趣与热情，会在一定程度上阻碍学生科学思维的发展.

2 基于科学思维培养的教学设计

本研究结合“平面镜成像”特点，通过创设情境、探究实验等方法将抽象概念得以具象，促进学生科学探究能力的提升，结合魔箱、偶镜等小实验，充分调动学生的好奇心，激发学生的学习兴趣与热情，并采用问题解决、课外拓展等形式，使学生在解决实际物理问题的过程中，最终达到培养学生科学思维的目的.具体教学流程如图1所示.

3 “平面镜成像”教学环节

3.1 创设情境，启发思维

教师自制一个“魔箱”（如图2所示），“魔箱”上端开有缝隙，前端开口，可看到魔箱内部，教师将一枚硬币从上端缝隙伸入魔箱，让学生观察內部情况，学生们观察到硬币不见了，学生充满疑惑与好奇.待教师解密魔术后，发现在箱子内部斜45度角插入一面平面镜，进而引出新课——“平面镜成像”.

教师：我们发现在这个“魔箱”里有一面神奇的镜子，原来是它欺骗了我们的眼睛.可是为什么要倾斜45度放置它？

学生：为了对称？为了稳定性？（充满疑惑）

教师：让我们带着这个疑问学习今天的内容“平面镜成像”.首先我们要认识清楚第一个问题，什么是平面镜？请同学们仔细观察桌面上的镜子，然后描述它的特点？

学生：它表面是平的，光滑的.

教师：对，像这种表面是平的镜子我们就叫它“平面镜”.

设计理念：教师以物理原理为教学背景，以表演魔术的方式演示奇幻有趣的现象，能够充分吸引学生们的注意，激发他们的学习兴趣和学习热情，使学生都能够积极地参与到课堂中.这种魔术的导入形式既能调动学生学习的积极性，又能迅速激发学生的认知冲突，让学生产生学习新知识的需求，这样学生就顺其自然以最佳的学习状态投入到课堂学习中.这样的设计不仅能让学生产生探究的欲望，启发学生的思维，而且还能展示出教师教学的艺术和魅力.

3.2 实验探究，形成思维

教师：都说水火不相容，接下来，老师给大家演示一个“水中燃烧的蜡烛”（如图3所示）实验，（实验前准备步骤：一个透明的玻璃杯竖直放置在水平讲台上，在玻璃杯的后侧，即在朝向教师的一面放一支点燃的蜡烛）让学生回答观察到的现象.

学生：玻璃杯里面有一支正在燃烧的蜡烛.

教师：老师现在向玻璃杯里倒水，火焰是否熄灭？

学生：没有.

教师：是什么原因产生这种奇妙的现象？

学生：平面镜.

教师：对，生活中我们看到的像一般都能在屏幕上呈现，比如我们去电影院看电影，请同学们思考一下蜡烛的像是否也能呈现在屏幕上？

一部分学生说可以，一部分学生有些迟疑.

教师：既然实践是检验真理的唯一标准，那就让我们用实验来验证.

请两名学生到讲台前，并把观察到的现象（白纸上没有蜡烛的像）告诉大家.

教师：看来这个像很特别，我们在屏幕上找不到它，我们把这种能被看见，却无法用光屏承接的像叫“虚像”.

在学生了解“虚像”概念后，教师提问，让学生列举生活中平面镜成像的例子，学生回答后由教师补充，让学生对平面镜成像有更加理性的认识.按照大家日常照镜子的经验，对学生提出平面镜成像特点的思考题.学生用玻璃板代替平面镜来进行实验探究，学生通过移动玻璃板前后的塑料支架，观察像如何变化，对比像的位置与大小，展开实验探究（如图4所示），实验开始前引导学生猜想像与物关系、像距与物距关系，并设计表格（见表1）.

实验结束后，教师引导学生根据实验现象，结合之前所学的光在同种均匀介质中沿直线传播与光的反射知识，总结实验规律，完成预设表格，组织小组讨论交流，让学生总结归纳平面镜成像的特点，根据平面镜成像特点画光路图，教师再给予完善和补充，完成新课的探究过程，让学生体会物理规律的发现与形成的过程.

设计理念：利用探究性实验，引导学生了解物理实验探究的基本过程与具体步骤，不仅能培养学生的动手操作能力，而且还能培养学生的思维能力，让学生体验物理规律的形成过程，养成严谨的治学态度，树立正确的科学态度与责任感.并且在实验前引导学生对未知事物进行猜想与假设，能激发学生独立思考能力，加深学生在探究过程中对物理规律的掌握情况，强化他们的问题解决能力，有助于学生物理思维的形成与发展.

3.3 问题解决，应用思维

教师提问学生平面镜在生活中具体有哪些应用，以此了解学生对本节课的知识掌握程度、对平面镜成像的理解是否深入以及是否能灵活变通，将理论知识运用于生活实际.接下来，教师演示“偶镜”（如图5所示）实验，提问学生该实验应用什么原理，让学生通过绘制光路图进一步明确平面镜成像的特点和规律，并能将这些知识运用于实际生活中，提高学生解决问题能力.

教师将两平面镜垂直于桌面放置，两面镜子成60°角.

教师：同学们已经很好地掌握平面镜成像的特点与规律，那么现在就有个思考题有待大家去解决，老师如果把一个矿泉水瓶放在两面镜子中间，大家认为平面镜里将得到多少个与其一样的矿泉水瓶？

学生进行仔细思考，互相交流，有些同学在本子上开始画图.这时教师将矿泉水瓶放好，同学们看到无数矿泉水瓶的像，并针对此现象开始展开激烈的讨论，有些同学恍然大悟，有些同学充满疑惑.

教师：这是不是很神奇，同学们思考一下为什么会出现这种现象？一会儿老师找名同学给大家解释一下产生这种现象的原理，同时再给大家一个思考题，当两面镜子夹角是30°、90°、120°时，所成的像又如何？同学们先画出光路图，再用桌前的平面镜装置进行验证.

学生们纷纷动笔画图，之后动手进行验证.由同学给出原理，解释现象的成因，教师进行完善与补充.

教师：同学们的解释已经比较完整，老师再补充一下.原因如下：这是由于从矿泉水瓶射出的光线在两面镜子中间发生多次反射，每反射一次就会看到一个虚像.镜子之间的夹角越小，光在镜子之间的反射次数就越多，形成的虚像也就越多.

设计理念：教师通过预设性提问，能够了解与考查学生是否真正掌握“虚像”和“实像”等一系列概念的物理意义以及“平面镜成像”的物理特点，通过学生的回答，了解学生的物理思维发展水平.在了解学生的物理思维所处水平后，通过演示具体实验，提出思考问题，问题既是思维的源泉，更是思维的动力，学生在解决问题的过程中，就是对思维的调动与应用.举一反三，又能训练学生的思维迁移能力与敏捷性.在解决新问题的过程中，又兼顾了课前的疑问，达到前后呼应，促进学生思维发展.

3.4 课外拓展，提升思维

教师引导学生了解生活中的物理现象，拓展延伸提出问题，教师让学生思考镜子中的自己与实际自己的大小关系，引导學生用物理知识来解释生活中的现象.

教师：平面镜成像的特点与规律在我们日常生活中的应用十分广泛，同学们能想到哪些实际应用呢？

学生：照镜子，有时候测视力也会用到……

教师：那同学们回想一下，我们照镜子的时候，镜子中的自己和实际的自己大小关系如何？

学生：一样大.

学生：镜中的人比实际的小.

教师：我听到同学们的答案不一致，请同学们课后查阅资料并结合我们本节课所学的内容探究它们之间到底存在怎样的关系以及原因，下节课我们一起分享与交流这个问题.

设计理念：物理源于生活，并应用于生活.所以物理课程应注重与生活实际、社会发展相联系.引导学生运用平面镜成像特点解释照镜子这一生活中常见现象，让学生在课外探究与思考中进一步提升科学思维能力.

通过本节课的学习，学生能够掌握平面镜成像的特点与原理，并且能将所学知识很好地运用于生活，真正体现生活中处处有物理，物理源于生活.学生在教师的引导下，自主探究并进行思考总结，在获得知识的过程中，也是思维发展逐步达到科学思维的过程，学生能够解释由于自己之前对平面镜成像仅仅停留在表象层面，由于视觉误差造成对概念、现象的理解模糊，通过本节课的学习，深入思考，既丰富感性认识、又深化对理性规律的掌握，形成与发展正确的科学思维.

4 结语

本研究以培养学生科学思维为出发点，通过创设问题情境，使学生观察有趣的科学现象，感受物理学科的魅力，激发学生的学习兴趣以及对物理学科的热爱，引发学生的好奇心与探究意识;采用教师指导、学生小组合作相结合的形式进行探究性实验，以此提高学生的观察与思考能力、实践操作能力以及合作交流能力，使学生在亲身实验中掌握科学知识，形成科学认识;通过将所学知识应用于实际问题之中，进一步加深学生对所学知识理解，逐步深化对平面镜成像的认识程度，提升学生的知识运用能力，培养学生的问题解决能力;通过课外拓展，将所学新知识迁移到生活实际中，让物理知识与生活实际相联系，在分析与解决问题的过程中，提高学生的科学探究能力，从而达到有效培养学生科学思维的最终目的.

参考文献：

[1]陈敬华.基于发展学生科学思维的教学设计——以“匀变速直线运动”为例[J].物理教学探讨，2020，38（09）：27-31.

[2]王晓丹.平面镜成像教学设计及说明[J].新课程（中学），2017（09）：68.

[3]甘立红.浅谈探究性实验在培养学生创新思维中的作用[J].实验教学与仪器，2009，26（06）：15-16.

[4]徐蓓蓓.基于促进生成的教学原则的物理概念教学设计[J].物理教学，2021，43（01）：5-10.

[5]陈浩.培养核心素养，提升高阶思维——“弹力”公开课教学设计[J].物理教学，2020，42（11）：9-10+8.

[6]韦松英，夏向荣，朱海英.基于核心素养的教学设计--以"波的形成"教学为例[J].物理教学，2020，42（03）：7-11.

[7]朱海英，夏向荣.基于核心素养的教学设计——以“多普勒效应”教学为例[J].物理教学，2019，41（12）：16-20.

[8]骆文洲，梁旭.基于核心素养的教学设计——以“万有引力定律”教学为例[J].物理教学，2019，41（10）：33-36.

（收稿日期：2021-05-06）