基于学生质疑创新思维发展的概念转变教学设计——以高中物理“光的全反射”为例

张 雪，张 静，许桂清，熊建文

质疑创新处于科学思维的高阶层次，其内涵是基于事实证据和科学推理对不同观点和结论提出质疑、批判、检验和修正，进而提出有创造性见解的能力和品格。然而在模型建构等其他科学思维要素被广泛研究的同时，质疑创新却鲜有论及[1]。概念作为知识体系建立的基础，借助概念教学发展质疑创新思维，不仅有着普遍适应的可行性，更具备培元固本的价值。传统概念教学的研究表明：学生在接受正规科学教育之前，会由于直觉思维、生活经验等因素而持有错误、不严谨的迷思概念，并植根于与科学理论不相容的概念生态之中[2]。由此来看，在概念教学中合理设计矛盾冲突，不仅能为概念的转变教学提供突破口，还能激励学生在原有认知上敢于质疑辨析，创造性地解决问题。

一、基于质疑创新发展的概念转变教学

（一）概念转变教学的理论基础

概念转变是指学生通过科学课程学习，使来自生活经验的前概念发生转化、重建，并形成科学概念的过程。波斯纳（Posner）等人[3]基于认知建构理论界定了概念转变的两种类型：一是同化，即运用前概念解释新现象，无需改变已有的概念框架；二是顺应，即通过概念替换或重构成功地理解新现象，概念框架发生根本性转变。概念转变主要针对后一种类型，实现顺应必须具备四个条件：对前概念的不满以及对新概念的可理解性、合理性和有效性。这四个条件描述的是学生对新概念特征的认识状态，且每个条件以前一个条件为前提。概念转变的教学顺序一般如下：首先，创设前概念无法解释的问题情境，使学生对前概念产生不满；其次，帮助学生准确认识新概念，感知新概念的可理解性；接着深入透析新概念的本质理论，证实与其他科学观念不相冲突，让学生认同其合理性；最后，鼓励学生运用新概念解决实际问题，检验新概念的有效性。

（二）基于质疑创新发展的概念转变教学流程

概念转变的首要条件“对前概念的不满”给教学策略的定位提供了锚点，即认知冲突，是通过反常资料或矛盾信息的提供，激发个体认知的不一致而产生心理失衡。认知冲突有较强的唤醒潜能，能激励学生收集新信息或尽力重组已有知识，证实科学概念比原先的迷思概念更清楚、合理、有效。概念转变的过程也被认为是认知冲突的引发及其解决的过程[4]，这期间理顺矛盾、化解冲突的实现与质疑创新思维密切相关。对立矛盾的出现会引导学生质疑原有观点，驱动学生探究问题所在。质疑问题的解决立足于事实证据之上，学生需从多方视角进行分析、检验、审视、提出有依据的独特见解。质疑创新属于高阶思维的内容，需要在课堂教学中系统规划，逐步发展。本文根据矛盾性事件、批判性事件、支持性事件以及评论性事件等系列认知冲突事件来筑桥搭架，设计了“基于质疑创新发展的概念转变教学流程”（见图1）。

图1 基于质疑创新发展的概念转变教学流程

矛盾性事件是学生不熟悉的，违反直觉的反例[5]。例如实验事实“质量相同的纸团和纸片下落速度不一样”会与错误前概念“物体下落快慢由其重量决定，重的物体下落快”产生矛盾。学生发现了新事物或新现象，就会对前概念产生不满。梳理概括学生的迷思概念，与新现象形成冲突对比，能有效引导学生质疑、尝试调整认知以获取合理解释，使学生的原有认知结构开始更新。

批判性事件是彰显迷思概念与科学概念之间差异的有力证据[6]。与矛盾性事件中的个别特殊现象不同，批判性事件通过普适性的客观规律全面揭示迷思概念的缺漏或错误，可通过设计实验方案检验质疑的内容，根据探究得出的宏观事实和规律建立新概念，对比迷思概念进行修正补充，结合理论知识增强可理解性。

支持性事件是涉及理论思想冲突的精选素材，支持深入本质来体现新概念的合理性。例如，以发展史为线索，梳理亚里士多德、伽利略、笛卡尔、牛顿对力和运动关系的认知差异。支持性事件可以引导学生基于事实证据对不同科学家的理论思想反复审视辨析，体验科学发展是不断质疑和完善的创新过程，当本质理论与学生已接受的概念、观点相一致时，新概念的科学合理自然得到认同。

批判性事件和支持性事件分别从现象和本质共促个体建构科学概念体系，但个体经验在实践应用中难免出现主观偏差，社会建构主义鼓励学生通过合作或互动突破经验局限和主观误区[7]。评论性事件是指理论预测与客观事实相冲突的典型案例[5]，例如学生在分析拔河问题的过程中，会以为胜利的一方作用力较大，误认为作用力与反作用力的大小在运动状态下不相等。评论性事件主要反映学生在独立思考新概念的应用时容易生成的误解，能用于激励学生主动质疑和评判不同观点，在多方思维碰撞中建构一致观念，乃至完成创造性地迁移应用，促进学生从“被引导质疑”到“主动质疑”、从“体验创新”到“自主创造”的思维发展。

二、“光的全反射”教学实践

光的全反射是高中物理几何光学的核心内容。然而生活中繁杂多样的光现象会导致学生对折射、反射产生错误认知，阻碍全反射概念的意义性建构。以“光的全反射”为例，阐述“基于质疑创新发展的概念转变教学流程”的实践应用。

（一）检测迷思概念，设疑促成新知

检测迷思：教师带领学生回顾折射率的内容，依照折射率的相对大小界定“光密介质”和“光疏介质”的概念，梳理光从光疏介质进入光密介质的光现象。紧接着启发学生根据“光的可逆性”原理，预测光从光密介质射入光疏介质的可能情况，教师从中统计学生的迷思概念（见表1）。

表1 迷思概念的统计情况

情景设疑：教师在水中摆放好激光灯的位置，让光以较大的入射角从水射向空气，呈现“分界面的光全部反射回水中”的现象，引导学生对比预测的光现象和观察的光现象是否一致。

述疑释疑：教师随后展示迷思概念对应的三种光路图（表1），鼓励学生运用光学知识点对光路图提出质疑并尝试推理解释，教师概括总结如下。

质疑1：光路图a、c中应该出现反射光。

解释：光传播至不同介质的分界处会发生反射，所以有一部分光会在分界面返回光密介质。

质疑2：光路图b、c中不应该出现折射光。

解释：光沿着与水面平行的方向照射时，不会越过水面发生折射，根据光的可逆性原理，当光从水射入空气时，应该不会出现与水面平行的折射光。

设计意图：以“光从光密介质进入光疏介质”情景为切入点，引导学生暴露“反射光不会出现”“折射光不会消失”等迷思概念[8]。通过矛盾性事件“分界面的光全部反射回水中”与两种迷思概念形成强烈冲突，激发学生对原有认知的不满，引导学生质疑并寻找证据解释，尝试调整对反射、折射发生条件的认知。

（二）实验修正迷思，理论补充认知

实验探究：学生基于质疑内容设计实验，利用半圆玻璃砖/水槽、圆刻度盘和激光笔等实验器材，探究光从一种介质进入另一种介质时，不同入射方向以及不同入射角度对应的反射、折射现象，观察并填写实验记录表（见表2）。

表2 实验记录表

分析归纳：引导学生先总结反射现象，可以发现光在任意入射条件下传播至介质分界面时，反射光始终出现；再对比分析“光疏到光密”和“光密到光疏”两种入射方向的折射现象，能归纳得出“当光从光密介质进入光疏介质，且当入射角达到某一角度C并继续增大时，折射光会消失”的结论。

概念讲解：教师先解释始终存在的反射光，“当光从一种介质进入另一种介质时，新介质相当于是原介质的‘障碍物’，介质分界面处会发生反射现象”。再根据其中折射光消失的特殊现象引出全反射概念“折射光完全消失，只剩下反射光”，同时介绍折射光恰好消失的入射角C称为临界角，引导学生归纳发生全反射现象的两个条件：光从光密介质进入光疏介质、入射角大于等于临界角。

理论支撑：应用折射定律计算临界角与介质折射率的关系，解释光从光密介质进入光疏介质且入射角大于临界角时，折射光消失的原因（不满足折射定律）；再结合可逆性原理说明入射角等于临界角时，不存在与分界面平行的折射光，从理论层面证实全反射的发生条件。

设计意图：为了检验上述质疑内容，实验通过全面探究“不同入射方向、入射角度对应的光现象”创建批判性事件，与学生片面断定的“反射光不会出现”“折射光不会消失”形成反差，帮助学生厘清反射光、折射光是否出现的入射条件。实验中“反射光出现，折射光消失”是与学生固有认知相冲突的特殊现象，将这种新现象提炼出并建立新概念“全反射”，修正学生因模糊处理入射条件而被固有认知所占据的迷思概念，实验结合理论分析全反射的发生条件，加深学生对新概念的理解。

（三）渗透创新体验，建构科学概念

溯源思本：教师引入光的本质发展史（见表3），包括牛顿的微粒说和惠更斯的波动说，以及两种假说对反射、折射的解释。鼓励学生基于事实证据对两种假说提出质疑，并与其他科学家的观点进行对比，体验科学家的创造性见解。最后总结光的本质从光微粒——机械波——电磁波的理论发展，从波动观的视角认同惠更斯原理对折射、反射产生原因的合理解释。

表3 基于物理学史讨论光的本质

概念建构：以“光从一种介质进入另一种介质”为基点梳理光现象。引导学生先根据“光波动向”将光现象划分为反射、折射；再从“入射方向”分别整理反射、折射的多样特征；最后连接相同入射方向下的反射、折射，综合显示完整的光现象，巧妙设置“入射角度”将落脚点汇聚至“全反射”，建构具有逻辑内聚力的知识结构图（见图2）。

图2 知识结构图

设计意图：全反射是一种综合了反射、折射的光现象。对折射、反射认识有误，会阻碍全反射的建构，但究其根源是对光的本质识别不清。例如“微粒说”无法解释反射光、折射光同时出现，便可能导致迷思概念1 中“反射光被忽略”。以光的本质发展史成立支持性事件，一方面从波动观来透析产生反射、折射的微观本质，从根源上瓦解学生的迷思概念，再根据入射条件从多样的折射、反射现象中提炼整合出全反射，形成科学概念和知识体系；另一方面呈现不同科学家的思想冲突，引导学生大胆质疑权威，比如惠更斯的“波动说”虽然能合理解释反射、折射的产生，但其“机械波”假说却尚存不足，随即体验“电磁波”理论的创新完善。

（四）完善观念建构，促进迁移创造

任务思考：公路上用于夜间安全警示的反光道钉等装置，可以依靠过路车辆自身的光线反射达到反光的效果。教师展示由玻璃微珠组成的反光装置（见图3），安排学生分析评论“玻璃微珠的反光可等效为全反射”的观点是否正确。

图3 玻璃微珠

建构解释：学生先独立思考反光原理，尝试运用折射定律、反射定律画出光进入玻璃微珠后的光路图，明晰“反光是由于出射光沿着平行于入射光的逆方向返回”，接下来针对其反光可否等效为全反射展开群体论辩（见表4），直至建构出完整的光路图，对反光解释达成一致观念。

表4 建构“玻璃微珠的反光可否等效为全反射”的解释

迁移创造：鼓励学生对反光装置进行升级改造，开发一个内部能发生全反射的新式结构模型。例如设计三棱柱模型，光线垂直入射到三棱柱并经过两次全反射后，出射光射回光源方向（见图4）。用许多微小三棱柱排列成矩阵制作反光装置，可以达到更为明亮的反光效果[10]。

图4 三棱柱模型

设计意图：根据玻璃微珠的反光特性设计评论性事件。从等效光路上来看，反光现象易被混淆成“特殊的全反射”，因为出射光经过玻璃微珠后沿光源方向反射，而且可以“不考虑折射”。个体建构的反光路图会激励学生主动质疑分界点处不完整的光现象，从而应用光的传播、全反射等知识点，证明B点会发生折射、不会形成全反射，将玻璃微珠的反光与全反射彻底区分，在反光现象的解释中完善对全反射的建构。最后化零为整，以创新设计任务为驱动，引领学生整合全反射、反光等知识解决问题，促进学生迁移创造思维的成长。

三、结束语

“光的全反射”教学以认知冲突事件搭建脚手架，不仅为概念转变教学提供契机与条件，也同时促进学生质疑创新思维的发展。首先，矛盾性事件建立在与学生感性认识相冲突的基础上，通过引入新现象“分界面的光全部反射回水中”，激发学生质疑前概念并重新梳理逻辑关系，形成新的认知。随后通过实验活动设计批判性事件，既为修正“反射光不会出现”“折射光不会消失”等迷思概念辅以证据，也为建构科学概念“全反射”提供思维基础。接下来，利用支持性事件引导学生重走光的本质的创新探索历程，学生针对光现象的解释进行反思和审视、推理和论证，实现高阶思维体验。最后，评论性事件以“全反射”常见的错误应用情景化展开，带领学生开始过渡到自主质疑，逐渐走向创新的境界，且一并促成科学概念的系统建构和灵活应用，真正寓质疑创新思维发展于概念转变教学中。