曹雁 陸堅(jiān)

［摘 要］物體顏色演示儀的應(yīng)用，突破了“物體的顏色”教學(xué)的難點(diǎn)。以暗箱代替暗室，排除環(huán)境光線的干擾；利用定制的濾鏡和LED手電筒改良光源，避免實(shí)驗(yàn)可能的偏差，以此增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的成功率、可重復(fù)性和真實(shí)性。在教學(xué)中突破理解透明物體和不透明物體顏色的難點(diǎn)，并拓展研究光的互補(bǔ)色、色相、明度等概念的學(xué)習(xí)。

［關(guān)鍵詞］物體的顏色；物體顏色演示儀；課外拓展

［中圖分類(lèi)號(hào)］G633.98［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］?A［文章編號(hào)］ 1674-6058（2023）32-0096-03

在華師大版初中科學(xué)“物體的顏色”的常態(tài)課中，教師往往分別用白光、與玻璃顏色相同的色光、與玻璃顏色不同的色光照射玻璃片，引導(dǎo)學(xué)生觀察透過(guò)光的顏色，從而得出普遍規(guī)律：透明物體的顏色是由其透過(guò)的色光決定的。隨后，教師播放“暗室手電筒實(shí)驗(yàn)”的視頻，在暗室內(nèi)觀察比較白光以及紅、綠、藍(lán)三種色光分別照在不同顏色假花上的顏色，了解到透明的物體只透過(guò)相同的色光，不透明的物體只反射相同的色光。最后，教師通過(guò)以下例題的檢測(cè)結(jié)束教學(xué)。

【例題】在沒(méi)有其他光照射的情況下，舞臺(tái)追光燈發(fā)出的綠光照在穿白上衣、紅裙子的演員身上，觀眾看到她是（）。

A.全身呈綠色

B.上衣呈綠色，裙子不變

C.上衣呈綠色，裙子呈紫色

D.上衣呈綠色，裙子呈黑色

學(xué)生往往在學(xué)習(xí)前早已能夠分辨物體的本色，在學(xué)習(xí)“物體的顏色”后，涉及物體的本色、實(shí)際觀察到的顏色時(shí)就開(kāi)始“犯渾”了，對(duì)“透明的物體只透過(guò)相同的色光，不透明的物體只反射相同的色光”這一抽象概念更是疑惑。學(xué)生普遍認(rèn)為“物體的顏色是固有且不可變的”，這一觀點(diǎn)雖然錯(cuò)誤，卻是學(xué)生長(zhǎng)期生活經(jīng)驗(yàn)的積累總結(jié)。在教學(xué)中，由于環(huán)境光線的干擾以及有色透明物體的透光率影響，實(shí)驗(yàn)效果不盡如人意。播放視頻效果也遠(yuǎn)沒(méi)有現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的效果好。因此，在教學(xué)中教師需要多層次、多維度、階梯式地給學(xué)生解釋、闡明和應(yīng)用新的、正確的科學(xué)概念。

那么，如何使現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)更直觀呢？筆者從光的三原色演示儀的制作中得到啟發(fā)：利用自制的簡(jiǎn)單教具——物體顏色演示儀，以暗箱代替暗室排除環(huán)境光線的干擾，用定制的濾鏡與LED手電筒改良光源，創(chuàng)造出純凈的三色色光，使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更明顯，重復(fù)性更強(qiáng)。

一、教具的設(shè)計(jì)與創(chuàng)新

（一）裝置介紹

要制作這樣一個(gè)教具，首先要統(tǒng)一LED燈的亮度，但更重要的是要對(duì)濾鏡進(jìn)行優(yōu)化選擇。對(duì)于這一實(shí)驗(yàn)，僅利用生活中的一些紅色、綠色和藍(lán)色的透明物體來(lái)做實(shí)驗(yàn)經(jīng)常會(huì)失敗，主要原因是這些透明物體透光的波長(zhǎng)范圍有可能過(guò)寬或者其他色光的透過(guò)率過(guò)高。

紅光的波長(zhǎng)范圍為625～740 nm，綠光的波長(zhǎng)范圍為492～577 nm，藍(lán)光的波長(zhǎng)范圍為400～480 nm，僅憑肉眼觀察一些濾鏡透過(guò)光的顏色是不可靠的，要對(duì)其透光波長(zhǎng)進(jìn)行控制。在實(shí)驗(yàn)中，可以選擇透光波長(zhǎng)峰值為650（±10）nm的紅色濾鏡、透光波長(zhǎng)峰值為550（±10）nm的綠色濾鏡和透光波長(zhǎng)峰值為450（±10）nm的藍(lán)色濾鏡，這些濾鏡的OD值為5，表示截止帶透過(guò)率為0.001%，盡可能地減少其他色光的透過(guò)，能夠大幅度地提升實(shí)驗(yàn)的效果。

物體顏色演示儀整體的側(cè)視圖如圖1所示，整個(gè)裝置主要由綠色濾鏡鏡片、藍(lán)色濾鏡鏡片、紅色濾鏡鏡片（上述三種鏡片均為40 mm圓形，如圖2）、可開(kāi)合的暗箱、濾鏡框（直徑為40.5 mm）、人字形塑料片（厚度為2 mm，遠(yuǎn)端距離中心為30 mm）、小型LED顯示屏（可用手機(jī)屏幕代替）、印有不同內(nèi)容的卡紙（大小合適箱體即可）、手機(jī)（用于同屏連接投影儀展示）、手電筒制作而成。在該裝置中，三種濾鏡可透過(guò)的光的波長(zhǎng)范圍與上述“光的三原色合成實(shí)驗(yàn)”中保持一致?？堖x擇照相紙，實(shí)驗(yàn)前在上方打印相關(guān)內(nèi)容，打印前電腦取色過(guò)程中，紅色定為RGB（255，0，0），綠色定為RGB（0，255，0），藍(lán)色定為RGB（0， 0， 255），卡紙也可以用小型LED屏代替，取色標(biāo)準(zhǔn)一致。物體顏色演示儀的實(shí)物圖如圖3所示。

（二）創(chuàng)新點(diǎn)

此實(shí)驗(yàn)裝置有四個(gè)主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)：

（1）精確控制，增加實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性。利用濾光性固定的濾鏡和數(shù)字化控制的LED顯示屏或?qū)I(yè)打印的卡紙，使得實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的色差較少，增加實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性。

（2）對(duì)比明顯，實(shí)驗(yàn)富有啟發(fā)性。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，整套實(shí)驗(yàn)裝置處于封閉的暗箱內(nèi)，不同顏色的圖案在不同顏色的光照下顯示出顏色的對(duì)比，能夠更好地通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象總結(jié)出規(guī)律和結(jié)論，實(shí)現(xiàn)探究性學(xué)習(xí)，實(shí)驗(yàn)富有啟發(fā)性。

（3）直觀展現(xiàn)，整體呈現(xiàn)效果好。該實(shí)驗(yàn)裝置將傳統(tǒng)的需要反復(fù)思索的物理原理直接呈現(xiàn)，增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。通過(guò)手機(jī)攝像頭實(shí)現(xiàn)教室中的投屏，便于在課堂中向全體學(xué)生演示。

（4）一器兩用，裝置教學(xué)價(jià)值高。將顯示屏放在遠(yuǎn)端孔中，透過(guò)暗箱上的通光孔觀察，即可研究透明物體的顏色；而將LED手電筒透過(guò)通光孔照射暗箱內(nèi)遠(yuǎn)端放置的卡紙或者顯示屏，即可觀察研究不透明物體的顏色。這套裝置在光的三原色實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究了物體顏色的成因，具有較高的教學(xué)價(jià)值。

二、教學(xué)應(yīng)用

（一）研究透明物體顏色的實(shí)驗(yàn)步驟和分析

步驟1：組裝原裝置，對(duì)近端孔進(jìn)行遮光，教師將手機(jī)攝像頭對(duì)準(zhǔn)暗箱上的通過(guò)光孔，并開(kāi)啟投屏。

步驟2：學(xué)生先觀察濾光鏡片的顏色，然后將小型LED顯示屏插入遠(yuǎn)端孔中。

步驟3：先選擇紅色濾鏡，在小型LED顯示屏上同時(shí)展示白底紅字、白底藍(lán)字、白底綠字，學(xué)生通過(guò)投屏記錄觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

步驟4：選擇另外兩種濾鏡，分別依序展示上述文字，觀察并記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象（如表1）。

利用該實(shí)驗(yàn)裝置，將原本抽象的內(nèi)容具象化，加深了學(xué)生的理解。在現(xiàn)象記錄的基礎(chǔ)上進(jìn)行歸納總結(jié)，學(xué)生可以自然而然地得出“透明物體的顏色是由其透過(guò)的色光決定的”這一結(jié)論。

（二）研究不透明物體顏色的實(shí)驗(yàn)步驟和分析

步驟1：組裝原裝置，將LED顯示屏（或卡紙）插入遠(yuǎn)端孔中，手機(jī)插入近端孔中，將攝像頭對(duì)著LED顯示屏（或卡紙），通過(guò)投屏影像調(diào)整手機(jī)所在的位置。

步驟2：在LED顯示屏上同時(shí)顯示白底紅字、白底綠字和白底藍(lán)字，調(diào)整鏡頭轉(zhuǎn)換器，使得紅色濾鏡對(duì)準(zhǔn)暗箱上的通光孔，用手電筒在外側(cè)照射，學(xué)生觀察并記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

步驟3：調(diào)整鏡頭轉(zhuǎn)換器，分別進(jìn)行綠光下和藍(lán)光下的實(shí)驗(yàn)，觀察并記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象（如表2）。

改變研究的對(duì)象，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行歸納總結(jié)。學(xué)生繼續(xù)得出不透明物體的顏色是由其反射的色光決定的，白色能反射所有顏色的光，黑色是光被吸收才顯示出來(lái)的。

三、課外拓展應(yīng)用

（一）研究互補(bǔ)色

上述兩個(gè)實(shí)驗(yàn)僅對(duì)光的三原色的透過(guò)和反射現(xiàn)象進(jìn)行了研究，在教學(xué)中還可以通過(guò)對(duì)其他顏色物體的研究來(lái)更加深入地探究互補(bǔ)色原理。

例如對(duì)于黃光的組成，可對(duì)透明物體顏色實(shí)驗(yàn)進(jìn)行拓展研究。在LED顯示屏上顯示白底黃字，透過(guò)紅色濾鏡可以觀察到紅底淺紅色的字，透過(guò)綠色濾鏡可觀察到綠底深綠色字，透過(guò)藍(lán)色濾鏡可觀察到藍(lán)底黑色的字。這些現(xiàn)象說(shuō)明黃色光既可以透過(guò)紅色玻璃，也可以透過(guò)綠色玻璃，但不能透過(guò)藍(lán)色玻璃，黃光是一種紅綠復(fù)色光。如果改變研究對(duì)象，對(duì)于白底黃字，紅光照射下顯紅色，綠光照射下顯綠色，藍(lán)光照射下顯黑色，說(shuō)明黃色物體能夠吸收藍(lán)光。通過(guò)這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，可以充分地說(shuō)明黃光的組成和它的互補(bǔ)光，用這種方式還可以遷移到品紅色和青色的研究。

（二）實(shí)驗(yàn)拓展研究

在教學(xué)中，經(jīng)常會(huì)使用非白底的文字來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，一方面能夠通過(guò)直接的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象突破教學(xué)難點(diǎn)，另一方面能夠引導(dǎo)學(xué)生深入探究，如表3所示為部分實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。

不過(guò)，按照學(xué)生的期待，透過(guò)綠色濾鏡觀察紅底藍(lán)字、透過(guò)紅色濾鏡觀察藍(lán)底綠字（實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖4所示）和透過(guò)藍(lán)色濾鏡觀察綠底紅字都應(yīng)該是全黑的，文字應(yīng)該完全消失，因?yàn)檫@些光都不能透過(guò)相應(yīng)的濾鏡，然而實(shí)際情況卻是出現(xiàn)了黑底灰字或灰底黑字，這使得許多學(xué)生都感到困惑，還會(huì)誤認(rèn)為是實(shí)驗(yàn)失敗。其實(shí)，在濾鏡的OD值已經(jīng)很高的情況下，仍然出現(xiàn)這一現(xiàn)象的主要原因是學(xué)生容易將色相和明度這兩個(gè)概念混淆。

在學(xué)生的前概念中，常把白色、黑色、灰色和其他彩色都當(dāng)成是“顏色”。實(shí)際上，光的三原色的界定既有物理學(xué)的因素（這三種色光不能由其他色光合成），又有生物學(xué)的因素（人眼視網(wǎng)膜中的三種不同的視錐細(xì)胞［1］），白光是復(fù)色光，而“黑色”則代表著色光被吸收了。人對(duì)視覺(jué)的感知既包括視錐細(xì)胞對(duì)RGB三色的感覺(jué)，也包括視桿細(xì)胞對(duì)明暗度的感覺(jué)［2］。甚至有研究表明，當(dāng)人眼在通常的室內(nèi)環(huán)境觀察圖像監(jiān)視器屏幕時(shí)，對(duì)黑白灰度級(jí)的分辨力與對(duì)三原色灰度級(jí)的分辨力沒(méi)有顯著差異［3］?！盎疑敝胁话魏紊啵且环N視覺(jué)經(jīng)驗(yàn)。因此，黑色、白色和灰色都不能稱(chēng)為色彩。根據(jù)RGB明度計(jì)算公式可知，幾種“顏色”的明度大小比較為：白色>綠色>紅色>藍(lán)色。明度越大，越偏白；明度越小，越偏黑。因此，透過(guò)紅色濾鏡觀察藍(lán)底綠字時(shí)才會(huì)出現(xiàn)黑底灰字的現(xiàn)象。同理，透過(guò)綠色濾鏡觀察紅底藍(lán)字會(huì)觀察到灰底黑字。此外，在濾鏡OD值不高的情況下，透過(guò)紅色濾鏡觀察白底紅字，也并不是全紅的，往往能隱約地看到文字，這也是由明度不同導(dǎo)致的。

通過(guò)對(duì)物體顏色演示儀的“深度”使用，引領(lǐng)學(xué)生由淺入深地對(duì)物體顏色的本質(zhì)進(jìn)行深入學(xué)習(xí)，能夠有效地發(fā)散學(xué)生的思維，培育學(xué)生的科學(xué)探究能力。

四、教學(xué)反思

在物理教學(xué)過(guò)程中，通過(guò)自制教具突破重難點(diǎn)是十分重要的舉措。物體顏色演示儀的設(shè)計(jì)起始于對(duì)光的三原色實(shí)驗(yàn)的可見(jiàn)性研究，又立足學(xué)生的實(shí)際需求進(jìn)行創(chuàng)新性的改進(jìn)。在學(xué)習(xí)中，學(xué)生先通過(guò)光的色散實(shí)驗(yàn)了解陽(yáng)光的組成，再通過(guò)三原色實(shí)驗(yàn)了解單色光和復(fù)色光的特征，最后通過(guò)物體顏色的演示實(shí)驗(yàn)深入了解透明物體和不透明物體顏色的規(guī)律，可以循序漸進(jìn)、由淺入深地了解和理解“光的組成”這一重要知識(shí)，逐步地認(rèn)識(shí)其本質(zhì)。因此，物體顏色演示儀這一教具的制作為學(xué)生清晰而準(zhǔn)確地學(xué)習(xí)該知識(shí)提供了重要的素材，能夠直觀地為學(xué)生呈現(xiàn)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)效果，為其分析問(wèn)題、理解知識(shí)、建構(gòu)物理模型等提供了重要的途徑。

［? ?參? ?考? ?文? ?獻(xiàn)? ?］

［1］? 季衛(wèi)新，陳棟.基于PCK的研究性備課的區(qū)域?qū)嵺`研究：以蘇科版初中物理教材“光的色彩、顏色”為例［J］.物理教師，2019（9）：44-49.

［2］? 唐永連.視錐細(xì)胞、視桿細(xì)胞與視覺(jué)環(huán)境［J］.中國(guó)眼鏡科技雜志，2003（6）：71-72.

［3］? 謝維信，秦桉.人的視覺(jué)對(duì)灰度級(jí)別的分辨能力及視覺(jué)內(nèi)部噪聲的研究［J］.航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程，1991（1）：51-55.

（責(zé)任編輯 黃春香）