游天下

(慈溪市庵東實驗學(xué)校 浙江 寧波 315300)

凸透鏡成像實驗和小孔成像實驗是初中光學(xué)非常重要的實驗.教學(xué)中，教師通常較注重通過實驗得出成像規(guī)律，進而讓學(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”實驗中，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實驗裝置

1.2 試題分析

根據(jù)題中透鏡的焦距、物距大小，可知此時發(fā)光體“F”所成像的性質(zhì)是倒立、放大的實像.由上述分析，90%以上的學(xué)生選擇選項B，簡單地將“F”倒立觀察，得到選項B，學(xué)生認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A的形狀，且像放大，該題錯誤率非常高.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).試題重視對實際實驗過程的考查，注重考查教師在教學(xué)過程中，對實驗的觀察進行指導(dǎo)，還原了實驗現(xiàn)象的真實性，弱化了實驗結(jié)論在實驗過程中的導(dǎo)向作用.試題對指導(dǎo)教師平時教學(xué)行為有積極的意義，要告別題海戰(zhàn)術(shù)，提高實驗效率，發(fā)揮實驗教學(xué)的應(yīng)有價值.

2 凸透鏡成像實驗教學(xué)

2.1 實驗?zāi)康?/h3>

在傳統(tǒng)的教學(xué)中，實驗?zāi)康闹饕峭ㄟ^實驗得出物距、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，一般更多的會從像的正倒、大小、虛實來探究所成像的性質(zhì)規(guī)律，較少通過實驗來比較像與物的左右特點.不重視學(xué)生對實驗過程的發(fā)現(xiàn)，對學(xué)生的觀察缺少指導(dǎo).實驗?zāi)康牟荒軆H定位在得出實驗結(jié)論，還應(yīng)關(guān)注學(xué)生觀察、實驗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，實驗?zāi)康氖欠駵?zhǔn)確完善，將直接影響教師對后續(xù)實驗的引導(dǎo)，關(guān)乎實驗的成效.因該內(nèi)容教學(xué)時實驗?zāi)康膯我?，學(xué)生遇到上述問題時，只會用結(jié)論去解釋現(xiàn)象，而不能根據(jù)具體情況進行具體分析.

2.2 實驗器材

在科技的推動下，實驗光源逐漸由蠟燭向LED燈轉(zhuǎn)變.用點燃的蠟燭作為光源時，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.隨著科技的發(fā)展，LED燈在生活中被普及，也走進了實驗課堂.上述試題中的“F”發(fā)光體，目前在凸透鏡成像實驗中被廣泛使用，相較于燭焰有以下優(yōu)點：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.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，像的左右特點不易比較，這也是造成上述問題難以解決的原因之一.

實驗中的光屏一般選擇白屏，有一定的厚度，透光性不高，如果限于實驗條件，用燭焰作為光源時，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).長期的實驗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)生提供多種光屏進行選擇，或許學(xué)生能夠發(fā)現(xiàn)，觀察方位的差異會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，在同一實驗中有不同的作用，多比較各自的特點，多嘗試，能呈現(xiàn)不同的實驗效果，衍生更多的實驗問題進行探討[1].上述試題，學(xué)生出錯率高，最主要的原因是教師教學(xué)時缺少對學(xué)生觀察的指導(dǎo)，教師沒有啟發(fā)學(xué)生用多種光屏進行觀察比較，從而錯過了該有的實驗經(jīng)歷.由此可見，教師自身對實驗的解讀尤為重要，實驗效果定位的層次不同，學(xué)生在實驗中的收獲就有較大的差異.

透鏡的選擇也很重要，一個裝滿水的圓柱體水杯是一個凸透鏡，水銀體溫計的玻璃體也是一個凸透鏡，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一步細化，缺少用多種凸透鏡讓學(xué)生進行實驗體會，因此學(xué)生在分析這些問題情境時遇到了不小的困難.

2.3 實驗現(xiàn)象與結(jié)論

實驗時，教師心中對實驗現(xiàn)象有確定性和不確定性，教師往往會根據(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驗現(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，教師若能在實驗器材的準(zhǔn)備上給予學(xué)生更多的選擇，指引更多的觀察方式，表達更多的觀察發(fā)現(xiàn)，學(xué)生的思維則會更靈動.課標(biāo)中明確指出，在獲取事實與證據(jù)的過程中，要求學(xué)生能進行一系列的觀察、比較和測量[2].這里強調(diào)學(xué)生發(fā)現(xiàn)的多樣化、教師評價的多元化.鼓勵、肯定學(xué)生的發(fā)現(xiàn)，注重學(xué)生探究意識和探究能力的發(fā)展.在表達與交流過程中，交換意見，得出的結(jié)論會更有價值.

3 小孔成像實驗教學(xué)

3.1 試題比較與分析

3.1.1 試題比較

上述中考試題的實驗裝置，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所示為實驗效果圖.

圖2 探究小孔成像的特點

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，上述凸透鏡成像實驗的注意事項，在做小孔成像實驗時也同樣要引起重視.如不加以重視，學(xué)生還是會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才能實現(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C.但筆者通過測試統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，兩個班級80位學(xué)生，做對的學(xué)生僅有2人，遠低于隨機選擇概率.從中說明幾乎所有學(xué)生認為選項C是錯誤的，在與學(xué)生交流時發(fā)現(xiàn)，他們認為“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)生之所以會出現(xiàn)這種判斷，和筆者當(dāng)初對該實驗教學(xué)的引導(dǎo)、對實驗問題的分析有很大的關(guān)系.通過該例，反思教學(xué)行為，依然存在實驗?zāi)康牟幻鞔_、實驗器材不豐富、實驗現(xiàn)象與結(jié)論指向過于明確這些問題.如實驗器材，該實驗是華師大版科學(xué)教材提供的實驗裝置原型，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的裝置進行實驗，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，通過移動光源來觀察像的移動特點也較方便.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，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[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，才會呈現(xiàn)圖4中鳶的像.若經(jīng)歷上述的實驗探究，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，通過實驗來認識這種規(guī)律不再是教學(xué)的唯一難點和增長點.實驗的功效絕非只是得出某一結(jié)論或某一規(guī)律，而應(yīng)認識到實驗對學(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.凸透鏡成像實驗和小孔成像實驗在教材中雖獨立呈現(xiàn)，但在實驗的目的、器材的選擇等方面卻有很多相通之處.教學(xué)中進行相互比較借鑒，可優(yōu)化實驗的成效，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.