蘇　敏　袁海泉

(1. 鎮(zhèn)江科技新城實驗學(xué)校,江蘇　鎮(zhèn)江　212000;2. 蘇州大學(xué)物理與光電能源學(xué)部,江蘇　蘇州　215000)

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精心設(shè)計實驗助力概念學(xué)習(xí)
——以《透鏡》實驗探究教學(xué)為例

蘇敏1袁海泉2

(1. 鎮(zhèn)江科技新城實驗學(xué)校,江蘇鎮(zhèn)江212000;2. 蘇州大學(xué)物理與光電能源學(xué)部,江蘇蘇州215000)

本文以“透鏡”教學(xué)為例,利用學(xué)生對實驗探究的濃厚興趣,抓好實驗教學(xué),幫助學(xué)生形成清晰的物理概念,掌握準(zhǔn)確的物理規(guī)律.

透鏡;概念學(xué)習(xí);實驗探究

1　物理實驗是概念學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)

物理概念反映了物理現(xiàn)象和過程的本質(zhì)屬性,物理規(guī)律是物理現(xiàn)象或過程的本質(zhì)聯(lián)系在一定條件下必然發(fā)生、發(fā)展和變化的反映.形成概念、掌握規(guī)律往往都要經(jīng)歷一個由具體到抽象,再由抽象到具體的過程.很多時候,教師會選擇從具體情境引入,通過觀察、實驗、討論等方法引導(dǎo)學(xué)生形成物理概念和規(guī)律,分析概念的內(nèi)涵和外延,再將規(guī)律應(yīng)用于實際,解釋蘊藏在生活中的物理現(xiàn)象,最后通過練習(xí)強化和鞏固習(xí)得的概念和規(guī)律.但是概念和規(guī)律的學(xué)習(xí)并非一蹴而就,教師常常會發(fā)現(xiàn),對于某個知識點自己感覺講得很清楚,學(xué)生卻總是反復(fù)錯,原因在于概念的形成、規(guī)律的學(xué)習(xí)具有復(fù)雜性.首先,從注意的角度來說,Broadbent的過濾器理論指出：人的注意是有限的,在外界紛繁的刺激中,它總是選擇更強的刺激.在物理課堂中,反映事物本質(zhì)屬性的刺激卻并非都是最強的.其次,學(xué)生錯誤的前概念會干擾概念的形成和規(guī)律的掌握,產(chǎn)生負(fù)遷移.此外,相類似的概念會使學(xué)生混淆不清,忽略它們在本質(zhì)屬性上的差別.當(dāng)然,教材的編寫和教師的講解也會直接影響學(xué)生概念、規(guī)律的學(xué)習(xí).

要想形成清晰的概念，準(zhǔn)確地掌握規(guī)律,一個很重要的方法就是加強實驗教學(xué).實驗教學(xué)是物理教學(xué)中常用的方法,它既是物理教學(xué)的基礎(chǔ),又是物理教學(xué)的內(nèi)容,而不僅僅是一個工具.人們認(rèn)識世界往往是從感覺入手,實驗操作可以對各個感官產(chǎn)生綜合的刺激,讓學(xué)生獲得豐富的感性認(rèn)識.這些感性認(rèn)識是思維進(jìn)行信息加工的原材料,是概念形成的基礎(chǔ),準(zhǔn)確而深刻的感性認(rèn)識在進(jìn)一步學(xué)習(xí)中可以順利地上升為正確的理性認(rèn)識,而模糊甚至有偏差的感性認(rèn)識只能帶給學(xué)生錯誤的認(rèn)知,讓學(xué)生多走彎路.所以,雖說在初中階段,機械記憶、反復(fù)做題也能夠使學(xué)生在考試中取得不錯的成績,但是經(jīng)過精心設(shè)計后的課堂與簡單引入、粗略介紹、反復(fù)操練的課堂相比,學(xué)生的學(xué)習(xí)物理概念和規(guī)律的有效性是不一樣的.

2　基于實驗探究的概念教學(xué)設(shè)計

本文以蘇科版《透鏡》一節(jié)為例,探討實驗設(shè)計對形成概念和掌握規(guī)律的積極作用.

2.1對往屆學(xué)生的學(xué)情分析

在透鏡這一節(jié)中最大的難點就是兩種透鏡對光路的會聚或發(fā)散作用,說起來很容易,圖畫起來也很清晰,但學(xué)生學(xué)習(xí)時常常會出現(xiàn)一種典型錯誤——因為凸透鏡是會聚透鏡,所以最終能使光線會聚到主光軸上的一定是凸透鏡,反之,因為凹透鏡是發(fā)散透鏡,因此能使光線沿著主光軸的方向發(fā)散的透鏡就一定是凹透鏡,這種斷章取義的思維導(dǎo)致結(jié)果完全背離了真相.歸根結(jié)底,還是學(xué)生對會聚或發(fā)散這兩個概念的內(nèi)涵不甚清晰,他們把這里的會聚或發(fā)散作用看成了一種結(jié)果性的描述,以主光軸為參照物,凸透鏡的會聚作用一定可以使最終的折射光線會聚到主光軸,而凹透鏡的發(fā)散作用則必然會使最終的折射光線沿著主光軸發(fā)散.殊不知,這里的會聚或發(fā)散作用其實是一種過程性的描述,它強調(diào)的是光線通過透鏡這個過程,同樣是以主光軸為參照物,通過凸透鏡時,折射光線一定會比原來的入射光線要會聚一點,但是這種會聚的程度并不一定導(dǎo)致最終的折射光線一定會聚到主光軸,而通過凹透鏡時,后來的折射光線也會比原來的入射光線要發(fā)散一點,同樣這種發(fā)散并不是說一定可以沿主光軸方向發(fā)散.因此在教學(xué)過程中,面對學(xué)生的這種錯誤,筆者不厭其煩地強調(diào):這里的會聚(發(fā)散)作用,是后來的折射光線與原來的入射光線之間的對比,是整個折射過程的比較,而不是最終結(jié)果的會聚(發(fā)散).當(dāng)然,最終大部分學(xué)生總能通過理解或記憶接受這個結(jié)論,但是學(xué)習(xí)效果顯然是不高的.

2.2學(xué)情背后的原因反思

針對此現(xiàn)狀,筆者進(jìn)行了深刻的反思.記得在某次培訓(xùn)中,一位專家指出：我們在教學(xué)中忙于補漏,卻不知這些漏洞正是來源于課堂.這句話令筆者感觸頗深,那么對于這個知識點來說,漏洞出在哪里？筆者認(rèn)為是教師對書本內(nèi)容的簡單挪用,書本中在透鏡對光路的作用這一活動環(huán)節(jié)給出的提示是一束平行于主光軸的入射光線,考慮到平行光是三種特殊光線中的一種,又是作圖題的?？贾R點,而且對平行光的了解有助于后面焦點、焦距等術(shù)語的學(xué)習(xí),所以在教學(xué)過程中探究透鏡對光路的作用時,教師往往傾向于引導(dǎo)學(xué)生使用平行于主光軸的一束光作為入射光線進(jìn)行實驗,因而折射光路總是會聚于主光軸或者沿著主光軸的方向發(fā)散.新授課上簡單明了的光路給予學(xué)生直接而清晰的視覺刺激,后面關(guān)于特殊光線的反復(fù)作圖又頻繁地對學(xué)生進(jìn)行強化練習(xí),最終將學(xué)生腦中本是朦朧的意識上升到了穩(wěn)定的認(rèn)知層面.然而,在初識透鏡的過程中,便不斷地給學(xué)生以平行光的強化,如此一來,我們要如何讓學(xué)生了解非特殊光路,又如何讓學(xué)生真正理解會聚和發(fā)散的本質(zhì)呢？

2.3重新編制的實驗設(shè)計

由于往年的教學(xué)設(shè)計給學(xué)生帶來不少困擾,筆者對這種常規(guī)的教學(xué)設(shè)計進(jìn)行了改進(jìn).

活動1:引入透鏡,辨別透鏡.

師:我們班上有很多同學(xué)都戴著眼鏡,老師今天也給大家準(zhǔn)備了副眼鏡(老花鏡),它們都屬于我們今天要學(xué)習(xí)的透鏡.但是,這兩種眼鏡有什么差別呢？摘下你們的眼鏡,大家動手比一比,看看你們能找到哪些不同點？

生:小組合作,討論、思考、回答:① 可以用手摸,看厚??；② 可以用來看東西,觀察像是放大還是縮小(追問學(xué)生是怎么看的,提前滲透透鏡成像的多樣性).

師:根據(jù)外形的差別,我們可以把透鏡分成兩類,用凹凸透鏡來表示的話,中間厚邊緣薄的是什么透鏡？中間薄邊緣厚的是什么透鏡？

生:分別是凸透鏡、凹透鏡.

師:利用它們不同的外形特征我們來判斷幾種透鏡(PPT呈現(xiàn)).同學(xué)們面前還有一紅一白的兩個透鏡,大家再來判斷一下它們分別是什么透鏡？(學(xué)生活動、思考.)

師:你們是通過什么方法來判斷的？(回顧辨別透鏡的方法.)

生:手摸、眼看.

師:透鏡在我們的生活中有著很廣泛的應(yīng)用,比如剛剛提到的眼鏡,同學(xué)們還能想到哪些關(guān)于透鏡的應(yīng)用？

設(shè)計目的:這個環(huán)節(jié)知識點比較簡單,讓學(xué)生認(rèn)識透鏡,能夠根據(jù)兩種透鏡的差別辨別不同透鏡.因此,實驗的設(shè)計也比較簡單,引入單刀直入,活動由學(xué)生自主操作,自行總結(jié).

活動2:探究透鏡對光路的作用

師:凸透鏡為什么可以成放大的像,凹透鏡為什么可以成縮小的像？光線在通過透鏡的過程中發(fā)生了什么光學(xué)現(xiàn)象？

生:折射.

師:那光線在通過兩種不同的透鏡以后傳播路徑是否一樣呢？接下來,我們共同探究兩種透鏡對光線的作用.首先請同學(xué)們拿出學(xué)案,各小組在圖中凸透鏡的左側(cè)任意畫兩條光線(考慮到學(xué)生會受到書本的干擾,筆者在展臺上大致比劃一下非特殊兩條光線,看似無心的手勢既是出于導(dǎo)向目的,更是期望在書本定勢的影響下能夠?qū)W(xué)生起到些許干擾作用),然后小組成員用兩只激光筆同時沿著所畫光線的方向入射,其他成員觀察并畫出通過透鏡以后的光路,注意分工合作.對凹透鏡的探究也提出了同樣的要求.

學(xué)生通過小組合作,實驗、畫圖，大部分的小組還是使用了平行光進(jìn)行探究,因為學(xué)生在潛移默化中總是熱衷于相信課本,不善于質(zhì)疑.少數(shù)小組使用了非特殊的入射光線,畫出了另一種光路.

師:同學(xué)們看看投影上幾個小組的圖,它們大致相似,那我們來看看,和原來的傳播路徑相比,通過透鏡的光線是向中間會聚了，還是向兩邊發(fā)散了？(用實物展臺展示,同時在投影上用紅筆畫出原來的路徑，如圖1所示.)

圖1

生:會聚.

師:我們再來看看凹透鏡的光路圖,和原來的傳播路徑相比,通過透鏡的光線是向中間會聚了，還是向兩邊發(fā)散了？

生:發(fā)散.

師:老師這兒還有一幅和這些不怎么一樣的圖,請同學(xué)們還用這種方法判斷,從透鏡出來的光線是會聚了，還是發(fā)散了？

生:凸透鏡起會聚作用,凹透鏡起發(fā)散作用.

師:為什么老師要展示不同小組的圖,就一組不可以嗎？為什么？

生:不可以,多次實驗可以避免偶然性,得出普遍規(guī)律.

設(shè)計目的:透鏡對光路的作用是本節(jié)的重點和易錯點,因此對于這個探究環(huán)節(jié)的設(shè)計筆者做了很多思考,目的就是為了打破學(xué)生對會聚和發(fā)散的誤解.因為整個實驗過程除了器材提供受限定之外，其他都是開放的,所以學(xué)生的光路不盡相同.本節(jié)課實驗中使用的透鏡也很有講究,鑒于本節(jié)課所有光路圖都需要在紙上繪出,所以實驗室隨處可見的手持透鏡并不適合放置在紙面上,必須使用上下表面均為平面的柱透鏡.實驗操作完后,筆者在引導(dǎo)學(xué)生得出結(jié)論時,從特殊光線入手過渡到非特殊光線,由特殊到一般的思維過程最終使學(xué)生獲得了頓悟,對會聚和發(fā)散作用有了更加深刻和全面的認(rèn)識,使學(xué)生對判斷方法更加游刃有余.除此之外,展示不同小組的圖像還幫助學(xué)生回顧了多次實驗的目的.

活動3:聚焦特殊光線,自學(xué)相關(guān)術(shù)語

師:為了使我們的結(jié)論更加完善,我們再來探究透鏡對特殊光線的作用.在學(xué)案上老師已經(jīng)分別作出了三條平行光線(如圖2),請用剛才實驗的方法將激光筆沿著平行光射向透鏡,觀察并畫出通過兩種透鏡以后的光路(學(xué)生合作實驗、畫圖).

圖2

師:我們來看看大家的光路(展臺展示,回顧透鏡對光路的作用).

師:剛剛我們完成了平行光通過兩種透鏡的特殊光路圖,下面請同學(xué)們利用這兩幅圖,閱讀書本P85,自學(xué)有關(guān)透鏡的名詞.

師:通過剛剛的閱讀,同學(xué)們學(xué)會了哪些知識？

生:主光軸、光心、焦點、焦距.

師:現(xiàn)在右邊也有一束平行光照向凸透鏡,經(jīng)過透鏡光路會怎樣？說明凸透鏡有幾個焦點？凹透鏡有幾個虛焦點？(學(xué)生小組討論,得出答案:平行光照向凸透鏡時會聚到主光軸,凸透鏡有2個焦點,凹透鏡有2個虛焦點.)

設(shè)計目的:人類認(rèn)識世界總是由特殊到一般,再從一般到特殊.在這個半開放的環(huán)節(jié)，筆者由放到收,再次回歸對特殊光線的研究,之所以再次回歸特殊光線并且使用三條平行光,目的是為了和書本上“焦點與焦距”的圖片相匹配,學(xué)生若能通過實驗對此光路了然于心,那么接下來通過閱讀書本，自主學(xué)習(xí)諸如焦點、焦距、光心等術(shù)語便是水到渠成.考慮到前一階段大多數(shù)小組已經(jīng)使用過這種特殊光線,那么這里再次做這個實驗是不是對前面活動的簡單重復(fù)？筆者認(rèn)為并不是,因為在先前的活動中依靠的是學(xué)生主體的自主探究,部分學(xué)生雖然會選擇特殊光線,但他們往往是無意識的,因此在自行摸索的過程中，學(xué)生要做到目的明確、思路清晰、操作得當(dāng)，在一幅圖上畫出這三條平行光并不容易.故筆者決定再次讓全體學(xué)生重溫特殊光線的作圖,為自主學(xué)習(xí)相關(guān)術(shù)語做好準(zhǔn)備.

活動4:熟悉另外兩類特殊光線作圖

師:我們再回過頭來看看剛剛畫的圖,有一條光線非常特殊,大家發(fā)現(xiàn)了嗎？大家猜猜看,這條光線通過哪里？

生:發(fā)現(xiàn)了,通過光心.

師:是不是所有的過光心的光線方向都不變呢？同學(xué)們將光線沿任意方向射向光心試試.(學(xué)生合作實驗,畫圖驗證猜想.)

師:現(xiàn)在,有一束光從凸透鏡、凹透鏡的焦點入射,通過透鏡后光路會怎么樣？

生:平行于主光軸.

設(shè)計目的:特殊光線的作圖是?？贾R點,為了順利過渡到此環(huán)節(jié),筆者在前面的實驗環(huán)節(jié)中埋下了一個伏筆,那就是為何使用三條平行光而非兩條,多的其實就是那條通過光心的光線.待學(xué)生自學(xué)后,筆者便提出問題：在剛才的圖中有一條光線非常特殊,大家發(fā)現(xiàn)了嗎？熟悉術(shù)語以后的學(xué)生稍加觀察便可發(fā)現(xiàn),是過光心的光線,因為通過透鏡時傳播方向不變,而這種不變是偶然還是必然,自然要繼續(xù)實驗的.因此,這一伏筆順利開啟了對過光心的特殊光線的研究.

活動5:總結(jié)辨別透鏡的方法

師:通過前面的學(xué)習(xí),我們發(fā)現(xiàn)凸透鏡和凹透鏡在很多方面存在差異,同學(xué)們現(xiàn)在可以總結(jié)出哪些方法來辨別某一透鏡是凸透鏡還是凹透鏡呢？小組討論，并說說你們方法的優(yōu)點是什么？

生:摸、看、照.

設(shè)計目的:總結(jié)辨別透鏡的方法,在前面學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上,學(xué)生完全可以通過小組討論得出正確答案.

活動6:自學(xué)透鏡對光會聚和發(fā)散的奧秘

師:關(guān)于透鏡對光線的作用是本節(jié)課的重點內(nèi)容,但是關(guān)于會聚和發(fā)散的奧秘其實用我們上一節(jié)的內(nèi)容就可以得到解釋,請各小組閱讀教材,并合作完成學(xué)案的最后兩幅圖,解釋一下透鏡的會聚和發(fā)散作用.(學(xué)生閱讀教材,完成光路.)

設(shè)計目的:將本節(jié)課所學(xué)內(nèi)容與已有認(rèn)知掛鉤,讓學(xué)生在新舊知識的雙向聯(lián)系中將新知識納入到已有的知識結(jié)構(gòu)中,加深對新知識的理解.

3　結(jié)束語

在以往的教學(xué)設(shè)計中,筆者照本宣科、按部就班,實驗不到位，使部分學(xué)生步入誤區(qū),在個別知識點上反復(fù)出錯,而經(jīng)過改進(jìn)后的教學(xué)令學(xué)生學(xué)習(xí)物理概念和規(guī)律的過程順暢了許多,這其中實驗環(huán)節(jié)的處理至關(guān)重要.物理作為一門自然學(xué)科,理論和實驗是它的重要組成部分.實驗是理論的基礎(chǔ),理論則為實驗提供支撐,二者相輔相成.學(xué)生的探究活動雖不及物理學(xué)家的科學(xué)探究,卻也可以對物理知識的學(xué)習(xí)起到良好的作用，在教學(xué)過程中,學(xué)生對物理實驗總是保有激情.作為教師,我們當(dāng)以此為立足點,抓好實驗教學(xué),幫助學(xué)生形成清晰的物理概念,準(zhǔn)確掌握物理規(guī)律.

[1] 許國梁.中學(xué)物理教學(xué)法[M].北京:高等教育出版社,1993.

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