基于理性思维培养的科学探究教学
——以光的反射为例

沈伟云

(浙江省嵊州市教育体育局教研室,浙江 嵊州 312400)

初中科学课程标准指出,科学是以多样统一的自然界为研究对象的探究活动,是建立在证据和理性思维的基础上的,在探究教学中要注重培养学生的思维技能和能力.[1]理性思维是一种建立在证据和逻辑推理基础上的思维方式,是学生一项重要的核心素养,它包括模型与建模、科学推理、科学论证、质疑创新.库恩认为,理性思维是智力发展的最终目标,教育的核心在于发展学生的思维,尤其是理性思维.[2]探究既是学生获取科学知识的一项重要手段,也是学习科学的重要内容.通过探究实验的开展,在培养学生科学探究能力的同时,也要注重学生理性思维的发展.现以光的反射为例,开展基于学生理性思维发展的教学实践与探索.

1 绘图析图,培养学生模型与建模的思维

模型是人们为了某种特定目的而对认识对象所做的一种简化的概括性描述.[3]在科学教学中,对较为复杂、影响因素众多的实际问题常常进行“简化”处理,通常以实物模型或图画形式来直观表达研究对象的特征.

图1 光的反射模型

如在桌面上放置一面平面镜,将激光笔发出的光束射至平面镜上,观察光传播方向的变化情况,教师可引导学生建立实物模型:用泡沫板作为镜面,用一根铁丝作为入射光线,另一根铁丝作为反射光线,中间插一根针作为法线.在此基础上,绘制出光的反射图,建立光学模型,如图1所示,结合光的反射模型,在学生阅读教材内容的基础上,让学生说出入射点、入射角、反射角、法线的概念.

又如教师可通过创设问题情境,让学生通过建构模型去解决实际问题,如小李爸爸的手机掉到沙发下,没有手电筒,小李怎样借助平面镜反射的灯光去找手机,可作出如图2的模型.

图2 反射灯光找手机模型

科学思维是科学教学的核心,而建构和使用模型是形成科学思维的基本途径.[4]模型是融入科学知识的载体,通过建构和分析模型,不仅有助于促进学生理性思维的发展,也有利于提高学生绘图析图能力.

2 分析证据,培养学生科学论证思维

在科学探究中,论证就是把现有的资料、数据和假设联系起来,分析这些事实与假设之间究竟存在什么关系,能否通过这些资料和数据证明或证伪猜想与假设.[5]美国《K-12科学教学框架》将“论证”列为8项科学实践活动之一,指出“论证”与科学探究、数据分析、建立模型等皆为科学教育所要帮助学生发展的科学素养.教师可在引导学生对实验事实数据分析的基础上,通过论证得出科学结论或规律.

图3 探究光的反射规律

如图3所示把一平面镜M放在水平桌面上,再把一块硬纸板竖直地立在平面镜上,光束从左侧射入,观察到反射光线在右侧,把光束从右侧入射,观察反射光线在左侧,重复多次,通过引导学生分析实验现象,可论证“反射光线和入射光线分居法线两侧”的假设是正确的.

又如把E、F置于同一平面内,改变光束的入射方向,描出入射光线和反射光线的径迹,测出反射角、入射角,完成多次,填写表1.

表1 光的反射角和入射角

通过分析表1数据,即可论证“反射角等于入射角”假设.

通过分析实验事实,论证假设正确与否,从而得出实验结论,这是科学论证的过程,分析是论证的基础,论证是分析的必然结果,在分析论证结束后,教师要及时组织学生交流讨论,反思方法是否合理、事实是否充分、过程是否严谨、结论是否科学,进而有力地培养学生的分析论证思维能力.

3 学以致用,培养学生科学推理思维

基于物理学科核心素养的“科学思维”维度对科学推理的相关描述是:“能从定性和定量两个方面进行科学推理,找出规律,得出结论,具有使用科学证据的意识和评估科学证据的能力”.[6]教师可通过创设问题情境,引导学生迁移应用科学知识,运用归纳与演绎推理方法解决实际问题.

图4 探究墙面光点的位置变化

如教师可创设如图4所示的情境,然后提出问题:用力按压平面镜之间的桌面时,经过平面镜反射后照到墙面上的光点位置将如何变化?

当用力F在平面镜之间的桌面按压时,由于力能改变物体的形状,会导致中间桌面变形下降,于是两块平面镜将向中间倾斜,光束的位置相对降低,可推导出照到墙面上的光点位置将下降.

图5 观察未发光的灯泡

又如黑暗的房间里有两盏灯,只有一盏灯点亮,人是怎样看到未点亮的灯泡的?引导学生推导如下:人眼能观察到物体,是因为光源发出光照射到物体上,物体将光反射到人眼,人眼因此可以看到物体,而人在黑暗的房间里看到未点亮的灯泡,是因为光线从发亮的灯泡发出,照射到未发光的灯泡,反射进人的眼睛,如图5所示.

美国国家科学研究理事会NRC认为,传统课堂教学中学生记忆的科学知识很容易被遗忘,而“参与科学推理”的过程会让学生的科学思维得到发展,同时促进对科学知识的理解.[2]通过学以致用,不仅有助于培养学生解决实际问题的能力,也有利于发展学生科学推理的理性思维.

4 交流提问,培养学生质疑创新思维

批判性思维是对自己或别人已有的思考和结论采取批判的态度,进行理由充分、逻辑严密的反思,提出质疑,看清情况和进行独立分析的过程.[7]在探究实验过程中,教师要鼓励学生敢于提出质疑,在实验交流评价阶段,教师也要积极引导学生提出不同观点.

如学生提出为什么光的反射规律中要表述“反射角等于入射角”,而不是“入射角等于反射角”?为什么不能通过一次实验得出结论?反射光线与入射光线强弱一样吗?为什么不比较“反射光与平面镜的夹角”与“入射光与平面镜的夹角”大小?为什么要将纸板垂直于平面镜放置?等等.

对于学生提出的问题,教师思想上要高度重视,要引导学生积极思考,通过查阅资料或改进实验来自主解决问题.

如为了解决学生“为什么要将纸板垂直于平面镜放置”这个问题,有一组学生设计了如下实验:如图6在烟箱中可轻易显示反射光路,并确定AOB3点位置,接着用一个平面去承接AOB3点,通过实验观察,可发现两个平面存在垂直关系,如图7所示.

图6 烟箱中光的反射

图7 平面承接AOB

任何一个探究实验都隐含了许多疑问,教师要积极引导学生从实验原理、操作、现象、结论等方面去提出质疑.并且要注重学生自主释疑,通过实验改进去解决疑问,从而培养学生的创造性思维品质.