顧永健

（蘇州工業(yè)園區(qū)星澄學(xué)校，江蘇 蘇州 215122）

探究“凸透鏡成像規(guī)律”是初中生學(xué)習(xí)的難點(diǎn).傳統(tǒng)課堂中，有的教師講一步、學(xué)生做一步，將探究實(shí)驗(yàn)變成了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，學(xué)生被動(dòng)地“獲得”了規(guī)律；有的教師前期準(zhǔn)備不足，中途不斷給學(xué)生的探究按下“暫停鍵”，最終出現(xiàn)規(guī)律的“強(qiáng)推硬塞”現(xiàn)象.如何讓探究真實(shí)、暢快地進(jìn)行，是初中教師一直關(guān)注的問(wèn)題.

布魯納的“發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)”是讓學(xué)生通過(guò)自己發(fā)現(xiàn)知識(shí)形成的過(guò)程，以獲取知識(shí)并發(fā)展探究思維的學(xué)習(xí)方式.其基本過(guò)程是，學(xué)生從各種特殊事例歸納出結(jié)論，并用之來(lái)解決新問(wèn)題.在“發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)”中，學(xué)生的主要任務(wù)不是接受和記住現(xiàn)成的知識(shí)，而是參與知識(shí)的發(fā)現(xiàn)過(guò)程；教師的任務(wù)也不是向?qū)W生傳授現(xiàn)成的知識(shí)，而是為學(xué)生發(fā)現(xiàn)知識(shí)創(chuàng)造條件和提供幫助.基于“發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)”的“凸透鏡成像規(guī)律”課堂實(shí)踐，引導(dǎo)學(xué)生層層深入，從“初探”“再探”到 “精探”，學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象中隱藏的規(guī)律，有效地突破了教學(xué)的難點(diǎn).

1 教學(xué)過(guò)程

1.1 初探：凸透鏡能成不同的像

活動(dòng)1.出示一塊平面鏡，平面鏡能成什么樣的像？你在平面鏡的哪側(cè)去觀察到它成的像？為什么？

活動(dòng)2.出示一塊大凸透鏡，放在教師的手指前，透過(guò)透鏡會(huì)看到怎樣的一個(gè)像？——正立放大的像.

光線經(jīng)過(guò)凸透鏡發(fā)生偏折形成了像，與光的反射不同，如果要看像，則應(yīng)該在光線透過(guò)透鏡的一側(cè)去找.

活動(dòng)3.透過(guò)透鏡看遠(yuǎn)處的物體，發(fā)現(xiàn)了什么？——倒立縮小的像.

教師將只能由少數(shù)幾個(gè)學(xué)生觀察的現(xiàn)象，呈現(xiàn)在光屏上——倒立縮小的實(shí)像.

在上述活動(dòng)的基礎(chǔ)上，學(xué)生討論、解決以下問(wèn)題.

（1）同一個(gè)凸透鏡，成像不同的原因可能是什么？

（2）如果改變物距，是不是還可以找到更多不同特點(diǎn)的像？

教學(xué)意圖：“發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)”要充分利用學(xué)生已有的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn).在學(xué)生學(xué)習(xí)凸透鏡成像規(guī)律之前，他們已學(xué)習(xí)了平面鏡成像、凸透鏡對(duì)光的作用等知識(shí)，有使用放大鏡觀察物體的經(jīng)驗(yàn)等.這些都是進(jìn)行“發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)”的基礎(chǔ).從平面鏡成像到凸透鏡成像，讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)了更多不一樣的像，很順利地引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行了猜想.針對(duì)凸透鏡成像規(guī)律的復(fù)雜性、物理名稱的多樣性，在教學(xué)中通過(guò)光屏接收，自然地引出了“倒立縮小的實(shí)像”，至于“正立放大”的是虛像還是實(shí)像，教學(xué)中并沒(méi)有直接給出答案，而是設(shè)置懸念，在探究過(guò)程中再逐步完善.另外，通過(guò)平面鏡利用光的反射成像與凸透鏡利用光的折射成像的對(duì)比，也為怎樣找凸透鏡成的像留下伏筆.

1.2 再探：物距不同，像距不同，像也不同

出示物體（用LED燈帶自制F發(fā)光體）、演示用凸透鏡（直徑約15 cm，固定在鐵架臺(tái)上）和光屏（半透明膜蒙在1 m×1 m的木框上）.

師：由前面的活動(dòng)可知，凸透鏡、物體和光屏按怎樣的順序擺放？

生：凸透鏡在中間，兩側(cè)分別擺放物體和光屏.

師：將凸透鏡固定在中間某個(gè)位置，然后將物體不斷地移動(dòng)，從而改變物距去找像.

師：像要成在光屏中央，像才完整.請(qǐng)兩位同學(xué)上講臺(tái)移動(dòng)光屏，看如何才能做到？

生：透鏡的光心、發(fā)光物體的中心和光屏的中心要在同一直線上.

師：測(cè)凸透鏡焦距時(shí)，太陽(yáng)光要正對(duì)凸透鏡.三心在一條直線上就夠了嗎？

生：三者的中心還要在同一高度上.

師：如何讓光屏上的像最清晰？請(qǐng)同學(xué)繼續(xù)移動(dòng)光屏，找到解決的辦法.

生：光屏上得到像后再將光屏前后移動(dòng)，使像最清晰.

師：如何找到更多的像？此時(shí)像到透鏡的距離會(huì)變化嗎？

生：移動(dòng)物體，讓物體處在離凸透鏡不同的位置.光屏上的像要清晰，像距也要變化.

在將物體放在凸透鏡前不同的距離處，并移動(dòng)光屏，居然分別得到了兩種像——倒立縮小的實(shí)像、倒立放大的實(shí)像.

師：我們不僅要得到像，更要研究成像背后的規(guī)律，你認(rèn)為要作哪些記錄？

生：物距u、像距v和像的特點(diǎn)（正立/倒立、放大/縮小等）.

出示光具座，學(xué)生思考并討論，光具座的設(shè)計(jì)是否能方便地幫助大家解決以上問(wèn)題.

教學(xué)意圖：“發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)”要讓學(xué)生通過(guò)觀察、操作、體驗(yàn)等方式經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程，教師則要思考優(yōu)化實(shí)驗(yàn)器材，科學(xué)組織探究過(guò)程.其中對(duì)實(shí)驗(yàn)器材的認(rèn)識(shí)和實(shí)驗(yàn)操作要點(diǎn)的理解是科學(xué)探究中不可忽略的環(huán)節(jié).幾乎每個(gè)學(xué)校的實(shí)驗(yàn)室都配備了光具座，但它的出現(xiàn)不能太突然，否則較多的操作要點(diǎn)，容易讓學(xué)生手忙腳亂，使探究無(wú)法正常開(kāi)展.教學(xué)中充分利用教材提供的實(shí)驗(yàn)圖（如圖1），并選取大口徑凸透鏡、自制發(fā)光體和光屏，進(jìn)行探究前的系列鋪墊、熱身活動(dòng)，有效地避免了傳統(tǒng)教學(xué)中“教師示范操作、學(xué)生模仿驗(yàn)證”的做法.通過(guò)活動(dòng)，學(xué)生發(fā)現(xiàn)物體、凸透鏡和光屏“三心等高共線”是為了像完整成在光屏中央，前后移動(dòng)光屏是為了找到更清晰的像；而要比較物距、像距，自制的教具存在一定的困難——這些體驗(yàn)，為學(xué)生對(duì)光具座的認(rèn)識(shí)和使用、對(duì)實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)和進(jìn)一步分組探究掃清了障礙.

圖1

1.3 精探：像距、物距與焦距間的關(guān)系

利用光具座、發(fā)光物體、凸透鏡（f=10 cm）和光屏，要求學(xué)生在光屏上分別找到縮小的像和放大的像，讀出光具座上對(duì)應(yīng)的物距、像距，并填在設(shè)計(jì)的表格中（如表1）.

表1 實(shí)驗(yàn)記錄

師：請(qǐng)同學(xué)們分析表格中數(shù)據(jù)，凸透鏡成倒立縮小像時(shí)物距和像距的大小關(guān)系？成倒立放大像時(shí)物距和像距的大小關(guān)系又怎樣？

生：u＞v時(shí)，成倒立縮小的實(shí)像；u＜v時(shí)，成倒立放大的實(shí)像.

生：物距越大，像距越??；反之，物距越小，像距越大.

師：凸透鏡能成倒立等大的實(shí)像嗎？如何用實(shí)驗(yàn)證明你的猜想？

生：可以將光源和光屏同時(shí)向兩側(cè)移動(dòng)相同距離，直到像清晰時(shí)為止.

學(xué)生再探，將現(xiàn)象補(bǔ)充在表1中，發(fā)現(xiàn)凸透鏡成倒立等大的實(shí)像時(shí)，u=v=2f.換個(gè)f=20 cm或其他焦距的凸透鏡實(shí)驗(yàn)，結(jié)果也是如此.

結(jié)論：凸透鏡成倒立等大實(shí)像的條件：u=v=2f.凸透鏡成縮小像的時(shí)候，u＞2f，v＜2f；成放大像的時(shí)候，u＜2f，v＞2f.引導(dǎo)學(xué)生再觀察表1各次實(shí)驗(yàn)中物距、像距的大小，還有什么更新的發(fā)現(xiàn)？

生：物距、像距都比焦距大.

師：這不會(huì)又是一個(gè)了不起的發(fā)現(xiàn)吧？如果物距小于焦距，會(huì)成什么樣的像？

學(xué)生實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)無(wú)論怎樣移動(dòng)光屏，都不能得到清晰的像.

師：不成像嗎？會(huì)不會(huì)是我們找像的方法不正確？前面的的像都能用光屏接收，是實(shí)像，這次會(huì)不會(huì)是虛像？

師：開(kāi)始上課時(shí)我們用平面鏡觀察過(guò)虛像，因?yàn)槭枪獾姆瓷?，所以我們逆著反射光線的方向看到了虛像.如果凸透鏡能成虛像，是光的折射，你認(rèn)為可以怎樣看到虛像？

生：逆著折射光線的方向.

學(xué)生交流討論觀察虛像的方法，并將光屏取下，眼睛朝著透鏡的方向觀察，看到了正立放大的像.

師：剛上課時(shí)凸透鏡放在老師手指前，大家看到的就是正立放大的虛像，也就是我們熟悉的用放大鏡近距離觀察時(shí)，物體所成的像.請(qǐng)同學(xué)們?cè)俨聈=f時(shí)凸透鏡能成怎樣的像？

動(dòng)畫(huà)演示：折射光線或折射光線的延長(zhǎng)線無(wú)法相交，說(shuō)明不成像.

結(jié)論：一倍焦距也是個(gè)特殊的位置.u=2f與u=f是凸透鏡成像時(shí)的兩個(gè)特殊位置，在這兩個(gè)位置，像的大小、虛實(shí)分別發(fā)生了變化.

師：大家回看各次實(shí)像和成虛像時(shí)的數(shù)據(jù)，能說(shuō)說(shuō)它們與2f、f間的大小關(guān)系嗎？像距是不是也有這樣的特點(diǎn)？

師：像距沒(méi)有小于一倍焦距的，是實(shí)驗(yàn)次數(shù)太少還是另有原因？如果我們將物體移到3f、4f、5f甚至更遠(yuǎn)的地方像會(huì)在一倍焦距以內(nèi)嗎？

生：不需要.剛上課時(shí)，教室外遠(yuǎn)處的物體經(jīng)凸透鏡在光屏上成的也是倒立縮小的實(shí)像.

師：平行光經(jīng)凸透鏡會(huì)聚于焦點(diǎn).遠(yuǎn)處物體成像，相當(dāng)于平行光，像靠近焦點(diǎn)，但不會(huì)到達(dá)焦點(diǎn).所以成實(shí)像時(shí)，像永遠(yuǎn)在一倍焦距以外.u＞2f，f＜v＜2f，這就是凸透鏡成倒立縮小實(shí)像的條件.請(qǐng)同學(xué)們把其他各次實(shí)驗(yàn)的物距、像距與f、2f的大小關(guān)系用不等式列出來(lái)，找出并交流凸透鏡成像的規(guī)律.

教學(xué)意圖：凸透鏡成什么像，是由它的物距、像距與焦距間的關(guān)系決定的，凸透鏡成像的規(guī)律也就是找物距、像距與焦距間的關(guān)系，這將是學(xué)生遇到的最大的難題.在“發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)”中，教師通過(guò)設(shè)置問(wèn)題情境，提供有助于形成概括結(jié)論的路徑，提升學(xué)生探究發(fā)現(xiàn)的品質(zhì)和能力.從在光屏上找到一個(gè)像開(kāi)始，讓學(xué)生交流各自的物距、像距大小，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)各種現(xiàn)象的顯著特點(diǎn)并逐步縮小觀察范圍，最終將注意力集中在“u=2f成倒立等大實(shí)像”這個(gè)中心點(diǎn).在此基礎(chǔ)上，引發(fā)學(xué)生對(duì)“u=f”又一個(gè)特殊位置成像的猜想并加以驗(yàn)證，推導(dǎo)概括出結(jié)論.對(duì)于虛像的觀察和位置的判斷，源于平面鏡成像與光的折射知識(shí)的學(xué)習(xí)，教師充分把學(xué)習(xí)主動(dòng)權(quán)還給學(xué)生，引導(dǎo)學(xué)生將獲取的新知納入到認(rèn)知結(jié)構(gòu)中的適當(dāng)位置，并運(yùn)用于新的情境中，使其得以鞏固和深化，形成遷移能力.

2 實(shí)踐體會(huì)

在分析教材的基礎(chǔ)上，圍繞學(xué)習(xí)目標(biāo)，教師創(chuàng)設(shè)臺(tái)階式問(wèn)題情境，為學(xué)生搭建自主探究的平臺(tái)，讓學(xué)生親歷問(wèn)題的形成、問(wèn)題的解決過(guò)程，經(jīng)歷嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆治雠c推理過(guò)程，加深對(duì)物理現(xiàn)象的感知和對(duì)規(guī)律的整體把握.學(xué)生在學(xué)習(xí)活動(dòng)中出現(xiàn)思維障礙而無(wú)法突破時(shí)，教師要通過(guò)引導(dǎo)來(lái)激活學(xué)生的思維，促其自主探究、自主發(fā)現(xiàn)能順利進(jìn)行.對(duì)于學(xué)生的大膽設(shè)想教師應(yīng)給予充分肯定，對(duì)其合理成分及時(shí)給予鼓勵(lì)，愛(ài)護(hù)、扶植學(xué)生的自發(fā)性直覺(jué)思維，讓學(xué)生感到心理自由和安全，不斷樹(shù)立學(xué)習(xí)的自信心.本課中，學(xué)生的探究并未就此停止，在教師引導(dǎo)下他們還將繼續(xù)針對(duì)下面的問(wèn)題進(jìn)行探究.

（1）通過(guò)透鏡可以直接看到虛像.則成實(shí)像時(shí)，不用光屏用眼睛能直接看到嗎？應(yīng)如何觀察？

（2）既然凸透鏡成像與物距、像距和焦距有關(guān).如果用不同的焦距的透鏡，同一物距，成的像是相同還是不同呢？

（3）實(shí)驗(yàn)中，光屏上找不到像的原因可能有哪些？

（4）實(shí)驗(yàn)中，若將凸透鏡遮擋一部分，光屏上的像會(huì)有什么變化？為什么會(huì)有這種變化？