“凸透鏡成像的規(guī)律”實驗中蠟燭光源的價值探討

【摘要】本文闡述在初中物理實驗“探究凸透鏡成像的規(guī)律”中運用蠟燭作為光源的價值，認(rèn)為教師可以抓住蠟燭在燃燒過程中變短的實際，引導(dǎo)學(xué)生探究光源、凸透鏡、光屏在一條軸上的重要意義;抓住燭焰搖擺的實際，幫助學(xué)生對凸透鏡成像的規(guī)律建構(gòu)更深層次的認(rèn)知;抓住蠟燭燃燒產(chǎn)生污染的實際，引導(dǎo)學(xué)生對實驗裝置等進行反思，使得學(xué)生經(jīng)歷真實、完整的探究過程，增強實驗探究能力，發(fā)展物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

【關(guān)鍵詞】初中物理 凸透鏡成像的規(guī)律 蠟燭 實驗設(shè)計反思

【中圖分類號】G 【文獻標(biāo)識碼】A

【文章編號】0450-9889（2020）05A-0103-02

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)》（2011年版）把“探究凸透鏡成像規(guī)律”作為學(xué)生必須掌握的實驗之一。目前，各個版本的教材都把該實驗作為一個完整的科學(xué)探究范例。“探究凸透鏡成像的規(guī)律”實驗教學(xué)中，教師習(xí)慣的做法是：讓學(xué)生把光具座上的蠟燭點燃，移動凸透鏡來尋找另一側(cè)的光屏中的清晰的像，通過記錄相關(guān)數(shù)據(jù)來比較像與物的上下、左右關(guān)系和物距、像距關(guān)系，從而得出凸透鏡的成像規(guī)律。部分教師認(rèn)為用蠟燭作為光源，雖然可以讓學(xué)生得出凸透鏡成像的規(guī)律，但是受光源各種劣勢的影響，圖像不穩(wěn)定、不清晰和不對稱等，實驗效果不夠理想。部分教師對燭焰光源進行了改進，采用LED光源、手機屏幕光源、COB光源等代替燭光，以更準(zhǔn)確地找到清晰的實像。但筆者認(rèn)為，這樣的改進雖然重視實驗結(jié)論的準(zhǔn)確性，但忽視了科學(xué)探究的過程，沒有通過實驗來挖掘光源的深層次價值，沒有進一步培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究素養(yǎng)。筆者結(jié)合教學(xué)實際，探討核心素養(yǎng)下“探究凸透鏡成像的規(guī)律”實驗中蠟燭光源的深層價值。

一、抓住蠟燭變短的實際，引導(dǎo)學(xué)生探究“共軸”的意義

部分教師認(rèn)為由于蠟燭的燃燒會導(dǎo)致蠟燭慢慢地變短，在實驗過程中，蠟燭燭焰的中心、凸透鏡中心和光屏中心不能時刻保持在同一高度上，部分教師就利用LED光源等替代蠟燭光源，使光源與凸透鏡中心、光屏中心始終保持在同一高度上，以便完成實驗。還有些教師往往在此時指導(dǎo)學(xué)生隨時調(diào)整三者的高度，保持共軸，學(xué)生手忙腳亂地調(diào)整高度，增加了實驗難度，往往影響學(xué)生的判斷。

以蠟燭作為探究凸透鏡成像規(guī)律的光源，雖然與LED光源等改進方案相比較，存在實驗過程中蠟燭慢慢燃燒變短的情況，會帶來觀察難度，但教師可以在蠟燭變短時引導(dǎo)學(xué)生進一步探究，激發(fā)學(xué)生的思維。

問題1：請同學(xué)們觀察蠟燭所成的像在光屏上的位置有什么變化？

問題2：蠟燭所成的像為什么不在屏幕的正中央？

問題3：蠟燭慢慢燃燒變短后，像的移動方向是什么？

教師通過提問學(xué)生，充分調(diào)動學(xué)生的積極性，使學(xué)生進一步觀察實驗現(xiàn)象，討論、猜想凸透鏡成像規(guī)律。學(xué)生帶著問題觀察實驗現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)當(dāng)蠟燭慢慢燃燒變短，與凸透鏡、光屏沒有在同一高度上時，圖像不能完整地呈現(xiàn)在光屏上。蠟燭變短這個需要改進的實驗缺陷在教師的引導(dǎo)下變成更具有價值的教學(xué)探究，學(xué)生通過實驗進一步加深對凸透鏡成像規(guī)律的認(rèn)識和理解。

二、抓住火焰搖擺的實際，幫助學(xué)生建構(gòu)更深層次的認(rèn)知

部分教師認(rèn)為用蠟燭作為光源不易找準(zhǔn)清晰的實像。一是因為蠟燭燭焰受不規(guī)律氣流影響，圖像不穩(wěn)定，會出現(xiàn)往前、后、左、右不同方向搖擺的情況;二是因為蠟燭燭焰內(nèi)焰比外焰要明亮許多，透過凸透鏡成像后，會在光屏上出現(xiàn)不清晰、不穩(wěn)定的圖像。學(xué)生用肉眼很難判斷何時的圖像才是清晰的圖像，何時的圖像才是等大的圖像。雖然教師通過自制“F”字形的LED光源替代蠟燭燭焰，無論倒立還是正反、縮小還是放大，都可以完整地進行演示，效果非常明顯。但筆者認(rèn)為這樣的實驗過程只是讓學(xué)生機械地得出實驗結(jié)論，并沒有讓學(xué)生親身經(jīng)歷科學(xué)探究過程，沒有達到培養(yǎng)學(xué)生探究能力的目的。

建構(gòu)主義教學(xué)理論認(rèn)為，學(xué)生積極主動地建構(gòu)的知識體系，比通過教師教學(xué)活動被動接受方法與程序所建立的知識體系，更具有穩(wěn)定性和外延性。為此，教師可以抓住火焰搖擺的實際設(shè)置兩個小實驗，引導(dǎo)學(xué)生進行實驗探究，激發(fā)學(xué)生在不理想環(huán)境下對實驗現(xiàn)象做進一步的思考，使學(xué)生逐漸掌握研究物理問題的方法，促進學(xué)生主動建構(gòu)與物理概念相關(guān)的知識體系，形成相關(guān)知識和技能，發(fā)展科學(xué)探究精神。

實驗1：一名學(xué)生向蠟燭吹氣，讓蠟燭前后搖擺，進一步感知物距與像距的變化規(guī)律?？梢缘贸觯何锞嘤绊懴窬?。

實驗2：一名學(xué)生向蠟燭吹氣，讓蠟燭左右搖擺，觀察燭焰傾斜的方向和燭焰的像之間的變化關(guān)系?？梢园l(fā)現(xiàn)：燭焰的像和燭焰傾斜的方向是相反的。

雖然學(xué)生之前學(xué)習(xí)了光的折射和凸透鏡的基礎(chǔ)知識，但是對于凸透鏡的成像規(guī)律缺乏深刻的認(rèn)知，對于物距、焦距、像距之間的關(guān)系比較迷茫。如果用LED光源、COB光源等代替蠟燭進行探究實驗，雖然學(xué)生可以總結(jié)相關(guān)規(guī)律、掌握相關(guān)知識，但筆者認(rèn)為這還是“填鴨”式的傳統(tǒng)教學(xué)，這本質(zhì)上還是一種假探究，不屬于真探究。

通過這兩個實驗中的小實驗，改進實驗方案并動手做實驗，學(xué)生有更多發(fā)揮的空間，成為凸透鏡成像規(guī)律的“發(fā)現(xiàn)者”，成為課堂的“主人翁”，他們參與實驗的熱情會更高，能夠建構(gòu)更深的認(rèn)知。這樣教學(xué)雖然會花很多的時間，但通過教師創(chuàng)設(shè)的問題情境及學(xué)生之間的相互協(xié)助進行意義建構(gòu)，學(xué)生深入分析實驗數(shù)據(jù)，歸納實驗結(jié)論，有效促進對新知識的同化、順應(yīng)和遷移。

三、抓住蠟燭燃燒產(chǎn)生污染的實際，引導(dǎo)學(xué)生對實驗進行反思

部分教師認(rèn)為燃燒的蠟燭在實驗過程中會產(chǎn)生液態(tài)的蠟流到實驗臺上，實驗結(jié)束后比較難清理，甚至有可能發(fā)生蠟燭傾倒在實驗臺上引發(fā)火災(zāi)的現(xiàn)象，存在非常大的安全隱患。另外，實驗室多臺實驗桌同時進行實驗，蠟燭燃燒產(chǎn)生的煙霧較大，對空氣造成一定的污染。鑒于上述情況，教師在引導(dǎo)學(xué)生采用蠟燭作為光源進行實驗探究時，可以引導(dǎo)學(xué)生對實驗進行改進，減少上述情況帶來的負(fù)面影響。有學(xué)生提出如下改進方案。

改進方案1：在光具座下面放置一張草稿紙，收集滴落的蠟燭油。

改進方案2：改進光具座的結(jié)構(gòu)，在蠟燭底座處設(shè)置一個可以移動的托盤，收集滴落的蠟燭油。

實驗室?guī)资_實驗桌同時進行實驗，蠟燭的煙霧在教室中彌漫，空氣污染確實嚴(yán)重。教師引導(dǎo)學(xué)生提出解決方案，比較方案的優(yōu)劣。

方案1：開窗通風(fēng)。如果室外風(fēng)較大，采用這個方案會加速教室內(nèi)部的空氣流動，導(dǎo)致蠟燭燭焰更加不穩(wěn)定，增加實驗的難度。

方案2：運用排風(fēng)扇輔助換氣。相對于方案1，該方案更加符合實際需求。

教師抓住實驗污染的實際，在教學(xué)中給學(xué)生一些方向性的提示，引導(dǎo)學(xué)生提出解決方案，給學(xué)生營造寬松的思維空間和實踐空間，這是傳統(tǒng)的實驗教學(xué)中沒有的。學(xué)生在此過程中還會提出一些獨特的問題，避免探究活動的盲目性，迸發(fā)更多的思想火花。

在核心素養(yǎng)下，教師在教學(xué)中不僅僅是知識的傳播者，還要指導(dǎo)學(xué)生進行科學(xué)探究，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷探究過程，尤其是讓學(xué)生形成探究的思路和找準(zhǔn)探究的方向。核心素養(yǎng)理念下，物理實驗教學(xué)應(yīng)該從理論出發(fā)，將理論與實踐相結(jié)合進行探究，以在實踐中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)思維。教師可以根據(jù)自身需要、學(xué)生的操作能力以及教學(xué)環(huán)境對方案進行合理選擇，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷真正的科學(xué)探究過程，提升學(xué)生的綜合素質(zhì)。與此同時，在物理實驗的設(shè)計過程中，教師要根據(jù)教材內(nèi)容，對實驗器材的選擇、物理實驗方法的應(yīng)用進行全面考慮，讓學(xué)生親自動手、親身經(jīng)歷。

在“探究凸透鏡成像的規(guī)律”實驗中，教師可以巧妙運用以蠟燭作為光源存在的缺陷與不足，在實驗過程中放慢教學(xué)節(jié)奏，引導(dǎo)學(xué)生多次觀察實驗現(xiàn)象，分析、解決實驗中出現(xiàn)的問題，歸納實驗結(jié)論，變劣勢為優(yōu)勢，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究精神、實驗精神，提升學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)，為學(xué)生的成長、成才奠定堅實的基礎(chǔ)。

【參考文獻】

[1]王衛(wèi).開展科學(xué)探究 培養(yǎng)學(xué)生能力——教學(xué)《探究凸透鏡成像規(guī)律》的意外收獲[J].教育實踐與研究（B），2010（6）

[2]陳棟，季衛(wèi)新.研究性備課：初中物理核心素養(yǎng)之學(xué)生思維能力的培養(yǎng)——以“凸透鏡成像的規(guī)律”重難點突破為例[J].物理教師，2019（4）

[3]許蓉.探究凸透鏡成像規(guī)律的新光源——自制教具的探究歷程[J].中小學(xué)實驗與裝備，2018（2）

[4]王慶平.關(guān)于電氣自動化凸透鏡成像實驗探究的思考與改進[J].中學(xué)理科園地，2018（1）

[5]李芳，李新鄉(xiāng).基于課程標(biāo)準(zhǔn)的“科學(xué)探究：凸透鏡成像”的教學(xué)設(shè)計[J].物理教師，2016（2）

作者簡介：黃秋妮（1979— ），女，廣西北流人，一級教師，大學(xué)本科學(xué)歷，研究方向：初中物理教學(xué)。

（責(zé)編 劉小瑗）