徐兵田

摘要：結合學生在自主“探究凸透鏡成像規(guī)律”實驗中遇到的困惑，對該實驗器材進行改進與創(chuàng)新，改進后的器材不但可以讓學生直接觀察到透鏡對光的偏折，還能定量測出凸透鏡焦距的大小，為學生定性分析成像規(guī)律打下基礎.成像光源歷來頗受教師的爭議，通過對比和測試，在課堂實踐中逐步進行設計創(chuàng)新，用面光源取代傳統(tǒng)的光源，成像的清晰度進一步提高，讓學生對“最清晰”的像有了直觀的對比和感受，解決了學生的疑惑，也讓科學探究過程更加符合學生的實際認知水平.實驗教學中學生廣泛參與并引發(fā)的討論和質(zhì)疑，需要引起教師足夠的專業(yè)分析和深入思考，這也是實驗改進的重要契機.

關鍵詞：學生質(zhì)疑；實驗改進創(chuàng)新；科學探究；物理教師；職業(yè)敏感

實驗教學是物理教學的重要組成部分，是落實物理課程目標，全面提高學生科學素養(yǎng)的重要途徑[1].實驗也是科學探究的重要方式之一，在實驗探究時，學生先觀察到生活或課堂展示中的物理現(xiàn)象并引發(fā)各種猜想，通過學習小組內(nèi)的交流與討論形成統(tǒng)一認識，然后共同設計出可行的實驗方案，接著利用身邊的實驗器材在合作中親自動手操作，探究他們的猜想.這一探究過程是“時代精神的反映，是以培養(yǎng)創(chuàng)新精神和實踐能力為核心的素質(zhì)教育的必然要求”[2].這就要求物理教師必須開展好實驗探究的教學活動，更要深入學生中間體驗探究活動的有效性和可操作性，對于現(xiàn)象模糊、探究規(guī)律難以發(fā)現(xiàn)的實驗，要及時的改進或創(chuàng)新，讓孩子在科學的實驗氛圍內(nèi)逐漸體驗探索的樂趣，激發(fā)他們熱愛科學、勇于探索的精神，這也是通過物理學科教學提升學生核心素養(yǎng)的重要途徑.

學生的科學探究過程雖然中心在學生，在于學生的互動和交往，但教師的幫助和引導作用顯然不可或缺.教師要根據(jù)學校條件向?qū)W生提供必要的實驗器材，學校的實驗器材多統(tǒng)一配定，每屆學生可重復使用，器材雖比較簡陋，但這并不是影響實驗效果的因素.麥克斯韋也曾說：“實驗的教育價值，往往與儀器的復雜性成反比[3]”物理教師的專業(yè)素養(yǎng)和應具備的職業(yè)敏感提醒我們：“應時刻關注學生的學習過程，反思他們的參與狀態(tài)、交流狀態(tài)、達成狀態(tài)等，關注所使用的方法、手段及達到的效果，捕捉教學中的靈感[4]”顯然，在實際教學過程中，教師對探究活動的幫助，不能僅限于知識、方法層面的引領，更要為學生提供有明顯實驗效果的器材，讓現(xiàn)象背后的規(guī)律有跡可尋，避免形成似是而非的印象結論，同時，粗放式的探究過程也容易讓學生陷入乏味和無趣的模仿狀態(tài)，不利于中學生學科素養(yǎng)的形成.

八年級物理《探究凸透鏡成像規(guī)律》是整個初中光學的重點內(nèi)容.教材對這部分知識的安排，是從簡單的光沿直線傳播現(xiàn)象逐漸過渡到較復雜的光折射現(xiàn)象，其中光的折射部分是光學的重點和難點，而對凸透鏡成像規(guī)律的探究，可以讓學生充分認識透鏡對光的偏折作用產(chǎn)生的各種“像”，初步認識現(xiàn)代光學設備成像的原理.對接觸物理學科時間并不長的學生來說，讓其經(jīng)歷“探究凸透鏡成像規(guī)律”的過程，特別是清晰地看到相應的實驗現(xiàn)象并發(fā)現(xiàn)成像的特點，能極大的提高他們對物理學科的學習興趣，拓展他們利用科學的方法認識自然現(xiàn)象的能力.

筆者發(fā)現(xiàn)，實際教學時學生的本次探究活動達成情況很不理想，很多學生（駐城學校，生源為劃片招生）反映成像規(guī)律很難發(fā)現(xiàn)，尤其是物距與焦距關系對像的大小、虛實的影響，小組間的爭議比較大，通過評估交流形成的實驗結論多采用“拿來主義”，即采納教材輔助資料的內(nèi)容進行描述.在隨堂與學生交流時，學生普遍質(zhì)疑兩個問題：一是實驗提供的凸透鏡焦距準確嗎？二是根本找不到“最清晰”的像，像的輪廓都比較模糊，實驗過程感覺很迷茫.這種情況一些一線教師的反映是“實施起來太亂了，不可行”[5].出于物理教育的職業(yè)敏感，筆者對學生實驗的現(xiàn)場進行了親身體驗，并從中發(fā)現(xiàn)了造成這種現(xiàn)象的原因：

一是在探究的過程中，我們提供給學生器材的光源部分，多為蠟燭或普通電光源，由于它們大都體形較大，光源本身的體積對物距產(chǎn)生明顯的誤差，學生在實驗探究過程中對物距和像的關系判斷就非常不準確.

二是實際教學中無法直接看到透鏡折射的光路，透鏡對光的偏折作用在多以配套圖片的方式呈現(xiàn)給學生，這就給學生理解成像的特點帶來了先期的認知障礙.

面對學生的質(zhì)疑和困惑，讓學生生硬的記住規(guī)律內(nèi)容，雖然對物理知識測試成績沒有影響，但會打擊學生今后學習物理的積極性，讓他們在知識生搬硬套中失去了探索的趣味.實際上，學生在物理課堂上能反饋出問題，恰恰說明他們在學習活動中迸發(fā)出思維的閃光點，這是物理教師應該珍視的重要教學契機.正是基于這樣的認識，筆者開始著手對實驗進行改進.首先要突破實驗器材的兩大難關，先解決透鏡對光的偏折光路直接顯示問題，最好能通過器材的創(chuàng)新在實驗過程中測量出透鏡的焦距，因為通過焦距的測量能讓學生進一步了解透鏡對光的作用，也為后面的探究活動打下基礎；其次要解決傳統(tǒng)光源在實驗探究過程中最清晰的像不易判斷、物距難以測量的問題.

對于第一個難關的攻克，先后試驗了各種能顯示光路的環(huán)境，包括讓激光光速穿過人造煙霧、水霧的空間等，但這些方式只能短時間呈現(xiàn)明顯的效果，各種霧汽的產(chǎn)生局限性太大，無法長時間讓學生觀察到清晰的光路，更不方便大量學生在實驗室中自由操作探究，也無法將透鏡放置于相應的空間進行焦距的測量.由于不能達到理想的效果，已經(jīng)做好的模型先后被淘汰了.筆者發(fā)現(xiàn)激光照射到白色面板上可以清晰的把光路顯示出來.于是又重新調(diào)整了思路，讓光路的顯示不借助那些難以持久的煙、霧來顯現(xiàn)，而是讓其在類似光屏的白色面板上呈現(xiàn)出來，這樣制作簡單、方便，也利于學生操作.最終用三支小型激光頭和白色的PVC板完成了光路演示儀的制作，通過對凸透鏡、凹透鏡的光路演示，效果非常清晰持久.由于PVC板可以輕松的切割成各種需要的形狀，還在光路通道上設計了缺口，這樣就可以把透鏡“安放”在儀器中，非常方便準確地測量透鏡的焦距.通過課堂展示與使用，學生對該器材所達到的效果非常滿意.對于第二個難關的攻克，先把傳統(tǒng)光源中的蠟燭淘汰，因為它的穩(wěn)定性、安全性很差，非常不適合在實驗室中使用.那么怎樣改進電光源呢？據(jù)相關資料，現(xiàn)在普遍認為比較好的是采用LED制作電光源，但它的缺點在實驗中也比較明顯，因為每個LED都可以看成單個光源，將多個LED焊接在一起時，這多個小光源的成像清晰程度并不一致，成像的顆粒感較強，成像的輪廓也非常模糊.通過分析發(fā)現(xiàn)，如果能將光源改成邊界明確的面光源，效果會比較理想.嘗試了用不同的透光材料來覆蓋發(fā)光的LED形成面光源，效果均不理想.通過不斷地實驗和對比不同種材料，最終試驗發(fā)現(xiàn)用紅色的聚光型LED做為發(fā)光光源，同時用紅色的薄透光板做為覆蓋面，這兩者搭配起來制作的面光源，光的強度適合形成清晰的像.這是因為紅色聚光型的發(fā)光二極管在發(fā)光時，可以很好地透過紅色透光膜，這樣可以保證成像的亮度和清晰度.在接下來實驗室中進行實際實驗檢測時也取得了意想不到的良好效果.改進之后的光源，不僅可以讓學生看到最清晰的像，由于面光源到透鏡的距離非常明確，學生在實驗過程中探究像隨物距的變化規(guī)律時也更輕松、合理、科學.endprint

通過對實驗器材的重新設計和創(chuàng)新，邀請物理組的老師們參與到學生的探究實驗中，讓他們從學生的角度動手操作實驗器材并參與到探究活動中，通過諸多老師的親手檢驗和現(xiàn)場體會，他們普遍給予了高度的認可與肯定.通過在本校八年級范圍內(nèi)進行教學實踐，物理老師也再次深入課堂，觀察并教研實驗現(xiàn)象、實驗結論及學生使用時的感受，這些實地的教研活動，已經(jīng)達成了幾點共識：

首先是通過實驗教學反饋，學生對透鏡偏折作用的認識普遍有了深刻的提升，在他們腦海中的疑惑得到了解決.學生在學習完光的色散后，雖然能通過彩色光帶發(fā)現(xiàn)光的偏折現(xiàn)象，但光路到底是怎樣傳播的并不能形成清晰印象.把制作的光路演示儀提供給學生之后，他們很快就知道這件簡單、易操作的器材的使用方法，通過學生將凸透鏡、凹透鏡放置在光路演示儀上對光的顯示，學生對光的偏折作用的認識普遍有了直觀而深刻的提升，困擾在他們腦海中的疑問得到了解決.通過教師課上的引領，讓各小組測量出本組所用凸透鏡的焦距，然后通過匯報展示，學生明確了不同凸透鏡焦距的差別，同時由于各小組的透鏡參數(shù)（焦距）不同，學生在分小組進行實驗時具普遍意義，在這之前探究時多采用一種或兩種規(guī)格的透鏡，這顯然對實驗結論的普適性有較大的弊端.隨堂由學生測出焦距后，再進行成像規(guī)律的探究時直接采用該數(shù)據(jù)即可.各小組用自己測量的透鏡焦距，也讓學生感受到科學探究的嚴謹性，消除了他們對老師直接提供數(shù)據(jù)的疑慮.

其次是學生更加尊重實驗事實.通過實際的測量發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)實驗室所配制的各種規(guī)格透鏡，他們的焦距數(shù)據(jù)多不準確，這也是讓學生在課堂上用直接測量的焦距進行實驗的重要原因.即，要讓學生尊重實驗數(shù)據(jù)、尊重實驗事實.在探究具體的實驗規(guī)律時，發(fā)現(xiàn)孩子得益于實像有非常高的清晰度，他們在課上對所觀察到的現(xiàn)象非常興奮，課堂的探究氛圍非常濃厚，在發(fā)現(xiàn)隨著物距的變化光屏上清晰的實像也隨之改變后，學生很容易尋找到具體的幾個關鍵節(jié)點：物距在何范圍是放大或縮小的實像，在何處是等大的實像，與之對應的光屏應該移到何處等.當然，由于虛像的呈現(xiàn)不在光屏上，教師仍需要適時的引導學生去分析，這并不影響實驗改進后的效果.

重要的是，學生實驗探究的興趣點被激活.凸透鏡成像實驗的探究，是一個拓展性、趣味性很強的實驗，由于實驗現(xiàn)象與生活中的很多光學設備相關聯(lián)，在本實驗中要借助改進后的教學設計充分挖掘知識的深層價值.我通過課堂觀察發(fā)現(xiàn)，孩子在探究中有時看似無意的舉動，其實都可以成為激活他們探究熱情的興趣點.由于我們設計的面光源在點亮時造型比較奇特，學生在實驗中不經(jīng)意地要用手摸一摸，碰一碰，這也反映了中學生活潑好動的特點，但這個小動作完全可以借助新設計引發(fā)新的知識拓展：如果用手遮住面光源的一部分，剩余的光源在透鏡中的成像會怎樣變化？這樣適時的引導，實驗改進的效果就會被進一步放大和充實.因為在新改進后的實驗設計中，面光源具備可以被任意遮擋的優(yōu)勢，在用手或紙直接遮擋部分面光源時，要突出拓展幾個問題：面光源被擋住部分后你還能在光屏上看到完整

的像嗎？前后的觀察有無區(qū)別？這些問題顯然提升了思考的空間和深度，有利于對學生進行有價值的拓展和思維訓練.

改進與創(chuàng)新的成果能普及更多的實驗課堂.參與課堂檢驗的老師們普遍認為該實驗設計基本上解決了凸透鏡成像實驗教學的缺陷，在保證學生實驗良好的效果基礎上，新器材設計也更加環(huán)保，成本低廉，有利于大面積推廣使用.在山東省第九屆優(yōu)秀實驗器材展評活動中，這套實驗器材受到各位專家的好評并榮獲一等獎，榮譽雖然是對教師付出的有效回報，但對教師來說，不斷促進學生的成長與發(fā)展，永遠是教學、教研工作不變的主題.

當然，作為教學一線的物理老師，在教學中要不斷地思考孩子學習的環(huán)境，特別是學生的動手操作、創(chuàng)新意識是否能在這樣的環(huán)境中得到培養(yǎng)和提高.這就要求教師不能僅限于教材或?qū)W校實驗室提供了怎樣的實驗條件，更關鍵的是要把學生的質(zhì)疑和困惑看成是教學工作的一部分，在工作中不斷摸索和改進，把這些改進放在課堂中、學生的體驗中進行實踐與檢驗，真正幫助學生解決現(xiàn)實問題，這是每一位物理教師都應該具備的職業(yè)素養(yǎng).

參考文獻：

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