深度備課:初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的策略
——以“探究凸透鏡成像的規(guī)律”教學(xué)設(shè)計(jì)為例

陳培鳳 季衛(wèi)新

(1. 南京市雨花臺(tái)中學(xué)，江蘇 南京 210012；2. 南京市雨花臺(tái)區(qū)教師發(fā)展中心，江蘇 南京 210012)

物理課程是一門注重實(shí)驗(yàn)的自然科學(xué)基礎(chǔ)課程．初中物理應(yīng)注意讓學(xué)生通過觀察、操作、體驗(yàn)等方式經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)探究過程,學(xué)習(xí)科學(xué)知識(shí)和科學(xué)探究方法．實(shí)驗(yàn)是科學(xué)探究的重要方式之一,是提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要途徑．教師應(yīng)該根據(jù)教學(xué)內(nèi)容、學(xué)生情況及實(shí)驗(yàn)條件等預(yù)設(shè)探究過程,弄清實(shí)驗(yàn)的重、難點(diǎn)；精心思考優(yōu)化實(shí)驗(yàn)器材,科學(xué)組織探究過程；重視實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察和數(shù)據(jù)的處理；組織學(xué)生進(jìn)行交流與評(píng)價(jià)，培養(yǎng)學(xué)生的探究能力,提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)．

“探究凸透鏡成像的規(guī)律”是蘇科版物理8年級(jí)的光學(xué)教學(xué)中綜合能力要求較高的內(nèi)容．課標(biāo)要求是:探究凸透鏡成像的規(guī)律,了解凸透鏡成像的應(yīng)用；要求學(xué)生經(jīng)歷完整的探究過程,觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),通過交流與合作評(píng)價(jià)探究結(jié)果；歸納凸透鏡成像的一般規(guī)律．根據(jù)平時(shí)教學(xué)情況,學(xué)生在探究中存在以下難點(diǎn):(1) 為什么要調(diào)節(jié)3心等高?怎么調(diào)3心等高?(2) 什么才是最清晰的像?像的放大、縮小如何判斷?(3) 如何歸納凸透鏡成像的一般規(guī)律?(4) 虛像的觀察和理解.(5) 觀察并歸納凸透鏡成像的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律．以下基于這些難點(diǎn)問題對(duì)本節(jié)課的教學(xué)作了一些研究．

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)設(shè)定

根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)內(nèi)容的要求,結(jié)合學(xué)生學(xué)情,對(duì)本節(jié)課的實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)設(shè)定如下: (1) 初步學(xué)會(huì)用光具座、光源、凸透鏡和光屏等器材進(jìn)行實(shí)驗(yàn);(2) 經(jīng)歷探究凸透鏡成像規(guī)律全過程,觀察成像性質(zhì)和收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù);(3) 能從觀察到的現(xiàn)象和收集到的數(shù)據(jù)中歸納凸透鏡成像規(guī)律并能用語言描述;(4) 通過探究、合作學(xué)習(xí),體驗(yàn)感悟方法,培養(yǎng)學(xué)生交流合作、評(píng)價(jià)探究結(jié)果的能力．在教學(xué)目標(biāo)實(shí)施過程中,側(cè)重發(fā)展學(xué)生“進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與收集證據(jù)”和“分析與論證”的科學(xué)探究能力,最后據(jù)此總結(jié)出凸透鏡成像的一般規(guī)律．

實(shí)驗(yàn)教學(xué)中具體操作目標(biāo)細(xì)化為:(1) 會(huì)調(diào)節(jié)3心等高、理解調(diào)節(jié)3心等高的目的;(2) 會(huì)找到清晰的實(shí)像,會(huì)比較像與物的大小關(guān)系;(3) 會(huì)正確讀取物距與像距;(4) 能比較準(zhǔn)確地找到等大的像,并掌握快速調(diào)節(jié)的方法;(5) 能根據(jù)光路可逆理解1倍焦距不成像并能找到證據(jù);(6) 會(huì)判斷像的虛實(shí)并掌握觀察虛像的方法．

2 實(shí)驗(yàn)資源選擇及方案設(shè)計(jì)

2.1 光源的選擇

教材上選擇的光源是蠟燭,主要存在的問題有:(1)蠟燭是立體光源且容易晃動(dòng),不便于準(zhǔn)確測(cè)量物距和像距．(2) 無法保證光源全部處于1倍焦距上,故當(dāng)焰心處于1倍焦距上時(shí),燭焰仍有其他部分成實(shí)像,部分成虛像,成像情況比較復(fù)雜,不便于理解1倍焦距不成像的問題．(3) 蠟燭越來越短也影響到3心等高的調(diào)節(jié),導(dǎo)致燭焰的像可能偏離到光屏以外,增加了找像的難度．(4) 用蠟燭做實(shí)驗(yàn)時(shí),整個(gè)室內(nèi)充滿燭蠟燃燒的氣味,蠟燭傾倒還會(huì)引燃其他物品,存在一定的環(huán)境污染和安全隱患．

從另一個(gè)角度講,蠟燭作為光源也有很大好處：(1) 在室內(nèi)較暗(拉上窗簾)的情況下,成像效果應(yīng)該來說還是很清晰的,連焰心都能看得很清晰．(2) 作為一個(gè)點(diǎn)光源,當(dāng)蠟燭處于1倍焦距上時(shí)(盡量全部在1倍焦距上和內(nèi)),光屏上很明顯成一個(gè)與透鏡等大的光斑,對(duì)于理解出射光線是平行光很方便,與平行光聚焦法正好是逆向光路,便于進(jìn)一步理解光路可逆．(3) 因?yàn)闋T焰一般小于透鏡平面,所以成像不易受外圍光線影響，并且燭焰的晃動(dòng)方向還能觀察凸透鏡成實(shí)像的左右也是相反的．(4) 蠟燭越燒越短,實(shí)像越來越高,這個(gè)生成的現(xiàn)象恰好成為促進(jìn)學(xué)生思維的載體,有效促進(jìn)學(xué)生的再思考．實(shí)像是倒立的,越低的點(diǎn)成像越高,可能高于光屏的接收范圍,變得難以觀察．所以,蠟燭上調(diào),像向下移動(dòng),蠟燭變短,像向上移動(dòng),像與物的上下移動(dòng)方向正好是倒著的．這也能讓學(xué)生更清晰地理解實(shí)驗(yàn)前為什么要調(diào)節(jié)3心等高．燭焰作為光源所帶來的生成性問題,有助于發(fā)散學(xué)生思維,激發(fā)學(xué)生的探究興趣,促進(jìn)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的發(fā)展,為進(jìn)一步研究提供了更多素材,可在第2課時(shí)深入研究時(shí)選用．

如圖1所示是現(xiàn)在比較常見的用二極管制成的F形光源,亮度和形狀都比較穩(wěn)定,在光具座上使用比較方便．但是其看起來是個(gè)面光源,其實(shí)還是立體的，對(duì)于找到最清晰的像比較困難．

圖1

還有一種利用LED貼片光源制成的F形光源,其改進(jìn)的初衷應(yīng)該是將原來的點(diǎn)光源改成面光源相對(duì)好一點(diǎn),但成像時(shí),最清晰的位置仍然不太好判斷．最關(guān)鍵的是這兩種光源都是由多個(gè)點(diǎn)光源組成,于是在1倍焦距時(shí)就出現(xiàn)了一種很尷尬的情況．F形光源上的每一個(gè)點(diǎn)光源都分別通過透鏡成一個(gè)與凸透鏡等大的圓形光斑,而這些圓形光斑居然又組成了一個(gè)放大的倒F形，這是因?yàn)槊恳粋€(gè)點(diǎn)的位置不同,通過凸透鏡雖然沒有成像,但形成的光斑位置不同．對(duì)學(xué)生的認(rèn)知產(chǎn)生了嚴(yán)重的混淆,教師再想解釋1倍焦距不成像是無法被學(xué)生接受的．而且,由于這樣的光源通常比較大,很多光線從透鏡的邊緣直射到光屏上,對(duì)成像產(chǎn)生干擾．

通過研究,筆者認(rèn)為,光源應(yīng)該選擇盡量小一點(diǎn),小于凸透鏡鏡面尺寸,光線不易發(fā)散為好,在LED貼片光源上裝一層磨砂罩效果較好,類似于數(shù)碼管，最好是由一個(gè)點(diǎn)光源擴(kuò)散成的面光源,再進(jìn)行遮擋造型．

2.2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)收集

難點(diǎn)突破1：為什么要調(diào)節(jié)“3心等高”?

在高中物理教學(xué)中進(jìn)行探究式教學(xué)的應(yīng)用，教師應(yīng)該適當(dāng)?shù)臏p弱教材對(duì)學(xué)生的暗示作用，讓學(xué)生能夠從不同的角度和層面進(jìn)行知識(shí)的探究和發(fā)現(xiàn)，增強(qiáng)學(xué)生的探究體驗(yàn)，提高學(xué)生的探究能力.

實(shí)驗(yàn)前不要刻意調(diào)節(jié)3心等高,在學(xué)生改變物距后,移動(dòng)光屏找不到像的時(shí)候,用更大的白紙?jiān)谥苓呎业较?體驗(yàn)像不在光屏上的可能,意識(shí)到3心等高對(duì)于簡(jiǎn)化找像操作難度的作用，并在透鏡不動(dòng)的情況下體驗(yàn)并掌握調(diào)節(jié)3心等高的技巧(調(diào)到透鏡的主光軸上)，如圖2所示．

圖2

難點(diǎn)突破2：如何才算最清晰的像?如何判斷像的放大、縮小?

最清晰顯然是通過對(duì)比才能發(fā)現(xiàn)的,所以在固定一個(gè)較大物距時(shí),左右移動(dòng)光屏進(jìn)行對(duì)比,找到相對(duì)更清晰的像,讓學(xué)生體驗(yàn)最清晰的像其實(shí)是很難準(zhǔn)確確定的,所以像距的測(cè)量其實(shí)是存在誤差的,因?yàn)椴煌娜藢?duì)最清晰的感覺是不一樣的．

關(guān)于像的放大與縮小也是通過對(duì)比判斷的,所以需要測(cè)量．先測(cè)量物的大小(如物高3 cm),在光屏上作出標(biāo)記,成像時(shí)將像與物進(jìn)行對(duì)比，或者在光屏上標(biāo)上刻度或網(wǎng)格,都能夠比較方便地比較像與物的大小關(guān)系，并且在改變物距的過程中,更加便于理解像的放大和變大、縮小和變小的區(qū)別．

難點(diǎn)突破3：如何有效進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與初步分析?

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與初步分析,應(yīng)按符合學(xué)生認(rèn)知規(guī)律的次序進(jìn)行,從不同類型的像到物距、像距的測(cè)量分析．可以選用物由遠(yuǎn)及近的移動(dòng)方法找像,也可以根據(jù)學(xué)生實(shí)驗(yàn)前的成像體驗(yàn)將全班分為兩組,分別找放大的像和縮小的像,并記錄物距和像距，按成像特點(diǎn)分別整理歸納(如表1)．

表1

學(xué)生很容易發(fā)現(xiàn)，縮小的像,像距<物距;放大的像,像距>物距．隱約感覺到其中存在某種相似關(guān)系．在此基礎(chǔ)上,再尋找臨界點(diǎn),猜測(cè)等大的像肯定存在,且像距應(yīng)該等于物距．于是找這個(gè)像時(shí),物體與光屏以透鏡為對(duì)稱軸向兩側(cè)移動(dòng),很容易找到2倍焦距成等大像，避免了反復(fù)移動(dòng)找不到等大像的情況,而且能有效避免由于測(cè)量誤差導(dǎo)致的像距不等于物距的現(xiàn)象．

難點(diǎn)突破4：虛像的觀察和理解．

圖3

再使u

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及結(jié)論歸納

難點(diǎn)突破5：如何歸納成像規(guī)律?

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表格中集中了全班各組的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),樣本比較普遍．如何從眾多數(shù)據(jù)中直觀地獲取凸透鏡成像的規(guī)律,需要將表格變成圖像．

投影片是很好的數(shù)據(jù)疊加的載體,可以事先在投影片上打印好光具座的標(biāo)尺、凸透鏡的位置及焦點(diǎn)、2倍焦距的位置．由各組學(xué)生在上面記錄本組的物距、像距．物的大小統(tǒng)一,像的大小根據(jù)光屏上的刻度讀出,按比例描在投影片上，得到縮小的像的小組在投影片上畫出物與像的位置、大小;得到放大像的小組同樣在投影片上畫示，然后將兩組投影片分別疊加,描出成像范圍如圖4，圖5所示.

圖4

圖5

難點(diǎn)突破6：觀察并歸納凸透鏡成像的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律．

在每組圖像上標(biāo)上序號(hào),物1、像1,物2、像2,以此類推,疊加后觀察物體移動(dòng)時(shí),由物1-物6,像1-像6隨之移動(dòng)的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì),結(jié)合學(xué)生動(dòng)手操作,體驗(yàn)物近像遠(yuǎn)像變大的動(dòng)態(tài)過程和像與物移動(dòng)方向一致的規(guī)律,并進(jìn)一步體會(huì)移動(dòng)范圍的大小變化,為下一課時(shí)的深入研究打下基礎(chǔ)．最后輔助動(dòng)畫演示,幫助學(xué)生完善這一過程的認(rèn)知．

4 交流、合作與評(píng)價(jià)

以問題串的形式回顧總結(jié)實(shí)驗(yàn)中的重點(diǎn)和結(jié)論,并對(duì)本節(jié)課的學(xué)習(xí)活動(dòng)進(jìn)行評(píng)價(jià)(如表2)．

表2

問題1:凸透鏡在什么條件下成正立的像?在什么條件下成倒立的像?

問題2:凸透鏡在什么條件下成縮小的實(shí)像?在什么條件下成放大的實(shí)像?

問題3:光屏的作用是什么?若將光屏拿走,凸透鏡還能成實(shí)像嗎?

問題4:實(shí)驗(yàn)時(shí)為什么要調(diào)節(jié)3心等高?

問題5:實(shí)驗(yàn)中,光屏上找不到像的原因可能是什么?

問題6:實(shí)驗(yàn)中,若將凸透鏡遮擋一部分,光屏上的像會(huì)有什么變化?為什么會(huì)有這種變化?

5 小結(jié)

當(dāng)前初中物理課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足主要存在于學(xué)生缺少自主實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)．教師對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重視不夠,教學(xué)過程缺乏創(chuàng)新,把實(shí)驗(yàn)步驟列在黑板上,學(xué)生按部就班進(jìn)行實(shí)驗(yàn),能得出結(jié)論,卻不理解其中的原理,導(dǎo)致學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰^差．

物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)具有真實(shí)性、生動(dòng)性,教師應(yīng)努力創(chuàng)設(shè)情境、為學(xué)生搭建自主實(shí)驗(yàn)的平臺(tái),讓學(xué)生自己發(fā)現(xiàn)問題,尋找解決問題的方法,通過親自動(dòng)手完成探究,加深對(duì)物理現(xiàn)象的感知和對(duì)知識(shí)的理解．

另外,傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中由于實(shí)驗(yàn)條件的限制和實(shí)驗(yàn)方法的老化,存在很多學(xué)生難以理解的問題,教師應(yīng)不斷學(xué)習(xí)新的方法,在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中不斷創(chuàng)新,優(yōu)選實(shí)驗(yàn)器材,優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方法,加強(qiáng)對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)觀察和數(shù)據(jù)處理能力的培養(yǎng),真正實(shí)現(xiàn)提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的目標(biāo)．