郭 慶，文兵前，舒 冬

1.電子科技大學實驗中學，成都 611731

2.成都高新區(qū)教育發(fā)展中心，成都 610041

凸透鏡成像規(guī)律及其應(yīng)用在初中物理教學和各類考查中，一直是一個難點問題。學生囿于難以從真實的科學探究中觀察到相應(yīng)的像及其變化特點，故教學中往往存在重結(jié)論應(yīng)用、輕探究過程的問題，更甚是只關(guān)注結(jié)論而忽略科學探究的實際問題。當然，這與培養(yǎng)學生的深度學習和提升學生的核心素養(yǎng)是相悖的。

本文從對一道習題的質(zhì)疑與思考出發(fā)，引發(fā)了要以單元教學設(shè)計為知識統(tǒng)整導向，利用真實情境科學探究再建構(gòu)的思考。完成了以“凸透鏡成像規(guī)律”為科學探究和科學知識核心內(nèi)容的教學實踐嘗試，以期達到促進學生深度學習，提高學生的科學思維進階發(fā)展和科學探究能力的目標，從而完成對學生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)目標。

1 科學探究對學生深度學習的促進作用

時代發(fā)展背景下對人才素養(yǎng)的要求提出了要從“關(guān)注外在知識層面逐漸走向關(guān)注內(nèi)在的、縱深的學習過程層面，超越淺表化、形式化的淺層學習”［1］，也就是說提出了要達到“深度學習”的要求。

北師大的郭華教授對深度學習做了如下定義：“所謂深度學習，就是指在教師引領(lǐng)下，學生圍繞著具有挑戰(zhàn)性的學習主題，全身心積極參與、體驗成功、獲得發(fā)展的有意義的學習過程。”他提出深度學習要強調(diào)學生的主體地位，要將有整合性、挑戰(zhàn)性的學習單元作為深度學習的教學內(nèi)容，要在真實情境中讓深度學習真正發(fā)生，這樣才能培養(yǎng)未來社會實踐的主人［2］。

從深度學習的內(nèi)涵來看，既體現(xiàn)了《義務(wù)教育物理課程標準（2022 年版）》（以下簡稱《新課標》）提出的“聯(lián)系生產(chǎn)生活實際創(chuàng)設(shè)學習情境”要求，也包含著《新課標》一級主題“實驗探究”中提到的“學生要通過科學探究建構(gòu)物理概念，深化對物理規(guī)律的認識，領(lǐng)悟其內(nèi)涵及相互聯(lián)系”的要求［3］。

由此可見，科學探究與深度學習在研究內(nèi)涵、理念、內(nèi)容上有較大程度的重疊部分。因此，建構(gòu)以科學探究為核心內(nèi)容的單元教學設(shè)計，創(chuàng)設(shè)真實的科學探究情境，精心架構(gòu)探究活動及設(shè)計驅(qū)動問題體系，學生能夠在真實的學習情境中發(fā)現(xiàn)有挑戰(zhàn)性的問題并展開深度學習，可以讓學生更好地建構(gòu)知識網(wǎng)絡(luò)，自主全面地掌握知識間的聯(lián)系，最終完成對知識的遷移與應(yīng)用。

這是以科學探究促進學生深度學習的一種途徑，也是以深度學習培養(yǎng)學生相應(yīng)核心素養(yǎng)的重要方式［4］。

2 從一道考題引發(fā)指向深度學習的教學思考

【題目來源：成都某區(qū)期末考試題】

【題目節(jié)選】 如圖1 乙是做凸透鏡成像實驗時的情境，此時光屏上呈現(xiàn)清晰的像。若拿掉光屏，直接用眼睛觀察，則在哪個區(qū)域可以看到蠟燭的清晰的實像（ ）

圖1 考查題目圖像

A.光屏處

B.光屏上方

C.光屏和透鏡之間

D.光屏右方

【參考答案】 D

【學生答題情況調(diào)研結(jié)果】 根據(jù)凸透鏡成實像時像與物體在蠟燭兩側(cè)的結(jié)論，結(jié)合光屏位置判斷，此時在光屏右方可能觀察到像，故D 選項符合題意。

【教學分析】 此題的考查導向是讓學生重視在凸透鏡成像規(guī)律探究實驗中的操作步驟（即不通過光屏，直接觀察蠟燭經(jīng)凸透鏡所成的像）。而尋找成像位置及特點在教學中往往都是讓學生利用光屏尋找確定，忽視了用眼睛直接觀察這一步驟，所以學生對該考點其實是存在學習盲點的。

這就引發(fā)了筆者思考，去掉光屏后，直接用眼睛觀察，究竟哪些區(qū)域能看到凸透鏡成的像？實像和虛像是否有不同的特點以及可視區(qū)域之分？ 并且類似上述問題，在很多考題中也反復出現(xiàn)，例如下文所列的考點類比節(jié)選的兩個問題：

【考點類比節(jié)選】 在“探究凸透鏡成像規(guī)律”的實驗中：

【題目節(jié)選】

1.實驗中，不但虛像可以用肉眼直接看到，實像也可以用肉眼直接看到，若拿掉光屏，用肉眼在_____（選填“A”“B”或“C”）位置沿圖示方向能看到這個實像（圖2）。

圖2 考點類比1 題目圖像

【參考答案】 C

2.如圖3 乙所示，燭焰能在光屏上形成清晰的像。如果此時撤去光屏，人眼在如圖3 乙所示的位置_____（選填“能”或“不能”）直接看到燭焰的實像。

圖3 考點類比2 題目圖像

【參考答案】 能

將以上三個題目中的問題進行再提煉和對比，可以發(fā)現(xiàn)，考點類比1 和2 的問題指向的是眼睛在給定區(qū)域內(nèi)能否觀察到光源經(jīng)凸透鏡所成的像，這個區(qū)域的劃分符合許多學生心中既定的光屏位置。

但針對我們研究的題目而言，其提問的觀察區(qū)域更廣，因此采用相同的結(jié)論和經(jīng)驗作答會存在較大的錯誤可能。但學生多將這兩個問題混淆為同一類問題，因此關(guān)注科學探究過程中的環(huán)節(jié)設(shè)計，讓學生以真實實驗情境的體驗為基礎(chǔ)，識別并理解兩類問題的異同之處，是突破該教學難點的關(guān)鍵所在。

3 基于真實情境的深度學習教學研究與實踐

通過對考查題目的解析，以及審視“凸透鏡成像規(guī)律”科學探究的教學環(huán)節(jié)發(fā)現(xiàn)：我們常常都用光屏承接的方式讓學生尋找像的位置和特點，而忽視了讓學生通過眼睛直接觀察像的教學過程。通過從單元教學內(nèi)容的研判可知，該內(nèi)容與神奇的眼睛、通過透鏡看世界兩節(jié)內(nèi)容也有聯(lián)系。

因此，在整合三個課時的單元教學內(nèi)容基礎(chǔ)之上，確定了“以觀察促思考、以思考促實踐、以實踐達深度”的科學探究教學模式新嘗試，下面對該教學實踐作詳細介紹。

3.1 合單元設(shè)計，設(shè)遞進臺階

根據(jù)前述分析，筆者選定了教科版初中物理八年級上冊“4.5 科學探究：凸透鏡成像規(guī)律”“4.6 神奇的眼睛”“4.7 通過透鏡看世界”三節(jié)教學內(nèi)容進行單元教學整合，將觀察實驗現(xiàn)象、照相機拍攝實驗圖像、實驗模擬成像、作圖法模擬成像原理、深度學習眼睛與照相機成像原理等問題拆分到不同課時中，以期通過層階遞進的方式，通過不同課時中科學探究的具體內(nèi)容，促進學生的深度學習。其具體教學內(nèi)容和設(shè)計流程如圖4 所示。

圖4 基于真實情境的科學探究單元設(shè)計教學內(nèi)容及流程圖

3.2 做真實探究，研真實問題

通過上述三課時的單元教學設(shè)計，將本文的研究問題進行了拆解，即在每一個課時中，都逐級設(shè)計了科學探究的內(nèi)容，讓學生能夠在進階式的學習中，逐步突破該教學難點。下面以F 光源在透鏡二倍焦距外這一具體實例進行教學研究成果展示。

3.2.1 引入悟境：眼睛直接觀察成像特點

如圖5 是關(guān)于觀察區(qū)域的范圍和命名，圖6是實驗裝置拍攝圖（其中凸透鏡焦距為10 cm），表1 是通過眼睛在不同區(qū)域內(nèi)觀察到的成像特點記錄。

表1 眼睛在不同區(qū)域直接觀察成像特點

圖5 眼睛觀察區(qū)域命名圖

圖6 實驗裝置拍攝圖

3.2.2 引領(lǐng)悟識：照相機模擬眼睛成像照片拍攝

根據(jù)教材內(nèi)容可知，照相機和眼睛的成像原理都是凸透鏡成像規(guī)律的應(yīng)用內(nèi)容。因此，可以利用第2 個凸透鏡來檢驗成像以及采用照相機拍攝的兩種方法進行對比研究，將眼睛直接觀察到的像記錄下來。采用以上兩種方法分別對第Ⅰ、第Ⅱ區(qū)域進行了拍攝研究。其中，第Ⅰ區(qū)域內(nèi)拍攝到倒立的實像，根據(jù)拍攝位置不同，呈現(xiàn)放大、縮小和等大三種像，第Ⅱ區(qū)域內(nèi)拍攝到正立、縮小的實像。

3.3 促深度學習，返深度備課

3.3.1 引導悟技：光路作圖法分析成像特點異同

在對上述兩個區(qū)域內(nèi)成像情況進行對比發(fā)現(xiàn)，同一位置照相機模擬拍攝的圖像與透鏡模擬所成像的正倒情況是相反的，這一問題的成因如何呢？ 究竟哪種方法才是真正模擬眼睛觀察到的情況呢？

學生發(fā)現(xiàn)利用光路作圖的方法可以研究凸透鏡成像的特點，因此采用了光路作圖的方法對第Ⅰ區(qū)域內(nèi)F 光源經(jīng)兩次凸透鏡折射后的光路進行了研究分析（圖7）?？梢钥吹皆诘冖駞^(qū)域內(nèi)觀察時，當兩凸透鏡分別相距50 cm，30 cm 時，F(xiàn)光源經(jīng)凸透鏡兩次折射，最后在光屏上形成了正立的像（正立是相對于物體而言）。這個理論分析結(jié)果與凸透鏡模擬的實驗結(jié)果是一致的，但和照相機模擬眼睛時的拍攝結(jié)果相反，難道照相機的成像原理和凸透鏡成像規(guī)律的應(yīng)用其實不一致嗎？這是探究凸顯的第一個新問題。同理，在第Ⅱ區(qū)域內(nèi)拍攝和理論分析也發(fā)現(xiàn)了相同的問題（圖8），這里不再贅述。

圖7 （第Ⅰ區(qū)域）F 光源二次成像光路分析圖

圖8 （第Ⅱ區(qū)域）F 光源二次成像光路分析對比圖

而當我們采用同樣的方法在第Ⅲ、第Ⅳ兩個區(qū)域觀察時，拍攝和觀察到了兩個不同的像，這和第Ⅰ、第Ⅱ區(qū)域觀察結(jié)果也不一致，這是探究凸顯的第二個新問題。

3.3.2 引申悟道：多元研究的思想統(tǒng)整

結(jié)合眼睛直接觀察、照相機拍攝、凸透鏡模擬和光路作圖的多種科學探究方法，其具體統(tǒng)計結(jié)果如表2 所示，從列表結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，成像特點在各區(qū)域結(jié)果有大部分的統(tǒng)一。

表2 多元研究方法結(jié)果統(tǒng)計表

但在第Ⅰ、第Ⅱ區(qū)域內(nèi)成像時倒立和正立上出現(xiàn)了相反情況，要解決這個問題，學生就必須要深度學習以眼睛為代表的視覺成像系統(tǒng)成像原理和照相機成像原理的知識。其深度學習的內(nèi)容要包含以下幾點：

（1）眼睛是一個十分復雜、精密的復合型光學成像系統(tǒng)，人眼通過視覺系統(tǒng)獲取外界信息時，不同于教材簡述的光經(jīng)過晶狀體后直接成像于視網(wǎng)膜的成像原理，而是先要將光信號經(jīng)過視覺通路轉(zhuǎn)化和傳遞到大腦視覺皮層，再由神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)制后才能傳遞到視網(wǎng)膜，然后形成對圖像的認知信息。

（2）“調(diào)制過程”包含的是人體內(nèi)感知體位的器官將收到的圖像與認知經(jīng)驗判斷的位置進行比對，并給出圖像正立信號的過程［6］。即物體經(jīng)眼睛成像后的確形成了倒立的像，但是大腦視覺中樞最終對圖像信息進行處理和反饋時，是以人通過自身經(jīng)驗積累的方向信息為基礎(chǔ)，自主地進行了成像正立的認知調(diào)制，從而將倒立成像在視網(wǎng)膜上的圖像傳遞為正立的信號進行反饋。

（3）手機攝像頭成像時，物體的反光或發(fā)出的光經(jīng)過鏡頭后產(chǎn)生光學圖像，然后將光學圖像投射到圖像傳感器上，經(jīng)過CMOS 感光元件再轉(zhuǎn)換成電信號，再經(jīng)過內(nèi)部圖像信號處理器（Image Signal Processor,ISP）轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信號輸出［5］，這個轉(zhuǎn)換過程和前文提到的與調(diào)制類似的過程類似。

（4）而第Ⅲ、第Ⅳ區(qū)域，所看到的虛像成因則是：正立的虛像是凸透鏡前表面發(fā)生光的反射形成的，類似于凸面鏡成像；倒立的虛像也是凸透鏡后表面發(fā)生光的反射形成的，類似于凹面鏡成像。

4 結(jié)論

綜上可知，人眼能在各個區(qū)域內(nèi)直接觀察到光源經(jīng)凸透鏡后成的像。人眼在第Ⅰ區(qū)域觀察到的就是原來光屏上相同位置的像，即與考點類比題1 和2 的提問方式一致。而針對“直接用眼睛觀察到的像”，答案則是四個區(qū)域均可看到，只是其成像的虛實、方向和大小有不同的特點?！爸苯佑醚劬τ^察到的實像”則是在第Ⅰ、第Ⅱ區(qū)域內(nèi)都能夠觀察到。

有研究表明，學習情境越真實，學生建構(gòu)的知識就越可靠、越深刻，就越能夠指向?qū)W生的深度學習［4］。而科學探究則是能引導學生在創(chuàng)設(shè)的真實情境下，像科學家一樣開展深度研究與深度學習的一種重要形式。由此可見，利用真實情境為學生提供一個完整、真實的問題背景，以細化科學探究步驟、深化科學探究內(nèi)容的教學改革嘗試，能夠促進學生深度學習、教師深度備課，以此能夠更好地回歸課堂本位，發(fā)揮好真問題探究促教學改革的作用。