用現(xiàn)代化和信息化重構(gòu)探究凸透鏡成像規(guī)律的實(shí)驗(yàn)

范溈

摘 要： 本文通過對凸透鏡成像規(guī)律實(shí)驗(yàn)教學(xué)的反思，對實(shí)驗(yàn)器材和實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案提出改進(jìn)方法，主要從器材中光源和光屏的改進(jìn)，以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的圖像化處理兩個(gè)方面進(jìn)行闡述，使實(shí)驗(yàn)操作更簡便、實(shí)驗(yàn)效果更明顯、實(shí)驗(yàn)過程更完善，使學(xué)生真正從實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)規(guī)律，從規(guī)律中總結(jié)知識(shí)。

關(guān)鍵詞： 初中物理 凸透鏡成像規(guī)律 數(shù)據(jù)圖像化

凸透鏡成像規(guī)律是八年級(jí)物理光學(xué)部分的一個(gè)教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)，根據(jù)新課程的要求，本課主要讓學(xué)生通過科學(xué)探究活動(dòng)，找出凸透鏡成像規(guī)律。在實(shí)際教學(xué)中雖然學(xué)生能夠采用實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行探究，但由于實(shí)驗(yàn)器材的限制及實(shí)驗(yàn)方案的缺陷，學(xué)生很難通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)出成像規(guī)律，最后仍然是教師將成像規(guī)律灌輸給學(xué)生。這樣的實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅沒有體現(xiàn)出學(xué)生自主探究的主體性，而且不利于學(xué)生思維能力和創(chuàng)造能力的培養(yǎng)。通過對本課實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程的反思，發(fā)現(xiàn)本實(shí)驗(yàn)的器材和實(shí)驗(yàn)方案都有改進(jìn)余地，且改進(jìn)后，既有利于學(xué)生順利完成實(shí)驗(yàn)，又能讓學(xué)生總結(jié)出成像規(guī)律，取得良好的教學(xué)效果。

一、實(shí)驗(yàn)器材的現(xiàn)代化

相對于現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室中應(yīng)用越來越多的傳感器、數(shù)字設(shè)備等先進(jìn)儀器來說，凸透鏡成像實(shí)驗(yàn)的一些器材的確過于陳舊，有點(diǎn)跟不上時(shí)代。

首當(dāng)其沖的是光源，用蠟燭火焰作為光源存在很多弊端。首先蠟燭火焰的亮度不夠高，實(shí)驗(yàn)需要在比較暗的環(huán)境下進(jìn)行，否則實(shí)驗(yàn)效果將大打折扣，而太暗的環(huán)境會(huì)導(dǎo)致學(xué)生記錄數(shù)據(jù)時(shí)光線不足，不能看清黑板上的板書。實(shí)際教學(xué)中，教師既要在板書時(shí)開燈，又要在學(xué)生做實(shí)驗(yàn)時(shí)關(guān)燈，不僅比較麻煩，而且忽明忽暗會(huì)讓學(xué)生眼睛感覺不適。其次蠟燭火焰的位置很不穩(wěn)定，容易隨風(fēng)擺動(dòng)，質(zhì)量差點(diǎn)的蠟燭的火焰甚至有時(shí)會(huì)跳動(dòng)，給確定像的位置帶來很大誤差。而且實(shí)驗(yàn)一段時(shí)間后，蠟燭長度會(huì)明顯變短，違背實(shí)驗(yàn)中對燭焰、凸透鏡、光屏中心在同一高度的要求。最后蠟燭就是一個(gè)巨大的安全隱患，蠟燭點(diǎn)燃需要用到火柴或打火機(jī)，而現(xiàn)在初中生可能有一大半人從來沒用過火柴有的學(xué)生劃燃火柴后，不知所措就直接扔在課桌或地板上，后果可想而知。打火機(jī)雖然相對火柴容易使用些，但存在安全隱患，使用不當(dāng)甚至?xí)鸨ā＿€有進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作時(shí)，由于蠟燭固定不牢，可能會(huì)從光具座上倒下來，容易對學(xué)生造成傷害。對于班級(jí)比較多的學(xué)校，幾堂課下來，教室里的氣味就很難聞，蠟燭油滴在桌子上很難清理，加上蠟燭油受熱揮發(fā)，最后附著在地板上，喜歡把凳腿翹起來的學(xué)生很容易滑到。

針對蠟燭火焰作為光源的這些弊端，改用LED手電筒作為光源能徹底解決上述問題。首先它的亮度很強(qiáng)，即使教室里開著燈，在光屏上仍然能夠找到比較清晰的像。其次LED手電筒用一根鐵絲環(huán)繞做成支架后能像凸透鏡或光屏一樣，很容易地固定在光具座上，而且可以上下調(diào)整，光源位置固定。LED手電筒使用起來十分方便，按下開關(guān)就行，節(jié)省很多實(shí)驗(yàn)操作時(shí)間。用完沒電時(shí)，只需更換電池，實(shí)驗(yàn)時(shí)不會(huì)產(chǎn)生額外的垃圾或難聞的氣味。制作LED手電筒光源很簡單，只需在LED手電筒前貼一張鏤空成“F”形的黑色不干膠，這樣便于比較像的正倒，整個(gè)LED手電筒光源組裝完成后，如圖所示。

除了光源外，還需要改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)器材就是光屏。光屏是用來呈接凸透鏡所成實(shí)像的器材，雖然傳統(tǒng)白屏能夠很好地完成它的使命，但不能很好地比較出成像的大小，特別在做凸透鏡成等大的實(shí)像的實(shí)驗(yàn)時(shí)，靠人肉眼感覺會(huì)造成很大誤差。針對它的缺陷，改進(jìn)方法很簡單，在白屏上覆蓋一張橫線格紙，如圖所示。這樣既不影響成像，又方便比較成像的大小。當(dāng)然處理光源，鏤刻黑色不干膠上的“F”時(shí)，最好事先量好尺寸，大小刻成橫線格紙上橫格高度的整數(shù)倍，并事先告知學(xué)生，這樣更容易進(jìn)行比較。

二、實(shí)驗(yàn)方案的信息化

如果說實(shí)驗(yàn)儀器是構(gòu)筑一個(gè)探究實(shí)驗(yàn)的基石，那實(shí)驗(yàn)方案就是探究實(shí)驗(yàn)的靈魂。沒有好的實(shí)驗(yàn)方案，再好的實(shí)驗(yàn)儀器也發(fā)揮不出作用。

作為重點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)探究過程，教材上通過調(diào)整物距，分別使?fàn)T焰在光屏上成倒立縮小、倒立放大及倒立等大的像，測量并記錄物距和像距，然后分析表中的信息，歸納總結(jié)出凸透鏡成像規(guī)律。

但事實(shí)上，僅憑幾組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，學(xué)生是不可能歸納出凸透鏡成像規(guī)律的。即使能把整個(gè)班級(jí)同學(xué)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總起來，光從表格中單一的數(shù)字，學(xué)生也很難找到數(shù)據(jù)間的聯(lián)系，總結(jié)出成像規(guī)律。如果將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為圖像，反映到坐標(biāo)軸上，學(xué)生就能通過圖像直觀地發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，為學(xué)生思維架設(shè)一座橋梁，通過思考學(xué)生能總結(jié)出成像規(guī)律。而要實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)到圖像的快速轉(zhuǎn)換，我們只需要使用OFFICE辦公軟件中的EXCEL電子表格的圖表功能。

上課之前，事先制作好需要的空白電子表格，打開EXCEL軟件，制作兩張表格，分別用來記錄凸透鏡成倒立、縮小的像和成倒立、放大的像時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。以倒立、縮小的像為例，建立表格如下。

然后選擇菜單中的“插入”，點(diǎn)擊子菜單中的“圖表”，在彈出的圖表類型對話框中選擇“XY散點(diǎn)圖”，然后點(diǎn)擊下一步，在數(shù)據(jù)區(qū)域中選擇物距這一列數(shù)據(jù)，再點(diǎn)擊下一步，對標(biāo)題、坐標(biāo)軸、網(wǎng)格線、圖例、數(shù)據(jù)標(biāo)志等選項(xiàng)進(jìn)行簡單設(shè)置后，點(diǎn)擊完成，做出物距的分布圖。再按照上述步驟，將數(shù)據(jù)區(qū)域改成像距一列，做出像距的分布圖，效果如下圖所示。

在設(shè)計(jì)表格時(shí)，預(yù)留20組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，目的在于使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更具廣泛性。在實(shí)際教學(xué)中先將空白表格和分布圖像投影到屏幕上，然后選擇性地讓各實(shí)驗(yàn)小組上臺(tái)將測得的不同數(shù)據(jù)填入表格中，注意使數(shù)據(jù)大致分布均勻。在學(xué)生上臺(tái)將數(shù)據(jù)填入EXCEL表格時(shí)，圖表會(huì)自動(dòng)顯示各數(shù)據(jù)的分布情況，最終數(shù)據(jù)分布圖如圖所示。觀察圖像不難發(fā)現(xiàn)，在凸透鏡成倒立縮小的像時(shí)，物距都大于20cm，像距則都在10cm和20cm之間。然后改變凸透鏡的焦距再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)使用的凸透鏡的示意圖（如圖所示），相信絕大多數(shù)學(xué)生都可以找到凸透鏡成倒立縮小的像時(shí)，物距與焦距及像距與焦距的關(guān)系。在本實(shí)驗(yàn)

中，數(shù)據(jù)的圖像化不僅可以用來顯示物距、像距的分布情況，而且可以用來尋找物距、像距變化的規(guī)律。在EXCEL表格中，把實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)按物距從小到大排序后，圖像瞬間就會(huì)變?yōu)槲锞嗪拖窬嗟淖兓?guī)律圖，如下所示。從圖像中一眼就可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)物距逐漸增大時(shí)，像距逐漸減小的規(guī)律。實(shí)驗(yàn)中其他成像規(guī)律也可以用類似方法得出，不再贅述。對比表格中枯燥單一的數(shù)據(jù)，圖像能更靈活直觀地顯示數(shù)據(jù)間存在的內(nèi)在聯(lián)系，學(xué)生通過觀察圖像分析數(shù)據(jù)，找出凸透鏡成像規(guī)律。本來凸透鏡成像實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的圖像化處理后，被輕松化解，教師真正從學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)的傳授者轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)的引導(dǎo)者，體現(xiàn)新課程改革中讓學(xué)生體驗(yàn)知識(shí)的形成，在探究過程中主動(dòng)獲取知識(shí)的精神。

隨著實(shí)驗(yàn)室數(shù)字化、信息化的發(fā)展，在初中物理實(shí)驗(yàn)中，一些傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中存在的弊端和不足逐漸凸顯出來，我們要通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)反思發(fā)現(xiàn)這些實(shí)驗(yàn)存在的問題，并通過提高自身現(xiàn)代化教學(xué)水平和不斷創(chuàng)新精神，努力解決實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的問題，使實(shí)驗(yàn)操作更簡便、實(shí)驗(yàn)效果更明顯、實(shí)驗(yàn)過程更完善，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)更有效地培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力和創(chuàng)新能力。