“三創(chuàng)”助力創(chuàng)新實驗提高教學效率

舒長順 湯金波

摘 要： 在光學實驗中，創(chuàng)新觀察的角度可以使實驗現(xiàn)象更易觀察，且能避免其他因素干擾;創(chuàng)新呈現(xiàn)方式，可避免學生對實驗認識的片面性;創(chuàng)新實驗步驟，可借助傳統(tǒng)實驗器材，加深學生對人眼原理的認識;創(chuàng)新實驗器材，可幫助學生逐步建構(gòu)知識.

關(guān)鍵詞： 創(chuàng)新實驗;應(yīng)用;建構(gòu)

物理是一門以實驗為基礎(chǔ)的學科.在光學實驗中，有的現(xiàn)象是可見，卻不易觀察和判別;有的光學現(xiàn)象在日常生活中雖然是常見的，但卻是不顯現(xiàn)的;還有的實驗需要在觀察和思考的基礎(chǔ)上，引導學生提出進一步落實實驗方案，層層遞進，而不是簡單直接地呈現(xiàn)實驗現(xiàn)象，學生被動接受.本文從創(chuàng)新實驗觀察角度、實驗步驟設(shè)計和實驗器材優(yōu)化等幾方面提出自己的觀點，使實驗更好地服務(wù)教學.

1 創(chuàng)新觀察角度，更利于學生觀察現(xiàn)象

教材中設(shè)計的不少實驗，實驗現(xiàn)象是可以觀察的，但是由于觀察的角度不同，只能從單一角度觀察，且實驗現(xiàn)象不夠明顯.如蘇科版教材采用激光筆照亮燒杯底，如圖1所示.然后加水，讓學生觀察杯底光斑的移動.實驗過程中，由于學生必須從燒杯上部觀察，當向燒杯中加水時，光從水中斜射入空氣，在水面已發(fā)生折射，人所觀察到實際是光斑經(jīng)折射所成的像，加之倒水過程中水的波動影響觀察，所以該實驗現(xiàn)象學生難以觀察.為了便于學生觀察，對此實驗進行如下改進：

將一激光筆固定于S點，其發(fā)出的光照亮空燒杯壁上一點A.采用漏斗加水（防止水面波動影響光路和學生觀察），讓學生觀察到：當水面超過A點，隨著水面的上升，光斑在逐漸下移的過程，自然就會激發(fā)學生的好奇心和學習熱情.

為加深學生對此現(xiàn)象的理解，讓學生完成如下作圖：

（1）在圖2中畫出激光筆照亮空燒杯壁上一點A的光線.

（2）保持激光筆方向不變，向燒杯中加水，使水面超過A點，在圖3中畫出激光筆發(fā)出的光在空中部分的光線.

（3）觀察激光筆照亮燒杯壁上的點的位置，在原照亮的A點 （填“上方”“位置”或“下方”）.在圖3中試畫出激光筆發(fā)出的光在水中部分的光線.

學生根據(jù)光在空氣中傳播方向不變，且在同種均勻介質(zhì)中是沿直線傳播的，可以判斷出光的傳播方向一定是在水面處發(fā)生偏折.此時可以通過向水中滴入牛奶，并借助煙塵將空氣和水中的光路同時呈現(xiàn)，使光在水面處的折射清晰可見，就給學生留下深刻的印象.將教材中激光筆照射水槽底部，改為照射側(cè)壁，增加實驗的可見度，同時觀察杯壁上的亮點，不存在光從水中射入空氣中發(fā)生折射的干擾，使實驗現(xiàn)象更直接.

教材為了增強實驗現(xiàn)象的可見性，有些實驗采取局部呈現(xiàn)方式，使學生缺乏整體的認識，容易形成錯誤的概念.如透鏡對光的作用，多數(shù)教材采用柱狀透鏡，如圖4，呈現(xiàn)兩束平行光通過透鏡的情形，這樣以平面代替立體，明顯存在局限性.為了讓學生充分認識透鏡對光的作用，本人進行如下實驗設(shè)計：

1.1 感受透鏡對光的作用

讓學生觀察太陽光通過透鏡后，觀察靠近透鏡的白紙上的光斑的大小.學生可以觀察到靠近凸透鏡的白紙上的光斑明顯比凸透鏡鏡面小，而光斑的亮度比太陽光強了.當緊靠著凸透鏡的白紙與凸透鏡間的距離增大時，白紙上的光斑先逐漸減小，在白紙上會得到一個最小最亮的點，再繼續(xù)增大白紙上的光斑又開始變大.而太陽光通過凹透鏡后，觀察靠近凹透鏡的白紙上的光斑明顯比凹透鏡鏡面大，光斑的亮度也比太陽光弱了.再繼續(xù)增大白紙與凹透鏡的距離時，白紙上的光斑不斷變大.

在此基礎(chǔ)上，讓學生完成平行光通過透鏡的光路，嘗試領(lǐng)會透鏡對光的作用.

1.2 呈現(xiàn)透鏡立體光路

在學生活動和作圖猜想的基礎(chǔ)上，采用平行光源演示，讓學生直觀的觀察到凸透鏡和凹透鏡對光的作用.

將500mL的燒杯倒扣在桌面上，點燃蚊香（或其他能產(chǎn)生煙霧的物體）放入燒杯中一段時間，待燒杯中充滿足夠的煙霧，移去蚊香.將平行光垂直于杯底照射，如圖5所示.將凹透鏡放置在杯底，平行光變成發(fā)散光，桌面上的光斑明顯變大，光也明顯變暗，如圖6所示.將凹透鏡換成凸透鏡，平行光變成會聚光，過了會聚點后變得發(fā)散，如圖7所示.

1.3 分析透鏡對光的作用

學生有了透鏡對光的作用的初步認識后，再利用透鏡模型，呈現(xiàn)會聚光線與會聚作用、發(fā)散光線與發(fā)散作用之間的區(qū)別，使學生認識到：會聚作用的實質(zhì)是經(jīng)過凸透鏡的出射光線與入射光線相比，出射光線偏向凸透鏡主光軸;發(fā)散作用的實質(zhì)是經(jīng)過凹透鏡的出射光線與入射光線相比，出射光線偏離凸透鏡主光軸.

如圖8甲所示，兩條發(fā)散光線經(jīng)過凸透鏡后，出射光線是發(fā)散的，但與入射光相比，折射光偏向了主光軸，這說明凸透鏡對光具有會聚作用.如圖8乙所示，折射光線偏向主光軸就是由于凸透鏡對光線有會聚作用.

如圖8丙所示，兩條會聚光線經(jīng)過凹透鏡后，折射光線是會聚的，但與入射光相比，折射光偏離了主光軸，這說明凹透鏡對光具有發(fā)散作用.如圖8丁所示，折射光線偏離主光軸也是由于凹透鏡對光線有發(fā)散作用.

學生通過觀察太陽光通過透鏡后的光斑大小變化，加以分析后初步了解到透鏡對光線的作用.而觀察平行光通過透鏡后的立體光路，直觀顯示出：凸透鏡對光的會聚作用，凹透鏡對光的發(fā)散作用.再觀察通過透鏡模型的光路，幫助學生認識到：凸透鏡不僅對平行光有會聚作用，對任何光均具有會聚作用;凹透鏡不僅對平行光有發(fā)散作用，對任何光均具有發(fā)散聚作用.

2 創(chuàng)新實驗步驟，便于學生建立模型

《初中物理課程標準》中要求“了解凸透鏡成像的應(yīng)用”，以舉例的方式提出具體要求，其中有：“了解人眼成像的原理，了解近視眼和遠視眼的成因與矯正辦法”.人教版教材在八年級第五章“透鏡及其應(yīng)用”第四節(jié)“眼睛和眼鏡”中，通過圖示講解，說明人眼的原理和近視眼、遠視眼的矯正.蘇科版教材則在第四章“光的折射 透鏡”的第四節(jié)“照相機與眼球 視力的矯正”中，結(jié)合圖形首先將照相機與眼球進行對比，再通過一個活動：“模擬探究近視眼的缺陷”讓學生認識到近視眼的成像位置及其矯正方法.

筆者在教學中發(fā)現(xiàn)，單純的圖示講解，比較抽象，一般學生難以真正弄清遠近不同的物體通過眼睛成像的調(diào)節(jié)過程，而蘇科版教材的活動：“模擬探究近視眼的缺陷”未能全程顯示出人眼觀察遠近不同的物體及其近視眼的成因，對遠視眼的成因及其矯正也是在“模擬探究近視眼的缺陷”活動基礎(chǔ)上，推理分析得出的.為了能幫助學生理解人眼的原理和視力矯正，蘇科版配套光盤中有一段利用水透鏡演示實驗，效果很好.而教師要能夠在課堂上進行現(xiàn)場演示該實驗存在許多困難，一是水透鏡的制作，沒有現(xiàn)成的器材，材料的彈性過大，透鏡不規(guī)則;材料的彈性太小，則水透鏡的焦距難以調(diào)節(jié)，同時還有材料的透光性問題;二是水透鏡實際操作，因為自制水透鏡存在工藝問題，常會發(fā)生漏水，給實驗帶來麻煩.如何能克服上述問題呢？筆者對教學過程進行了優(yōu)化，對實驗步驟進行創(chuàng)新，讓學生經(jīng)歷遠近不同物體通過凸透鏡成像的過程，領(lǐng)會人眼的原理，共同提出視力矯正的方案.

2.1 照相機與眼球的對比

首先對照圖8，將照相機與眼球進行對比，人眼的晶狀體相當于凸透鏡，視網(wǎng)膜相當于膠片.照相機中膠片只有在像的位置上時才能得到清晰的像，同樣只有當物體通過晶狀體所成的像在視網(wǎng)膜上時，人才能看清物體.

為讓學生認識到人眼與照相機調(diào)節(jié)方式的不同，組織學生討論如何使遠近不同的物體在膠片上得到清晰的像，讓學生知道照相機是通過調(diào)節(jié)鏡頭（相當于凸透鏡）與膠片的距離（即像距），使膠片處于遠近不同物體通過鏡頭所成像的位置上.接著用焦距為10cm凸透鏡模擬人眼，用光屏模擬視網(wǎng)膜，將它們分別固定在光具座上10.5cm、0cm處（課前進行實驗收集的數(shù)據(jù)）.

先模擬人眼觀察遠處物體，將蠟燭放置在光具座的頂端，即90cm處，此時光屏上恰好得到一個清晰的像，如圖9所示.逐漸將燭焰向凸透鏡移動，會發(fā)現(xiàn)光屏上的像變得模糊，燭焰一直移到21cm處，此時光屏上出現(xiàn)的是一個光斑，如圖10所示.分析可知：此時燭焰通過凸透鏡所成的像在光屏后面，而人眼晶狀體與視網(wǎng)膜的距離是一定的，即此時光具座上的凸透鏡和光屏位置是不能移動的.為了使此時燭焰通過凸透鏡所成的像成在光屏上，應(yīng)該增強凸透鏡的會聚能力，即使凸透鏡的焦距變短.取兩個平凸程度不同的凸透鏡，讓學生來選擇，強化凸透鏡的凸出程度越大，焦距越短.接著將焦距為10cm的凸透鏡換成將焦距為5cm的凸透鏡，此時在光屏上得到一個清晰的像，如圖11所示.

通過以上操作，讓學生認識到人眼是通過調(diào)節(jié)晶狀體的焦距使遠近不同物體的像成在視網(wǎng)膜上，而照相機是通過調(diào)節(jié)鏡頭到膠片的距離使遠近不同物體的像成在膠片上.

2.2 近視眼的成因與矯正

在此基礎(chǔ)上，通過閱讀材料，使學生了解到晶狀體平凸程度是通過眼球周圍的肌肉實現(xiàn)，如長期不注意用眼衛(wèi)生，當人眼觀察遠處物體時，造成晶狀體的凸出程度偏大.

利用焦距為5cm的凸透鏡，即剛才的實驗裝置，如圖11所示，此時光屏上得到一個清晰的像，即人眼能看清近處的物體.當增大蠟燭與凸透鏡的距離后，會觀察到光屏上的像變模糊，如圖12所示.根據(jù)凸透鏡成像規(guī)律可知：此時燭焰通過凸透鏡所成的像在光屏的前方，可以用另一光屏找到此時所成像的位置.

正常的人眼此時通過調(diào)節(jié)晶狀體的凸出程度，使晶狀體的凸出程度變小，使遠處物體的像成在視網(wǎng)膜上.而近視眼晶狀體不能放松到相應(yīng)程度，晶狀體的凸出程度偏大，晶狀體的會聚能力偏強，使得遠處物體的像成在視網(wǎng)膜的前面，造成近視眼看不清遠處物體.

為了使此時燭焰（遠處物體）所成的像成在光屏上，要使燭焰所成像相對于凸透鏡向后移，此時在凸透鏡前所加透鏡對光有發(fā)散作用，即給近視眼帶上凹透鏡.接著利用事先準備好的近視眼鏡，加在焦距為5cm的凸透鏡前，恰好在光屏上得到一個清晰的像（此時的物距事先根據(jù)所用的近視眼鏡確定好，即上課前找到焦距為5cm的凸透鏡前加上所用近視眼鏡在光屏上得到清晰的像時的物距），如圖13所示.

利用傳統(tǒng)實驗器材，創(chuàng)新實驗步驟同樣可以幫助學生建立人眼模型，認識人眼的原理，也進一步理解到凸透鏡成像的規(guī)律.

3 創(chuàng)新實驗器材，更利于學生建構(gòu)知識

現(xiàn)行的物理教材中設(shè)計了許多實驗，每個實驗圍繞各自的實驗?zāi)康?，選擇必須的實驗器材，設(shè)計合理的實驗步驟.但有些實驗設(shè)計忽略了學生認知，直接給出了實驗操作，學生僅知道怎么做，卻不知道為什么這么做.因此在實際教學中，要根據(jù)具體實驗?zāi)康?，?chuàng)新實驗器材，科學呈現(xiàn)實驗現(xiàn)象，遵循學生認知規(guī)律，幫助學生在實驗觀察中建構(gòu)知識.

光的反射是日常生活中常見的光現(xiàn)象，也是初中物理關(guān)于光現(xiàn)象的重要內(nèi)容，《義務(wù)教育初中物理課程標準（2011版）》中要求是：探究并了解光的反射規(guī)律.既然要探究光的反射規(guī)律，學生就應(yīng)經(jīng)歷實驗設(shè)計過程，從實驗?zāi)康某霭l(fā)選取適當?shù)膶嶒炂鞑?，確定合理的實驗步驟.在多個版本的教材中，均設(shè)計了探究光的反射定律的實驗.

3.1 教材中的實驗設(shè)計

為探究光的反射規(guī)律，不同版本的教材采用了相同的實驗裝置.如圖14所示：一塊平面鏡M、一個可繞ON偏轉(zhuǎn)的兩個白紙板和一激光源.在實驗步驟中也都是要求先將紙板垂直于鏡面放置，將一束光從一側(cè)紙板E入射到鏡面上O點，然后偏轉(zhuǎn)另一側(cè)紙板，找到反射光線，如圖15所示.觀察兩紙板的位置關(guān)系，并直接給出法線ON是經(jīng)過入射點垂直于反射面的，進而得出反射光線與入射光線和法線在同一平面內(nèi)的實驗結(jié)論.

3.2 教學中的兩點困惑

在實際教學中直接按照教材設(shè)計，讓學生運用教材中實驗裝置，按照教材提供的實驗步驟，通過實驗得出：反射光線與入射光線和法線在同一平面內(nèi)的實驗結(jié)論是不困難的.但學生沒有經(jīng)歷實驗設(shè)計的過程，而直接按照教材提供的實驗步驟進行實驗，總覺得有點囫圇吞棗.因為探究前，反射光線與入射光線位置關(guān)系是未知，雖然光的反射現(xiàn)象是常見的，但反射光與入射光的位置關(guān)系卻是難以觀察到的.所以在教學過程中存在兩點困惑：一是實驗中為什么將紙板垂直于平面鏡放置;二是在探究光的反射規(guī)律時為什么要引入法線.

3.3 優(yōu)化后的探究過程

3.3.1 明晰實驗?zāi)康?/p>

探究光的反射規(guī)律這個實驗名稱就包含了實驗?zāi)康?，只是這種表述不夠直白，人教版教材對實驗?zāi)康慕o出了進一步說明：“光反射時遵循什么規(guī)律？也就是說，反射光沿什么方向射出？”.更通俗地講這個實驗?zāi)康木褪钦页龇瓷涔獾奈恢?

3.3.2 演示光路變化

為了找到反射光的位置，首先應(yīng)讓學生認識到影響反射光方向的因素有哪些？將一束光照射到放在桌面上的平面鏡，在室內(nèi)相應(yīng)位置會出現(xiàn)一個光斑，改變?nèi)肷潼c位置或入射光的方向，光斑的位置會隨之改變，使學生認識到反射光的位置與入射點和入射方向有關(guān).將激光筆固定，保持入射光不變，偏轉(zhuǎn)平面鏡同樣發(fā)現(xiàn)光斑的位置也隨之改變，即反射光的位置與平面鏡有關(guān).當入射光和平面鏡位置一定時，反射光的位置則是唯一的.

3.3.3 觀察位置關(guān)系

為了確定反射光的位置，先讓學生觀察入射光、鏡面的位置與反射光關(guān)系.將透明圓形快餐盒倒扣在水平木板上，在餐盒蓋上放置一平面鏡，點燃蚊香（或其他能產(chǎn)生煙霧的物體）放入餐盒中一段時間，待餐盒中充滿足夠的煙霧，移去蚊香，蓋好餐盒，用固定在鐵架臺上的激光筆射出一束光到平面鏡上，觀察到餐盒內(nèi)的入射光與反射光，如圖16所示.通過改變觀察的角度，可以發(fā)現(xiàn)：反射光和入射光在同一平面上，此時它們所在平面垂直于平面鏡，如圖17所示.由此得出反射光與入射光所在平面垂直于反射面.

3.3.4 領(lǐng)會法線作用

在前面實驗的基礎(chǔ)上，學生認識到了：一束光射到反射面上，反射光的位置是唯一的.反射光的位置滿足兩個條件：一是與入射光在同一平面;二是反射光所在平面與反射面垂直，即反射光是從入射點出發(fā)，在垂直于反射面的平面內(nèi)傳播.為了便于表示出過入射點垂直于反射面的平面，可以過入射點作一條垂直于反射面的輔助線——法線，法線一定是垂直于反射面的.

3.3.5 完成實驗探究

在明白反射光線所在平面與反射面的位置關(guān)系后，帶領(lǐng)學生來設(shè)計實驗.因為反射光所在平面是垂直于反射面的，為了在紙板上能找到反射光，實驗時必須讓紙板垂直于平面鏡.為了便于確定反射光所在的平面，在紙板上畫出一條過入射點垂直于反射面的輔助線——法線ON.當入射光在紙板E一側(cè)射到O點，此時入射光線和法線同在紙板E所在的平面內(nèi);偏轉(zhuǎn)另一側(cè)紙板F，觀察到只有當紙板F與紙板E在同一平面時，紙板F上才出現(xiàn)反射光，即反射光線所在的平面與入射光線、法線所確定的平面是在同一平面內(nèi).總結(jié)得出實驗結(jié)論：反射光線與入射光線、法線在同一平面內(nèi).

綜上所述，光學教學需要實驗創(chuàng)新，其他內(nèi)容同樣也需要實驗創(chuàng)新.因此在實驗教學中，教師要從學生觀察的角度思考如何轉(zhuǎn)變觀察的角度，讓實驗現(xiàn)象更明顯、更有利于觀察，這需要教師的設(shè)計;要從實驗現(xiàn)象呈現(xiàn)的教的思考如何將不顯現(xiàn)的現(xiàn)象顯示出來，讓學生能直接觀察到，這需要教師的不斷思考與實踐;要從物理模型建立的角度思考如何將不能呈現(xiàn)的現(xiàn)象，轉(zhuǎn)變?yōu)閷W生可以觀察的現(xiàn)象和模型，這需要教師的創(chuàng)新;要從知識本質(zhì)的出發(fā)思考如何通過實驗引領(lǐng)學生思維，幫助學生在觀察現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，建構(gòu)知識，這需要教師的智慧.

參考文獻：

[1]湯金波.學生自主創(chuàng)新實驗的引導藝術(shù)[J].教學研究與評論（課堂觀察），2018（2）：24-27.

[2]湯金波，黃網(wǎng)官.學生自主創(chuàng)新實驗是未來物理教學的最優(yōu)途徑[J].實驗教學與儀器，2018（6）：1-4.