賈 麗 朱文軍

（南京樹人國際學校，江蘇 南京 210003）

探究凸透鏡成像規(guī)律的實驗是初中物理中一個重要的實驗，成像情況較復雜、內(nèi)容較多、且易混淆，涉及到的思維方法也多.

筆者在執(zhí)教和聽課的過程中想到這樣幾個問題：（1）探究凸透鏡成像實驗，到底應該如何探究？（2）怎樣猜想到焦距f會影響成像性質(zhì)的？（3）要做幾次實驗？（4）如何處理數(shù)據(jù)？（5）用蠟燭火焰做研究對象真的需要改變嗎？

1 探究凸透鏡成像整體設(shè)計

目前國內(nèi)7種版本的分科物理教材中對凸透鏡成像規(guī)律實驗的設(shè)計基本上都是在觀察的基礎(chǔ)上提出猜想，設(shè)計思路大致有如下3種模式.

第1種是蘇科版、粵教滬科版和滬科版教材的設(shè)計，它們是采用限制成像性質(zhì)，分別得到倒立縮小的像、倒立放大的像和倒立等大的像，記錄物距及像距，然后再設(shè)法引導學生得到正立放大的像，記錄物距.

第2種是人教版、教科版和北師大實驗版的教材，它們采用限制物距的方法.例如人教版，我們可以把物體放在距凸透鏡較遠的地方，然后逐漸移近，觀察成像的情況.物距大到什么程度成實像，小到什么程度成虛像，大概不同的凸透鏡會有不同，要有個參照的距離才便于研究.不同的凸透鏡，焦距的大小不同.我們就用焦距f作為參照的距離.

先把物體放在較遠處，例如使物距u＞2f，然后移動物體逐漸接近透鏡，使物距u在2f和f之間，即f＜u＜2f，最后使物距u＜f.在這個過程中，觀察并記錄像的虛實、大小、正倒等情況.試試看，這樣做能不能找出凸透鏡成像的規(guī)律.

教科版也是要求先把蠟燭放在離透鏡較遠的地方，然后逐漸向透鏡移動.在課文旁邊有提示：“焦距標志著透鏡對光的折射本領(lǐng).實驗中可以分為以下階段選取數(shù)據(jù)進行研究：物體在2倍焦距以外；物體在2倍焦距和1倍焦距之間；物體在1倍焦距以內(nèi).”

第3種是北師大版教材，采用開放的探究模式.通過問題與猜想“改變物體與透鏡之間的距離，可以得到不同的像.那么，透鏡與物體之間的距離以及透鏡的焦距是怎樣影響像的正倒、虛實、大小的呢？”，制定計劃：改變物體（點燃的蠟燭）到透鏡的距離，從遠到近，觀察像的大小、正倒、虛實各怎樣變化.測量出每一種情況下物體、像到凸透鏡的距離.

那么，上面3種模式中哪一種較好呢？

建構(gòu)主義教學理論認為，知識不是通過教師傳授得到，而是學習者在一定的情境即社會文化背景下，借助其他人（包括教師和學習伙伴）的幫助，利用必要的學習資料，通過意義建構(gòu)的方式而獲得.學生要成為意義的主動建構(gòu)者，這就要求學生在學習過程中從以下幾個方面來發(fā)揮主體作用.

（1）要用探索法、發(fā)現(xiàn)法去建構(gòu)知識的意義；

（2）在建構(gòu)意義過程中，要求學生主動去搜集并分析有關(guān)的信息和資料，對所學習的問題要提出各種假設(shè)并努力加以驗證；

（3）要把當前學習內(nèi)容所反映的事物盡量和自己已經(jīng)知道的事物相聯(lián)系，并對這種聯(lián)系加以認真的思考.

通過創(chuàng)設(shè)情境來引導學生對凸透鏡成像的性質(zhì)分類是可以的，所以才有了第1種的模式.這種模式的優(yōu)點是學生只要找到所需要成的像，然后記錄物距和像距，分析物距和像距有什么特點就可以了.簡化了實驗過程，方向性比較明確，降低了教學難點，也達到了節(jié)約時間的目的.這是一種限制性探究.

教師在教學中傳播的不僅是知識，還要幫助學生經(jīng)歷探究的過程，更為重要的是要理解探究的思路和研究方法，讓學生經(jīng)歷知識的形成過程，放慢教學的節(jié)奏.讓教學的順序與知識序和學生的認知順序相吻合.

筆者認為，最能培養(yǎng)學生探究能力的模式應該是第3種模式，讓學生在沒有任何暗示的情況下進行自主探究學習，通過大量的實驗發(fā)現(xiàn)規(guī)律.北師大實驗版教材還要求選用不同的凸透鏡，在物距相同時，比較成像情況是否相同；滬科版（2003年版）也要求學生選用不同焦距的凸透鏡進行重復實驗.北師大版美中不足的是，在最后要求學生把所觀察到的成像情況畫在圖中（見圖1所示），這其實也是在暗示學生把物距按照兩倍焦距和焦點分成了幾種不同的情況.

不建議采用的是第2種模式，學生在未知的情況下怎么知道要以焦距為參照物呢？怎么知道要限制物距大于2f、小于2f和大于f之間以及小于f的呢？

圖1

2 怎么猜想到焦距f會影響成像性質(zhì)的

建構(gòu)主義學習理論強調(diào)，學習者并不是空著腦袋進入學習情境中的；教學不能無視學習者的已有知識經(jīng)驗，簡單強硬的從外部對學習者實施知識的“填灌”，而是應當把學習者原有的知識經(jīng)驗作為新知識的生長點，引導學習者從原有的知識經(jīng)驗中，生長新的知識經(jīng)驗.教學不是知識的傳遞，而是知識的處理和轉(zhuǎn)換.教師不是知識的呈現(xiàn)者，不是知識權(quán)威的象征，而應該重視學生自己對各種現(xiàn)象的理解，傾聽他們時下的看法，思考他們這些想法的由來，并以此為據(jù)，引導學生豐富或調(diào)整自己的解釋；教師與學生，學生與學生之間需要共同針對某些問題進行探索，并在探索的過程中相互交流和質(zhì)疑，了解彼此的想法.

在學習了光的折射和凸透鏡的基礎(chǔ)知識之后，學生對凸透鏡的成像規(guī)律是沒有認識的，學生是不知道物距和焦距之間的關(guān)系會影響成像性質(zhì)的，更不可能知道兩倍焦距和焦點是成像性質(zhì)的分界點.教師如果把自己掌握的知識生搬硬套的呈現(xiàn)在學生面前，就會讓學生感覺很奇怪，這本質(zhì)上還是一種“填鴨子”式的傳統(tǒng)教學，是假探究，不是真探究.

最合理的設(shè)計是給學生提供2～3種不同焦距的凸透鏡，先把蠟燭放在離凸透鏡較遠的地方，然后逐漸向透鏡移動，在移動的過程中選取若干個位置，并調(diào)整光屏的位置，觀察成像的情況，記錄成像性質(zhì)和物距、焦距、像和物的位置關(guān)系等，然后換用不同焦距的凸透鏡重復實驗.在大量的實驗基礎(chǔ)上進行分析、采用同種求異、異中求同和同異綜合等物理科學方法尋找統(tǒng)一的凸透鏡成像規(guī)律.

這樣雖然會花很多的時間，甚至一節(jié)課都完成不了整個探究過程，但是我們可以先做實驗，讓學生在課后或者利用下一節(jié)課進行深入的分析、歸納而找出規(guī)律，這樣看起來雖然“浪費”了時間，但是學生經(jīng)歷了真正的探究過程，所有的規(guī)律是學生在自己實驗的基礎(chǔ)上通過實驗數(shù)據(jù)總結(jié)得出來的，印象自然比較深刻，理解了的東西記憶起來自然就長久，也就不再需要通過大量的“題海”使學生鞏固這個成像規(guī)律了.

3 實驗到底要做幾次

物理學中很多規(guī)律都是通過大量實驗數(shù)據(jù)歸納得出的，而不是一兩次的巧合就可以歸納出的，用的是一種不完全歸納法，實驗次數(shù)越多得到的規(guī)律其可靠性也就越高.由于時間的限制，在實際教學過程中不可能實驗次數(shù)太多，一般做3次以上就可以了.但是筆者發(fā)現(xiàn)有的教材中，每種成像情況的實驗次數(shù)太少，例如粵教滬科版教材（見表1）的實驗記錄表格中每種成像情況只需要做一次，這很明顯是太少；滬科版教材是用兩個不同焦距的凸透鏡對每種成像情況做1次；人教版教材（見表2）和蘇科版教材（見表3）教材對每種成像情況要求做2次，也是欠妥的.

表1

表2

表3

4 實驗數(shù)據(jù)的處理

如果是每種成像情況做了3次以上，這些大量的數(shù)據(jù)應該如何處理呢？

表4

物理規(guī)律的建立是以觀察和實驗為基礎(chǔ)，同時也離不開邏輯的和創(chuàng)造性的思維，通常還要建借助數(shù)學的描述和推理方法.初中物理常用的數(shù)據(jù)處理方式是列表、畫圖像等.對于凸透鏡成像實驗得出的多組數(shù)據(jù)，可以采用異中求同找出成像性質(zhì)一樣的多組數(shù)據(jù)，例如成倒立縮小實像的多組數(shù)據(jù)，再歸納總結(jié)出統(tǒng)一的規(guī)律.又如，物距都大于2倍焦距、像距都小于2倍焦距且大于1倍焦距，物距大于焦距，隨著物距的減小像距在增大、像在增大，像和物在透鏡的兩側(cè)等.

也可以采用Excel自動生成v－u圖像，如根據(jù)表4（f＝10cm）生成如圖2所示的v－u圖像.

圖2

也可以采用不同顏色（同一種成像性質(zhì)用同一種顏色）和相同長度的箭頭來表示物體，用對應的顏色和長度適當?shù)募^來表示像，放在凸透鏡的主光軸上直觀、形象地的來尋找規(guī)律，如圖3所示.

圖3

如果學生用的光源相同（如用9個發(fā)光二極管做成的“F”光源），還可以在同樣大小的透明膠片上復印上凸透鏡、主光軸、焦點和刻度，讓學生對同一種成像性質(zhì)的物體和像用同一種顏色的記號筆畫上箭頭（物體的長度統(tǒng)一，像的長度根據(jù)實驗數(shù)據(jù)畫出），然后把所有的膠片疊放在一起，就可以得到大量的數(shù)據(jù)，很清楚的看出凸透鏡的成像規(guī)律.

5 實驗用的光源如何選取比較好

在探究凸透鏡成像實驗中，傳統(tǒng)的光源都是蠟燭，但是有教師認為：（1）燃燒的蠟燭的火焰是跳躍的，大小不穩(wěn)定，左右搖擺，導致在光屏上所成的像也不穩(wěn)定，對比較像與物的大小帶來麻煩；（2）燃燒的蠟燭的火焰上下比較容易分辨，但要分辨左右關(guān)系就很困難了（當然要分辨像的左右也可以）；（3）燃燒的蠟燭的火焰由于自身沿透鏡主軸方向有一定的厚度，使物距不是唯一的值，這會給確定像的位置帶來困難，從而使所得數(shù)據(jù)有一定誤差；（4）教材提供的成像物體是蠟燭，產(chǎn)生的氣味不僅讓人比較難以接受，而且每次實驗過后這種氣味較長時間地滯留在實驗室影響了學生的身心健康；（5）用明火有安全隱患.于是給出了圖4所示的裝置.［3］也有的老師選用了9個發(fā)光二極管做成的“F”光源，如圖5所示.

不可否認的是，選用燭焰做為物體在像和物的大小差別不是很大時不容易判斷大小，但是對于像和物的左右關(guān)系還是很容易判斷的.

圖4

圖5

北師大版教材中指出，“在成虛像和成實像的兩種情況下，輕輕吹蠟燭的火焰，使它向左側(cè)或者右側(cè)偏斜，觀察火焰的像向左側(cè)還是右側(cè)偏斜.注意像與物體的左右關(guān)系.”

有人認為采用圖4或者圖5的光源更好.這里就涉及到一個問題：如何觀察判斷像和物是不是左右相反的？采用蠟燭火焰作為研究對象，我們可以從蠟燭的外側(cè)向蠟燭、凸透鏡和光屏看去，沿一個方向可以同時觀察物體和像，只要另一個學生沿垂直于光具座的方向輕輕吹燭焰，就可以清楚的看出燭焰的像和燭焰偏斜的方向是相反的.

圖4所示的情景是從不同的方向看到的現(xiàn)象，人在看物體的左右時是站在凸透鏡的位置向左看，而看像的左右時是站在凸透鏡的位置向右看，其實這時候看到的像不是圖4中所示的像的情況.圖4中像的情況是站在光屏的右邊向光屏、凸透鏡、物體的方向看，這就要求光屏必須是半透明的了，如用毛玻璃來做.同理，用“F”光源做實驗也存在著這個問題.

因此，筆者認為，如果單純是為了方便準確地研究像和物體的大小的話，用圖4和圖5中的光源較好（在光屏上貼上坐標紙，方便通過數(shù)格子的方法測量像高）.如果只是單純地研究像和物體的左右是否相反的話，那還是用燭焰做光源，人的視線沿一個方向去看像和物體.就像早期的120相機，我們在毛玻璃上看見的像是和物是上下顛倒、左右也顛倒的.

總之，物理實驗的設(shè)計要綜合考慮到實驗器材的選擇、物理科學方法的運用，更要考慮到學生的認知規(guī)律，要讓學生經(jīng)歷真正的科學探究過程，而不能越俎代庖.在探究的過程中不能限制學生的思維維度，要讓學生經(jīng)歷全面的探究過程.科學探究的過程是從一定的科學信念或者假設(shè)出發(fā)，通過對事物的觀察、現(xiàn)象多次觀察、實驗，對取得的大量資料進行分析、綜合、歸納，發(fā)現(xiàn)在一定條件下有關(guān)物理量之間的必然聯(lián)系，從而才能得到真正的規(guī)律.這樣的學習才是高效的，才是最優(yōu)化的.

1 閻金鐸等.中學物理新課程教學概論（第1版）.北京：北京師范大學出版社，2008.

2 李迎春.凸透鏡成像實驗裝置的不足及改進.物理通報，2010（4）.

3 季建.“探究凸透鏡成像的規(guī)律”實驗改進.實驗教學與儀器，2011（12）.

4 劉炳昇等.義務教育課程標準試驗教科書（第2版）物理（8年級上冊）.南京：江蘇科技出版社，2007.

5 吳祖仁.義務教育課程標準試驗教科書（第1版）物理（8年級上冊）.北京：科學教育出版社，2003.

6 彭前程.義務教育課程標準試驗教科書（第3版）物理（8年級上冊）.北京：人民教育出版社，2006.

7 廖伯琴等.義務教育課程標準試驗教科書（第1版）物理（8年級）.上海：上?？茖W技術(shù)出版社，2001，2007（修訂）.

8 閻金鐸.義務教育課程標準試驗教科書（第2版）物理（8年級下冊）.北京：北京師范大學出版社，2006.

9 閻金鐸.北京市義務教育課程改革試驗教材（第3版）物理（8年級）.北京：北京師范大學出版社，2005.

10 束炳如.義務教育課程標準試驗教科書（第2版）物理（8年級上冊）.廣州：廣東教育出版社，上海：上?？萍汲霭嫔纾?003.