基于真实情境的科学探究对学生深度学习促进的研究——以“凸透镜成像规律”的教学改革实践为例

郭 庆，文兵前，舒 冬

1.电子科技大学实验中学，成都 611731

2.成都高新区教育发展中心，成都 610041

凸透镜成像规律及其应用在初中物理教学和各类考查中，一直是一个难点问题。学生囿于难以从真实的科学探究中观察到相应的像及其变化特点，故教学中往往存在重结论应用、轻探究过程的问题，更甚是只关注结论而忽略科学探究的实际问题。当然，这与培养学生的深度学习和提升学生的核心素养是相悖的。

本文从对一道习题的质疑与思考出发，引发了要以单元教学设计为知识统整导向，利用真实情境科学探究再建构的思考。完成了以“凸透镜成像规律”为科学探究和科学知识核心内容的教学实践尝试，以期达到促进学生深度学习，提高学生的科学思维进阶发展和科学探究能力的目标，从而完成对学生核心素养的培养目标。

1 科学探究对学生深度学习的促进作用

时代发展背景下对人才素养的要求提出了要从“关注外在知识层面逐渐走向关注内在的、纵深的学习过程层面，超越浅表化、形式化的浅层学习”［1］，也就是说提出了要达到“深度学习”的要求。

北师大的郭华教授对深度学习做了如下定义：“所谓深度学习，就是指在教师引领下，学生围绕着具有挑战性的学习主题，全身心积极参与、体验成功、获得发展的有意义的学习过程。”他提出深度学习要强调学生的主体地位，要将有整合性、挑战性的学习单元作为深度学习的教学内容，要在真实情境中让深度学习真正发生，这样才能培养未来社会实践的主人［2］。

从深度学习的内涵来看，既体现了《义务教育物理课程标准（2022 年版）》（以下简称《新课标》）提出的“联系生产生活实际创设学习情境”要求，也包含着《新课标》一级主题“实验探究”中提到的“学生要通过科学探究建构物理概念，深化对物理规律的认识，领悟其内涵及相互联系”的要求［3］。

由此可见，科学探究与深度学习在研究内涵、理念、内容上有较大程度的重叠部分。因此，建构以科学探究为核心内容的单元教学设计，创设真实的科学探究情境，精心架构探究活动及设计驱动问题体系，学生能够在真实的学习情境中发现有挑战性的问题并展开深度学习，可以让学生更好地建构知识网络，自主全面地掌握知识间的联系，最终完成对知识的迁移与应用。

这是以科学探究促进学生深度学习的一种途径，也是以深度学习培养学生相应核心素养的重要方式［4］。

2 从一道考题引发指向深度学习的教学思考

【题目来源：成都某区期末考试题】

【题目节选】 如图1 乙是做凸透镜成像实验时的情境，此时光屏上呈现清晰的像。若拿掉光屏，直接用眼睛观察，则在哪个区域可以看到蜡烛的清晰的实像（ ）

图1 考查题目图像

A.光屏处

B.光屏上方

C.光屏和透镜之间

D.光屏右方

【参考答案】 D

【学生答题情况调研结果】 根据凸透镜成实像时像与物体在蜡烛两侧的结论，结合光屏位置判断，此时在光屏右方可能观察到像，故D 选项符合题意。

【教学分析】 此题的考查导向是让学生重视在凸透镜成像规律探究实验中的操作步骤（即不通过光屏，直接观察蜡烛经凸透镜所成的像）。而寻找成像位置及特点在教学中往往都是让学生利用光屏寻找确定，忽视了用眼睛直接观察这一步骤，所以学生对该考点其实是存在学习盲点的。

这就引发了笔者思考，去掉光屏后，直接用眼睛观察，究竟哪些区域能看到凸透镜成的像？实像和虚像是否有不同的特点以及可视区域之分？ 并且类似上述问题，在很多考题中也反复出现，例如下文所列的考点类比节选的两个问题：

【考点类比节选】 在“探究凸透镜成像规律”的实验中：

【题目节选】

1.实验中，不但虚像可以用肉眼直接看到，实像也可以用肉眼直接看到，若拿掉光屏，用肉眼在_____（选填“A”“B”或“C”）位置沿图示方向能看到这个实像（图2）。

图2 考点类比1 题目图像

【参考答案】 C

2.如图3 乙所示，烛焰能在光屏上形成清晰的像。如果此时撤去光屏，人眼在如图3 乙所示的位置_____（选填“能”或“不能”）直接看到烛焰的实像。

图3 考点类比2 题目图像

【参考答案】 能

将以上三个题目中的问题进行再提炼和对比，可以发现，考点类比1 和2 的问题指向的是眼睛在给定区域内能否观察到光源经凸透镜所成的像，这个区域的划分符合许多学生心中既定的光屏位置。

但针对我们研究的题目而言，其提问的观察区域更广，因此采用相同的结论和经验作答会存在较大的错误可能。但学生多将这两个问题混淆为同一类问题，因此关注科学探究过程中的环节设计，让学生以真实实验情境的体验为基础，识别并理解两类问题的异同之处，是突破该教学难点的关键所在。

3 基于真实情境的深度学习教学研究与实践

通过对考查题目的解析，以及审视“凸透镜成像规律”科学探究的教学环节发现：我们常常都用光屏承接的方式让学生寻找像的位置和特点，而忽视了让学生通过眼睛直接观察像的教学过程。通过从单元教学内容的研判可知，该内容与神奇的眼睛、通过透镜看世界两节内容也有联系。

因此，在整合三个课时的单元教学内容基础之上，确定了“以观察促思考、以思考促实践、以实践达深度”的科学探究教学模式新尝试，下面对该教学实践作详细介绍。

3.1 合单元设计，设递进台阶

根据前述分析，笔者选定了教科版初中物理八年级上册“4.5 科学探究：凸透镜成像规律”“4.6 神奇的眼睛”“4.7 通过透镜看世界”三节教学内容进行单元教学整合，将观察实验现象、照相机拍摄实验图像、实验模拟成像、作图法模拟成像原理、深度学习眼睛与照相机成像原理等问题拆分到不同课时中，以期通过层阶递进的方式，通过不同课时中科学探究的具体内容，促进学生的深度学习。其具体教学内容和设计流程如图4 所示。

图4 基于真实情境的科学探究单元设计教学内容及流程图

3.2 做真实探究，研真实问题

通过上述三课时的单元教学设计，将本文的研究问题进行了拆解，即在每一个课时中，都逐级设计了科学探究的内容，让学生能够在进阶式的学习中，逐步突破该教学难点。下面以F 光源在透镜二倍焦距外这一具体实例进行教学研究成果展示。

3.2.1 引入悟境：眼睛直接观察成像特点

如图5 是关于观察区域的范围和命名，图6是实验装置拍摄图（其中凸透镜焦距为10 cm），表1 是通过眼睛在不同区域内观察到的成像特点记录。

表1 眼睛在不同区域直接观察成像特点

图5 眼睛观察区域命名图

图6 实验装置拍摄图

3.2.2 引领悟识：照相机模拟眼睛成像照片拍摄

根据教材内容可知，照相机和眼睛的成像原理都是凸透镜成像规律的应用内容。因此，可以利用第2 个凸透镜来检验成像以及采用照相机拍摄的两种方法进行对比研究，将眼睛直接观察到的像记录下来。采用以上两种方法分别对第Ⅰ、第Ⅱ区域进行了拍摄研究。其中，第Ⅰ区域内拍摄到倒立的实像，根据拍摄位置不同，呈现放大、缩小和等大三种像，第Ⅱ区域内拍摄到正立、缩小的实像。

3.3 促深度学习，返深度备课

3.3.1 引导悟技：光路作图法分析成像特点异同

在对上述两个区域内成像情况进行对比发现，同一位置照相机模拟拍摄的图像与透镜模拟所成像的正倒情况是相反的，这一问题的成因如何呢？ 究竟哪种方法才是真正模拟眼睛观察到的情况呢？

学生发现利用光路作图的方法可以研究凸透镜成像的特点，因此采用了光路作图的方法对第Ⅰ区域内F 光源经两次凸透镜折射后的光路进行了研究分析（图7）。可以看到在第Ⅰ区域内观察时，当两凸透镜分别相距50 cm，30 cm 时，F光源经凸透镜两次折射，最后在光屏上形成了正立的像（正立是相对于物体而言）。这个理论分析结果与凸透镜模拟的实验结果是一致的，但和照相机模拟眼睛时的拍摄结果相反，难道照相机的成像原理和凸透镜成像规律的应用其实不一致吗？这是探究凸显的第一个新问题。同理，在第Ⅱ区域内拍摄和理论分析也发现了相同的问题（图8），这里不再赘述。

图7 （第Ⅰ区域）F 光源二次成像光路分析图

图8 （第Ⅱ区域）F 光源二次成像光路分析对比图

而当我们采用同样的方法在第Ⅲ、第Ⅳ两个区域观察时，拍摄和观察到了两个不同的像，这和第Ⅰ、第Ⅱ区域观察结果也不一致，这是探究凸显的第二个新问题。

3.3.2 引申悟道：多元研究的思想统整

结合眼睛直接观察、照相机拍摄、凸透镜模拟和光路作图的多种科学探究方法，其具体统计结果如表2 所示，从列表结果可以发现，成像特点在各区域结果有大部分的统一。

表2 多元研究方法结果统计表

但在第Ⅰ、第Ⅱ区域内成像时倒立和正立上出现了相反情况，要解决这个问题，学生就必须要深度学习以眼睛为代表的视觉成像系统成像原理和照相机成像原理的知识。其深度学习的内容要包含以下几点：

（1）眼睛是一个十分复杂、精密的复合型光学成像系统，人眼通过视觉系统获取外界信息时，不同于教材简述的光经过晶状体后直接成像于视网膜的成像原理，而是先要将光信号经过视觉通路转化和传递到大脑视觉皮层，再由神经系统调制后才能传递到视网膜，然后形成对图像的认知信息。

（2）“调制过程”包含的是人体内感知体位的器官将收到的图像与认知经验判断的位置进行比对，并给出图像正立信号的过程［6］。即物体经眼睛成像后的确形成了倒立的像，但是大脑视觉中枢最终对图像信息进行处理和反馈时，是以人通过自身经验积累的方向信息为基础，自主地进行了成像正立的认知调制，从而将倒立成像在视网膜上的图像传递为正立的信号进行反馈。

（3）手机摄像头成像时，物体的反光或发出的光经过镜头后产生光学图像，然后将光学图像投射到图像传感器上，经过CMOS 感光元件再转换成电信号，再经过内部图像信号处理器（Image Signal Processor,ISP）转换成数字图像信号输出［5］，这个转换过程和前文提到的与调制类似的过程类似。

（4）而第Ⅲ、第Ⅳ区域，所看到的虚像成因则是：正立的虚像是凸透镜前表面发生光的反射形成的，类似于凸面镜成像；倒立的虚像也是凸透镜后表面发生光的反射形成的，类似于凹面镜成像。

4 结论

综上可知，人眼能在各个区域内直接观察到光源经凸透镜后成的像。人眼在第Ⅰ区域观察到的就是原来光屏上相同位置的像，即与考点类比题1 和2 的提问方式一致。而针对“直接用眼睛观察到的像”，答案则是四个区域均可看到，只是其成像的虚实、方向和大小有不同的特点。“直接用眼睛观察到的实像”则是在第Ⅰ、第Ⅱ区域内都能够观察到。

有研究表明，学习情境越真实，学生建构的知识就越可靠、越深刻，就越能够指向学生的深度学习［4］。而科学探究则是能引导学生在创设的真实情境下，像科学家一样开展深度研究与深度学习的一种重要形式。由此可见，利用真实情境为学生提供一个完整、真实的问题背景，以细化科学探究步骤、深化科学探究内容的教学改革尝试，能够促进学生深度学习、教师深度备课，以此能够更好地回归课堂本位，发挥好真问题探究促教学改革的作用。