科学方法促进概念理解的教学设计

摘 要：概念教学是概念理解的教学，在“透镜”新课教学中，笔者基于创设真实情景，以透镜各概念要素的逐步层析为序，注重科学方法的整合运用，促进理解核心概念的内涵和外延，提高学生的核心素养，逐步建构和完善学生的概念知识体系.

关键词：科学方法;概念理解;教学设计

中图分类号：G633.7     文献标识码：B     文章编号：1008-4134（2021）14-0036-04

基金项目：中国教科院2015年度实验区重点课题“区域推进灵性教育的实践研究”（项目编号：SYQ201507）;浙江省2016教育科学规划课题“运用类比法促进初中科学概念转变的教学策略研究”（项目编号：2016SC275）;浙江省2018年教研课题“促进初中科学概念转变的教学策略研究”（项目编号：G18187）.

作者简介：沈强（1979-），男，浙江绍兴人，硕士，中学高级教师，研究方向：概念理解的实践和研究.

概念是人脑在感觉、知觉和表象的基础上，对感性材料进行去粗取精、去伪存真、由此及彼、由表及里的思维加工，是反映事物本质属性的思维产物.概念教学是学生构建知识体系的实施路径，是培养学生核心素养的重要途径之一.在常态的初中物理课堂教学中较注重掌握知识与能力，而忽视理解意义和学会迁移，所以学生对于抽象概念[1]的学习较多停留在浅层认知，无法深入分析和应用，无法进行概念转变，更无法达到理解概念.

正如苏联教育学家维果斯基指出：“科学概念的直接教授是不可能的，而且也是没有效果的.” 而科学方法是人们在认识和改造世界中遵循或运用的、符合科学一般原则的各种途径和手段，有利于运用科学思维得出所研究对象的本质和规律，所以通过科学方法的思维来研究、描述、实施、总结和检验科学现象，从而揭示研究对象的本质属性，达到概念理解的解释、释义、应用、洞察、移情、自知的六个维度[2].本文通过对苏科版八年级上册“透镜”的教学设计，对科学方法促进概念理解的实践进行探讨.

1 教学目标定位

1.1 知识与技能

（1）认识凸透镜的会聚作用和凹透镜的发散作用，认识透镜的焦点和焦距.

（2）经历用多种方法辨别凸透镜和凹透镜的过程，并尝试对各种方法的优劣做初步评估.

1.2 过程与方法

（1）通过透镜的实验提高观察现象的能力，并学习初步的科学研究方法.

（2） 运用转换法、类比法、模型法等科学方法，经历对透镜的分类、特殊光线的探究过程，体验科学概念的形成过程.

1.3 情感态度与价值观

（1）通过凸透镜会聚易形成火灾的现象，提高安全意识.

（2）通过观察与实验，提高学习兴趣，养成透过现象看本质的科学素养，利用科学知识与生活实际的密切联系，提高对科学价值的认识.

2 教学思路与框架

这是一节典型的概念教学课，学生在之前学习了光的反射和折射现象，对“面镜”的分类和光的会聚发散有初步了解，在光的折射时平透镜（玻璃砖）和三棱镜（光的色散）的基础上，学习透镜的分类、判断焦点等概念、透镜的三条特殊光线以及光线偏折的本质原因.设计注重学科知识的逻辑顺序与学生认知发展规律的统一，通过基于科学方法融合的教学策略来促进概念理解，从“看到字模糊如何变清晰”的真实情景出发，以项目式驱动的方式，采用类比迁移、建立模型、实验验证等科学方法来组织教学，让学生知其然，更知其所以然（如图1所示）.

3 教学设计与实施

3.1 情景一

眼睛是心灵的窗户，是我们获取信息的主要器官.当我们看到前面的事物变模糊时，就不能准确得到有关信息.呈现已学过的平面镜、凹面镜、凸面镜、玻璃砖和三棱镜（如图2所示）.

概念理解1 透镜的“透”的含义

教师：应该选择下列哪类合适的光学镜来让事物变清晰？为什么？

学生：应该选用第4、5种的镜，因为前面的三面分别是平面镜、凸面镜和凹面镜，光发生反射，无法透过.而后面的玻璃砖和三棱镜光能够折射透过，光才能进入人眼.

教师：那光能透过的第4、5种的镜子是否都能达到目的？

学生：应该是第5种的三棱镜可以，可以让光发生偏折，而第4种的玻璃砖只是让光发生平移.

设计意图：从已学的镜中采用科学方法中的分类思想，区分“面镜”的原理是光的反射，“透镜”的原理是光的折射，建构“透镜”的初步概念，也从“凹面镜”对光的会聚和“凸面镜”对光的发散作用来为第二种分类方法做铺垫.并且采用“结构—功能—用途”的逆向思维，从光要能透过和偏折角度来选择三棱镜.

3.2 情景二

根据实验一束光斜射入三棱镜中，由于折射，出射光向底面偏折，如采用两面三棱镜，让学生展示组合方式来矫正视线模糊（如图3所示）.

概念理解2 透镜对光的会聚（发散）的原因

教师：观察让平行光通过三棱镜组合时光的偏折情况.以及让平行光通过两透镜的光偏折情况（如图4所示）.大家发现了什么？

学生：三棱镜组合对光的偏折与两透镜对光偏折相似.

教師：为什么会有相似的现象？

学生：三棱镜组合的结构与透镜的结构一样，对光的偏折也就相同.

教师：采用分割的方式，我们发现这两个透镜就是由一些形状相似的棱镜组合而成的（如图5所示）.

设计意图：采用“实验+模型”科学方法来探究透镜会聚与发散的奥秘.通过三棱镜对光的偏折特点，用三棱镜的组合来建构模型，与实际透镜的光偏折比对.从现象的一致性出发，考虑它们结构的相似之处，根据“组合”与“分解”辩证关系，简化和抽象出模型，并根据条件来发展模型，达到更好的教学效果.

3.3 情景三

四人一小组，每组中有六块透镜、手电筒、激光笔等器材（如图6所示），采用小组合作的方式一起寻找透镜的特征差异，探究透镜的分组.

概念理解3  凸透镜和凹透镜的分类

教师：既然这两种透镜对光的偏折不同，我们如何分类和命名？大家分组实验探究.

学生：通过比较透镜中央和边缘的厚薄加以辨别（摸），从侧面观察会更直观.

教师：根据形状命名：中央厚边缘薄的为凸透镜，中央薄边缘厚的为凹透镜.

学生：通过观察透镜的成像情况（放大的像还是缩小的像）来看.

学生：通过手电筒的平行光照射，观察光是会聚还是发散入手加以辨别（照）.

教师：根据对光的偏折命名：对光起会聚作用的凸透镜也叫会聚透镜，对光起发散作用的凹透镜也叫发散透镜.

学生：还可以通过晃动透镜，若发现像的晃动方向与透镜相同，则该透镜是凹透镜，若发现像的晃动方向与透镜相反，则该透镜是凸透镜（晃）.

教师：大家评价一下各种方法的优劣，是否有最好的一种方法.

学生：光学仪器的规范要求我们不能直接用手摸，这样如果在阳光下，照的方法就比较好，如果观察近处书上的字，可以用看或者晃的方法.

教师：没有哪种方法是最好的，要根据实际的条件情况来选择合适的方法.

设计意图：根据透镜的结构差异以及对光的偏折效果不同来分类.分别从最直观的结构特征、对平行光线的作用、成像特点、移动方向来进行区分.根据师生点评辨别透镜的优缺点，以评价促进学生的思维发展.

3.4 情景四 透镜的基本概念和三条特殊光线的融合教学

概念理解4 焦点、光心、焦距、主光轴的基本概念

教师：我们根据模糊情况来选择透镜类型，是否所有的透镜都可以佩戴呢？

学生：不行，需要了解佩戴透镜的偏折效果.就像到眼镜店去配镜需要了解眼睛近视和远视的程度，佩戴合适度数的透镜.

教师：我们把凸透镜放在太阳底下，调节凸透镜与地面的距离，可以发现能产生一个最小最亮的点，这是什么原因？

学生：凸透镜对光有会聚作用，将平行光偏折相交于一点，因为是所有光会聚在一起，所以特别亮.

教师：如果将引火之物放在最小最亮点上，物体能引燃，这个点光学上称为焦点，用F表示.我们知道当光发生折射现象时，垂直入射界面时，光线的方向不变，采用类比思维，凸透镜的折射现象中是否有这种情况？

学生：我们可以用平行光线，从上到下依次平移，的确找到在透镜的中心点，光的传播方向保持不变，偏转光的传播角度对准中心，观察光的传播情况（如图7所示）.

教师：通过双凸透镜的两个球面的球心的直线叫主光轴.

概念理解5 透镜有两个焦点，并且两个焦点到光心的距离相等

教师：实验演示：凸透镜通过实验验证，左边用三条激光，右边会聚成一个亮点，然后右边也用三条激光，左边也会聚成一个亮点，实焦点有两个，到光心的距离相等，这距离我们可以称为什么？

学生：焦距，用f表示.

教师：凹透镜的光线是发散的，无法会聚于一点.采用类比思维，平面镜成的像也不是实际光线形成的，而是反射光线的反向延长线交于一点，这样形成的像称为虚像，那么凹透镜折射后的反向延长线也交于一点，我们可以称之为什么？

学生：虚焦点（如图7所示）.也可以采用上面凸透镜的方式来验证两个虚焦点到光心的距离相等.

概念理解6 透镜的三条特殊光线

教师：凸透镜的特殊光线1，演示凸透镜在太阳光下能形成一个最小最亮的光斑，请大家根据上述情景画出其中一条光线的光路图.

学生：因为太阳离地球比较远，光可以近似为平行光，画出平行于主光轴的光线，最小最亮相当于把折射光经过这个点.即平行于主光轴的光，经过凸透镜后，过焦点.

教师：凸透镜的特殊光线2，根据光路可逆性原理，如果这边有一条过焦点的光线，经过凸透镜后会怎样？（演示实验，与之前的光路重合）

学生：过焦点的光经过凸透镜折射后，平行于主光轴射出.

教师：凸透镜的特殊光线3，刚才大家在找到光心的时候，也发现一个特殊现象，经过光心的各条光线，方向不变射出.

学生：过光心的光线传播方向不变.

设计意图：焦点、光心、焦距和主光轴表面上是零碎的概念，其实有着密切的联系，三条特殊光线也涉及到过焦点、过光心、平行主光轴，所以两部分是密不可分.对点、距离、线的命名完全符合数学的表示方法.更是从定性的分类到定量探究透镜的数据，来逐步完成透镜的准确配置来解决视线模糊问题.

3.5 情景五 学以致用

在冰天雪地想要点火，如何制作冰棱镜并使用它来取火？

通过取火目的要求制作冰棱镜为凸透镜，在磨制过程要中间厚边缘薄，会聚阳光，让太阳光平行于主光轴，将引火之物放在焦点处.

车内、森林内部不能留装水的矿泉水瓶，你如何向长辈们解释？

装水的矿泉水瓶相当于一个凸透镜，遇到阳光照射，会把平行的太阳光会聚在焦点，容易引燃车内的坐垫或森林中的枯草，造成火灾.

设计意图：基于真实情景的习题评估，有利于学生结合所学的知识点解释发生的现象.评估学生的理解程度有两个指标：第一是释义，就是用自己的语言说明做出什么推论以及为什么做出这样的推论，就是通常给出的准确的证明和理由.第二是遷移，就是将所学应用到新的情境中（即迁移）.不仅要给出答案，还要给出理由，并且他们应该能够将最近所学的知识应用到新的相关情境中去.

4 教学效果和反思

20世纪90年代，由斯宾塞基金资助的零点项目和哈佛大学教育研究生院提出了 “为理解而教”，倡导理解的教学逐渐成为国际教育研究的趋势.在科学教育领域，概念理解具有整体性、层次性和精细化三大特征.本节教学设计以解决视线模糊的真实情景驱动为教学主线，对“透镜”基本概念（焦点、光心、焦距、主光轴）的字面理解和深度含义为重点突破，并将基本概念与透镜的三条特殊光线融合层析.

4.1 基于学生前概念的评估为出发点

学生在日常生活中，已经积累很多正确的或者错误的、完整的或者片面的、浅层的或者深层次的前概念，这些前概念往往成為学习新概念的基础，只有正确评估学生前概念，才能更好地实施概念理解的层次性.可以分为以下三个阶段对概念进行理解.

第一阶段：学生要么先将学习内容死记硬背下来，这些概念并没有活化，被封存在知识体系的角落中，不能很好地得到解释和释义.

第二阶段：调动已有经验，尽可能地运用与当前学习内容相似的、已领会的知识，学生自主应用往往还具有一定困难.

第三阶段：经过类比、迁移、转换等科学思维逐步培养，积极地拓展知识体系，有意识地去选择和建构模型，形成合适的 “锚点”，立足思维发展，能做到理解层次的洞察与移情.

4.2 采用科学方法区块链为整体推进

在教学中科学方法的运用有两种方式：第一种是以某种科学方法为主体，其他科学方法辅助，比如在研究地球、宇宙和空间科学中经常会采用模拟实验的科学方法来组织教学中概念的建构和理解;在概念定义中会使用比值定义法等.第二种是多种科学方法并没有主次之分，采用区块链整合的方式来推进.比如以 “类比迁移—模型建立—实验验证”为思维主线来研究、描述、实施、总结和检验科学现象，从而揭示研究对象的本质属性，达到概念的整体化理解.

4.3 采用科学方法隐性与显性相结合

科学方法的隐性教学虽然能在潜移默化的过程中渗透，但科学方法种类较多，有些方法未明确定义和解读，学生容易混淆[3].更涉及到科学方法出现的频率和是否引起学生共鸣等问题，隐性教学的周期长，见效慢.而科学方法的显性教学，容易让科学知识和科学方法两者剥离，让思维的教学成为无根之水.所以采用科学方法隐性与显性相结合的方式，在隐性教育阶段渗透科学方法的形式、程序，使学生切身感受探究过程，体会科学方法的内涵;在探索过程结束之后进入显性教育阶段，显化方法教学，概括讲授科学方法的名称、内涵、形式、步骤等，使学生明确地意识到知识背后的方法，在知识传递的过程中，体悟到科学方法的精髓，理解概念的内涵和外延[4].

以科学方法促进概念理解的教学设计，有效整合分类、转换、类比、实验等科学方法的思想，提高学生问题解决能力和科学探究能力，在注重掌握知识与能力为载体的基础上，让理解意义和学会迁移落地生根.在解决真实问题的过程中逐渐建构和剖析概念，通过对学科核心概念的理解来培养学生的核心素养[5].

参考文献：

[1]陈锋.初中科学概念教学范式创新研究[J].教育评论，2016（11）：135-139.

[2]刘徽.设计优质单元——读《理解为先模式——单元教学设计指南（一）》[J].现代教学，2018（09）：76-79.

[3]巫亚珍.初步探讨初中物理探究教学中渗透科学方法的教育[D].苏州：苏州大学，2008.

[4]杨静，林钦.隐显性相结合：物理概念建立的一种科学方法教育[J].福建基础教育研究，2020（01）：101-104.

[5]彭红艳.新课程背景下中学物理教学的情境创设[J].中学物理，2009，27（18）：42-44.

（收稿日期：2021-03-04）