游天下

(慈溪市庵東實(shí)驗(yàn)學(xué)校 浙江 寧波 315300)

凸透鏡成像實(shí)驗(yàn)和小孔成像實(shí)驗(yàn)是初中光學(xué)非常重要的實(shí)驗(yàn).教學(xué)中，教師通常較注重通過實(shí)驗(yàn)得出成像規(guī)律，進(jìn)而讓學(xué)生掌握對成像規(guī)律的應(yīng)用，忽視對所觀察到的像的特征準(zhǔn)確描述和分析.本文通過分析2020年寧波市中考科學(xué)第10題獲得啟示，反思教學(xué)行為，解讀教材中的部分表述.

1 試題呈現(xiàn)與分析

1.1 試題呈現(xiàn)

【例1】在“探究凸透鏡的成像特點(diǎn)”實(shí)驗(yàn)中，所用凸透鏡的焦距為10 cm，光屏是用表面涂有白漆的鐵板制成.小科把“F”發(fā)光物置于離凸透鏡13 cm處，移動(dòng)光屏，在光屏上找到清晰的像，如圖1所示.小科看到光屏上像的形狀和大小分別是( )

圖1 探究凸透鏡的成像特點(diǎn)實(shí)驗(yàn)裝置

1.2 試題分析

根據(jù)題中透鏡的焦距、物距大小，可知此時(shí)發(fā)光體“F”所成像的性質(zhì)是倒立、放大的實(shí)像.由上述分析，90%以上的學(xué)生選擇選項(xiàng)B，簡單地將“F”倒立觀察，得到選項(xiàng)B，學(xué)生認(rèn)為看到的像的特征就是所成像的性質(zhì).兩“像”是否可以完全等同呢？這顯然是不對的，對于像的性質(zhì)判斷本身沒有問題，但沒有注意到實(shí)際觀察方位不同，所觀察到的像的形狀可能不同，按照圖中視線方向觀察到的像應(yīng)該是選項(xiàng)A的形狀，且像放大，該題錯(cuò)誤率非常高.觀察“F”發(fā)光體的視線是在“F”光源的右側(cè)，那么正確觀察其“像”應(yīng)該也要從光屏的右側(cè).試題有兩處限定了觀察的視角，一是光屏是用鐵板制成的，無法透光，不能從光屏右側(cè)進(jìn)行觀察，二是圖中對眼睛觀察的視線做了明確標(biāo)注.而遺憾的是，這些都沒有成為很多學(xué)生進(jìn)行試題分析的有效信息，簡單地套用成像規(guī)律，陷入解題誤區(qū).試題重視對實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程的考查，注重考查教師在教學(xué)過程中，對實(shí)驗(yàn)的觀察進(jìn)行指導(dǎo)，還原了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的真實(shí)性，弱化了實(shí)驗(yàn)結(jié)論在實(shí)驗(yàn)過程中的導(dǎo)向作用.試題對指導(dǎo)教師平時(shí)教學(xué)行為有積極的意義，要告別題海戰(zhàn)術(shù)，提高實(shí)驗(yàn)效率，發(fā)揮實(shí)驗(yàn)教學(xué)的應(yīng)有價(jià)值.

2 凸透鏡成像實(shí)驗(yàn)教學(xué)

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

在傳統(tǒng)的教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)?zāi)康闹饕峭ㄟ^實(shí)驗(yàn)得出物距、焦距、像距的大小關(guān)系對成像性質(zhì)的影響，得出成像規(guī)律.在該目的指引下，一般更多的會(huì)從像的正倒、大小、虛實(shí)來探究所成像的性質(zhì)規(guī)律，較少通過實(shí)驗(yàn)來比較像與物的左右特點(diǎn).不重視學(xué)生對實(shí)驗(yàn)過程的發(fā)現(xiàn)，對學(xué)生的觀察缺少指導(dǎo).實(shí)驗(yàn)?zāi)康牟荒軆H定位在得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，還應(yīng)關(guān)注學(xué)生觀察、實(shí)驗(yàn)技能的提高以及方法的獲得，關(guān)注學(xué)生交流合作與傾聽，實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖欠駵?zhǔn)確完善，將直接影響教師對后續(xù)實(shí)驗(yàn)的引導(dǎo)，關(guān)乎實(shí)驗(yàn)的成效.因該內(nèi)容教學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)?zāi)康膯我?，學(xué)生遇到上述問題時(shí)，只會(huì)用結(jié)論去解釋現(xiàn)象，而不能根據(jù)具體情況進(jìn)行具體分析.

2.2 實(shí)驗(yàn)器材

在科技的推動(dòng)下，實(shí)驗(yàn)光源逐漸由蠟燭向LED燈轉(zhuǎn)變.用點(diǎn)燃的蠟燭作為光源時(shí)，像的正倒易于觀察，像與物的大小關(guān)系也較好判斷，但無法準(zhǔn)確比較，不便于比較像與物的左右特點(diǎn).隨著科技的發(fā)展，LED燈在生活中被普及，也走進(jìn)了實(shí)驗(yàn)課堂.上述試題中的“F”發(fā)光體，目前在凸透鏡成像實(shí)驗(yàn)中被廣泛使用，相較于燭焰有以下優(yōu)點(diǎn)：安全；光源穩(wěn)定，不易受氣流的影響；成像清晰，普通光屏兩側(cè)都容易觀察；能準(zhǔn)確地比較像與物的大小關(guān)系；方便觀察像與物的左右特點(diǎn).傳統(tǒng)的燭焰光源，光亮度弱，只有一側(cè)光屏觀察到的像較為清晰，像的左右特點(diǎn)不易比較，這也是造成上述問題難以解決的原因之一.

實(shí)驗(yàn)中的光屏一般選擇白屏，有一定的厚度，透光性不高，如果限于實(shí)驗(yàn)條件，用燭焰作為光源時(shí)，面對凸透鏡一側(cè)成像清晰度明顯高于背對凸透鏡一側(cè).長期的實(shí)驗(yàn)基本上都是從面對凸透鏡一側(cè)的光屏面觀察像.幾乎很少會(huì)有學(xué)生從另一側(cè)光屏面觀察物像，這是人們利用感官觀察的本能反應(yīng).在教學(xué)中，如果能利用半透明的薄紙作為光屏，為學(xué)生提供多種光屏進(jìn)行選擇，或許學(xué)生能夠發(fā)現(xiàn)，觀察方位的差異會(huì)影響所看到像的形狀.這體現(xiàn)了STEM理念中的器材選擇原則，不同的器材，在同一實(shí)驗(yàn)中有不同的作用，多比較各自的特點(diǎn)，多嘗試，能呈現(xiàn)不同的實(shí)驗(yàn)效果，衍生更多的實(shí)驗(yàn)問題進(jìn)行探討[1].上述試題，學(xué)生出錯(cuò)率高，最主要的原因是教師教學(xué)時(shí)缺少對學(xué)生觀察的指導(dǎo)，教師沒有啟發(fā)學(xué)生用多種光屏進(jìn)行觀察比較，從而錯(cuò)過了該有的實(shí)驗(yàn)經(jīng)歷.由此可見，教師自身對實(shí)驗(yàn)的解讀尤為重要，實(shí)驗(yàn)效果定位的層次不同，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中的收獲就有較大的差異.

透鏡的選擇也很重要，一個(gè)裝滿水的圓柱體水杯是一個(gè)凸透鏡，水銀體溫計(jì)的玻璃體也是一個(gè)凸透鏡，近些年這些特殊的凸透鏡在教材、在試題中出現(xiàn)的頻率增加，學(xué)生對這些情境的分析存在較大的困難.教師在教學(xué)中，幫助學(xué)生理解了常規(guī)的凸透鏡，但沒有對凸透鏡概念進(jìn)一步細(xì)化，缺少用多種凸透鏡讓學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)體會(huì)，因此學(xué)生在分析這些問題情境時(shí)遇到了不小的困難.

2.3 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)論

實(shí)驗(yàn)時(shí)，教師心中對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象有確定性和不確定性，教師往往會(huì)根據(jù)自己已有的結(jié)論引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注該有的確定性的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.對不確定的、偶發(fā)的現(xiàn)象，常沒有預(yù)設(shè)，也不引起重視，長此以往學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題的能力大大減弱.這種只觀察接近結(jié)論的現(xiàn)象在現(xiàn)實(shí)教學(xué)中很多，但直接影響學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題的能力、質(zhì)疑的精神.如上述試題，教師若能在實(shí)驗(yàn)器材的準(zhǔn)備上給予學(xué)生更多的選擇，指引更多的觀察方式，表達(dá)更多的觀察發(fā)現(xiàn)，學(xué)生的思維則會(huì)更靈動(dòng).課標(biāo)中明確指出，在獲取事實(shí)與證據(jù)的過程中，要求學(xué)生能進(jìn)行一系列的觀察、比較和測量[2].這里強(qiáng)調(diào)學(xué)生發(fā)現(xiàn)的多樣化、教師評價(jià)的多元化.鼓勵(lì)、肯定學(xué)生的發(fā)現(xiàn)，注重學(xué)生探究意識(shí)和探究能力的發(fā)展.在表達(dá)與交流過程中，交換意見，得出的結(jié)論會(huì)更有價(jià)值.

3 小孔成像實(shí)驗(yàn)教學(xué)

3.1 試題比較與分析

3.1.1 試題比較

上述中考試題的實(shí)驗(yàn)裝置，若將凸透鏡換成小孔，亦可開展小孔成像的性質(zhì)觀察，如圖2所示為實(shí)驗(yàn)效果圖.

圖2 探究小孔成像的特點(diǎn)

由圖可知，從靠近小孔一側(cè)的光屏面觀察到的物像，其左右特征與物體相同.因此，上述凸透鏡成像實(shí)驗(yàn)的注意事項(xiàng)，在做小孔成像實(shí)驗(yàn)時(shí)也同樣要引起重視.如不加以重視，學(xué)生還是會(huì)對觀察物像一知半解.如下試題學(xué)生也同樣存在較大的困惑.

【例2】如圖3所示為小明同學(xué)用易拉罐自制的小孔成像儀，下列說法正確的是( )

圖3 用易拉罐自制小孔成像儀

A.半透明紙上的像形狀與小孔形狀有關(guān)

B.要使半透明紙上的像變大只能將紙筒相對于易拉罐向右移動(dòng)才能實(shí)現(xiàn)

C.若用不透明硬紙板替代半透明紙則AB物體仍然可以通過小孔成像

D.物體AB通過小孔成的像上下倒立，左右不倒立

3.1.2 試題分析

試題正確答案是選項(xiàng)C.但筆者通過測試統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)班級80位學(xué)生，做對的學(xué)生僅有2人，遠(yuǎn)低于隨機(jī)選擇概率.從中說明幾乎所有學(xué)生認(rèn)為選項(xiàng)C是錯(cuò)誤的，在與學(xué)生交流時(shí)發(fā)現(xiàn)，他們認(rèn)為“半透明紙是透光的，能看到像，硬紙板不透光沒有像”.將能否成像與能否在一側(cè)看到像相混淆.學(xué)生之所以會(huì)出現(xiàn)這種判斷，和筆者當(dāng)初對該實(shí)驗(yàn)教學(xué)的引導(dǎo)、對實(shí)驗(yàn)問題的分析有很大的關(guān)系.通過該例，反思教學(xué)行為，依然存在實(shí)驗(yàn)?zāi)康牟幻鞔_、實(shí)驗(yàn)器材不豐富、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)論指向過于明確這些問題.如實(shí)驗(yàn)器材，該實(shí)驗(yàn)是華師大版科學(xué)教材提供的實(shí)驗(yàn)裝置原型，用半透明的紙作為光屏，利用半透明紙的透光性，在背對小孔一側(cè)的光屏上觀察像，能讓觀察到像的形狀與所成像的性質(zhì)相吻合.如果用如圖2的裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，則可以從光屏兩側(cè)觀察像的形狀，方便比較物距變化、像距變化引起像的大小及亮度變化，通過移動(dòng)光源來觀察像的移動(dòng)特點(diǎn)也較方便.因此，該例雖考查內(nèi)容與例1中考試題不同，學(xué)生對試題的反應(yīng)是類似的，學(xué)生出錯(cuò)的根源是相似的.

3.2 教材分析

華師大版科學(xué)教材七年級下冊第三章第2節(jié)“陽光的傳播”，其中介紹沈括與《夢溪筆談》時(shí)，采用了如圖4所示插圖，并配有如下一段文字，“若鳶飛空中，其影隨鳶而移，或中間為窗隙所束，則影與鳶遂相違；鳶東則影西，鳶西則影東，又如窗隙中樓塔之影，中間為窗所束，亦皆倒垂……”史料記載了鳶的影子以及鳶和樓塔通過窗戶小孔所成的像的特點(diǎn)[3].根據(jù)上述分析，如果把地面作為光屏，那么教材中畫出的鳶的像是有問題的，像的左右應(yīng)該與物一致，上下顛倒.只有通過背對小孔一側(cè)的光屏面觀察像，才會(huì)呈現(xiàn)圖4中鳶的像.若經(jīng)歷上述的實(shí)驗(yàn)探究，可以讓學(xué)生猜測一下，按照教材的作圖，沈括應(yīng)該如何用光屏來觀察物體的像.

圖4 教材中介紹沈括與《林溪筆談》插圖

4 結(jié)束語

成像存在規(guī)律，通過實(shí)驗(yàn)來認(rèn)識(shí)這種規(guī)律不再是教學(xué)的唯一難點(diǎn)和增長點(diǎn).實(shí)驗(yàn)的功效絕非只是得出某一結(jié)論或某一規(guī)律，而應(yīng)認(rèn)識(shí)到實(shí)驗(yàn)對學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題能力的培養(yǎng).上述對于像的觀察，觀察到像的形狀不一定就是所成像的性質(zhì)，觀察方位對所看到像的形狀有直接的影響.凸透鏡成像實(shí)驗(yàn)和小孔成像實(shí)驗(yàn)在教材中雖獨(dú)立呈現(xiàn)，但在實(shí)驗(yàn)的目的、器材的選擇等方面卻有很多相通之處.教學(xué)中進(jìn)行相互比較借鑒，可優(yōu)化實(shí)驗(yàn)的成效，可使學(xué)生更深刻地理解成像與觀察到的像的本質(zhì)問題.