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        小孔成像演示儀的創(chuàng)新改進(jìn)

        2024-09-12 00:00:00孫中玲
        物理之友 2024年4期
        關(guān)鍵詞:深度學(xué)習(xí)

        摘 要:傳統(tǒng)小孔成像實(shí)驗(yàn)存在光源不穩(wěn)定、現(xiàn)象不明顯、探究結(jié)果單一的弊端,不利于學(xué)習(xí)活動(dòng)的深入。本文利用身邊常見(jiàn)物品,創(chuàng)新改進(jìn)小孔成像演示儀,有效地解決了傳統(tǒng)器材存在的問(wèn)題,并利用自制器材優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),豐富了小孔成像實(shí)驗(yàn)的探究性。

        關(guān)鍵詞:深度學(xué)習(xí);自制光學(xué)教具;小孔成像

        實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的重要載體,而實(shí)驗(yàn)探究離不開(kāi)實(shí)驗(yàn)儀器。雖然目前中學(xué)實(shí)驗(yàn)室配備了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)儀器,但都是工廠統(tǒng)一生產(chǎn)的商品,這些儀器千篇一律,很難滿足個(gè)性化的教學(xué)需求。古語(yǔ)云:“工欲善其事,必先利其器?!弊灾平叹呷〔暮?jiǎn)單,貼近學(xué)生的日常生活,更能吸引學(xué)生的注意力,增強(qiáng)學(xué)生的好奇心。教師合理開(kāi)發(fā)自制教具,能優(yōu)化教學(xué)活動(dòng)的設(shè)計(jì),有效地為學(xué)生鋪設(shè)探究之路,促使學(xué)生勇于探究,自主構(gòu)建知識(shí)結(jié)構(gòu),發(fā)展核心素養(yǎng)。

        “小孔成像”是初中光學(xué)學(xué)習(xí)中首次提出成像概念及其成像特點(diǎn)的實(shí)驗(yàn),為后續(xù)學(xué)習(xí)光學(xué)成像知識(shí)做鋪墊。但由于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)器材的局限性,教師在課堂教學(xué)中缺乏對(duì)小孔成像進(jìn)行深度探究。

        1 傳統(tǒng)小孔成像實(shí)驗(yàn)的不足

        傳統(tǒng)教學(xué)中通常采用圖1所示的演示教具進(jìn)行實(shí)驗(yàn),以蠟燭作為光源,讓蠟燭發(fā)出的光通過(guò)小孔在光屏上成倒立的像。該實(shí)驗(yàn)儀器能夠簡(jiǎn)單地演示小孔成像現(xiàn)象,但是實(shí)驗(yàn)結(jié)果單一,無(wú)法全面揭示小孔成像的規(guī)律,探究性不強(qiáng)。此外,教室環(huán)境光線較亮,光屏上的像太暗、模糊,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可視性較低。[1]

        2 教具改進(jìn)創(chuàng)新

        筆者設(shè)計(jì)了一款實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯、操作靈活且簡(jiǎn)單的小孔成像演示儀。它既可以滿足教師的演示需求,同時(shí)也能吸引學(xué)生的注意力,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)潛能,提高學(xué)生的課堂參與度,進(jìn)而使學(xué)生的學(xué)習(xí)方式由被動(dòng)接受轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)探究,從而提升學(xué)生的思維深度。改進(jìn)后的小孔成像演示儀由插卡式可變光源、磁吸式變換小孔和暗箱光屏三部分組成。

        2.1 改進(jìn)光源:插卡式可變光源

        針對(duì)簡(jiǎn)易小孔成像裝置中存在的光源單一、無(wú)法多次改變光源形狀、無(wú)法探尋普遍規(guī)律等問(wèn)題,筆者設(shè)計(jì)了可變換不同形狀的插卡式光源。

        該光源主體選擇的是LED平板攝影補(bǔ)光燈,長(zhǎng)17cm,寬12cm,由三腳架支撐。LED補(bǔ)光燈由高亮燈珠組成,光源大、燈光亮度高、穩(wěn)定性好,有效地解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中的蠟燭燭焰亮度不夠、光源不穩(wěn)定、成像較暗、不易觀察等問(wèn)題。將高亮度補(bǔ)光燈放置在由黑色雪弗板做成的盒子里,盒子兩面開(kāi)孔,光源面開(kāi)大孔,盒子上方開(kāi)長(zhǎng)方形卡槽,便于放入不同形狀的黑色卡紙,閉合開(kāi)關(guān),便可獲得不同形狀的光源(如圖2所示)。

        2.2 改進(jìn)小孔:磁吸式可變小孔

        用硬紙板做一個(gè)長(zhǎng)方體盒子,兩端開(kāi)孔,一端紙板邊緣粘貼兩個(gè)強(qiáng)磁鐵,作為磁吸盤。制作大孔和小孔卡紙,其中邊長(zhǎng)4cm的“△”形、邊長(zhǎng)4cm的“□”形和直徑5cm的“○”形大孔各一個(gè),邊長(zhǎng)0.5cm的“△”形、邊長(zhǎng)0.5 cm的“□”形和直徑0.5cm的“○”形小孔各一個(gè),在開(kāi)有孔的卡紙上粘貼一個(gè)小強(qiáng)磁鐵,方便拆卸變換卡紙,改變孔的形狀和大?。ㄈ鐖D3所示)。

        2.3 改進(jìn)光屏:暗箱光屏

        用雪弗板制作寬20cm、長(zhǎng)30cm、高20cm的暗箱。在中間開(kāi)有卡槽,用紅色透明薄塑料板作為光屏,將其插入雪弗板暗箱中,使光屏處于較暗的環(huán)境中,以便觀察更明顯的像,彌補(bǔ)教室環(huán)境下光線較亮導(dǎo)致成像不清晰的不足。暗箱光屏盒如圖4所示。

        自制教具越簡(jiǎn)單,學(xué)生越容易理解實(shí)驗(yàn)本質(zhì)。綜上,小孔成像演示儀由三個(gè)獨(dú)立部分組成,而不是在一個(gè)整體的暗箱中。這樣便于學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)儀器,降低了實(shí)驗(yàn)器材的神秘感。將小孔成像演示儀的三部分整體放在可旋轉(zhuǎn)的展示盤上,可以實(shí)現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn),使班級(jí)里的學(xué)生從各個(gè)角度都能看得到清晰的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

        3 應(yīng)用自制教具優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)

        3.1 探究大小不同的孔形成的像

        將黑色“”形卡紙插入光源盒卡槽內(nèi),打開(kāi)光源,獲得“”形光源;在磁吸盤上放入直徑為5cm的“○”形大孔,讓光源的光穿過(guò)“○”形大孔,此時(shí)光屏上呈現(xiàn)“○”形光斑。接著依次換上邊長(zhǎng)為5cm的“□”形大孔和邊長(zhǎng)為5cm的“△”形大孔,重復(fù)實(shí)驗(yàn),觀察光屏上的光斑,這便是“大孔成斑”現(xiàn)象。三次實(shí)驗(yàn)得到“大孔成斑”現(xiàn)象如圖5中(a)(b)(c)所示。

        學(xué)生在本節(jié)內(nèi)容學(xué)習(xí)前,已經(jīng)對(duì)光通過(guò)“大孔成斑”這一現(xiàn)象有所了解,當(dāng)前實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象符合學(xué)生的原有概念。接著,教師用另一張黑色卡紙逐漸遮擋“△”形大孔,使“△”形大孔的孔徑逐漸減小。學(xué)生能夠觀察到光屏上“△”形光斑逐漸變小;且隨著“△”形孔的變小,光源各個(gè)部分的光都在光屏上形成一個(gè)小“△”形光斑。這些光斑相互疊加,最終組合形成與光源相同形狀的像,這便是“小孔成像”現(xiàn)象。

        在大孔變小孔的過(guò)程中,學(xué)生可以觀察到光斑從重疊到分離,從不成像到成像的連續(xù)動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。教師利用實(shí)驗(yàn)為學(xué)生呈現(xiàn)意想不到的“小孔成像”現(xiàn)象,形成與原有概念的沖突,挑戰(zhàn)學(xué)生的認(rèn)知方式,使學(xué)生產(chǎn)生了強(qiáng)烈的探究欲望。

        3.2 探究不同形狀光源所成的像

        在小孔磁吸盤上放置直徑為0.5cm的“○”形小孔;保持孔的形狀和大小不變,將“”形卡紙插入光源盒卡槽內(nèi),閉合開(kāi)關(guān),調(diào)節(jié)光源與小孔和光屏的位置,直至光屏上出現(xiàn)清晰的像。更換光源盒卡紙形狀,依次將“”“F”“”形卡紙插入卡槽內(nèi),獲得不同形狀的光源,重復(fù)實(shí)驗(yàn)。利用不同形狀的光源得到的小孔成像現(xiàn)象如圖6中(a)(b)(c)所示。

        利用上述教具開(kāi)展探究活動(dòng),不僅提高了實(shí)驗(yàn)的探究性,還增強(qiáng)了學(xué)生的動(dòng)手能力,同時(shí)也有效促進(jìn)了學(xué)生思維上的深度參與。豐富的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)有利于學(xué)生尋找共性規(guī)律,豐富學(xué)生的整體感知,還進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生對(duì)現(xiàn)象的觀察和對(duì)物理知識(shí)的思考與理解,使學(xué)生親身體驗(yàn)到科學(xué)探究的樂(lè)趣。

        3.3 探究不同形狀小孔所成的像

        將光源的形狀固定為“”形,在磁吸盤上放置“○”形小孔,閉合光源開(kāi)關(guān),觀察像的形狀。依次更換小孔形狀為“□”形和“△”形,重復(fù)上述實(shí)驗(yàn),觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

        3.4 探究小孔成像與物距、像距的關(guān)系將光源的形狀固定為“”形,調(diào)節(jié)小孔和光屏的位置,使像清晰地呈現(xiàn)在光屏上。保持光源到小孔的距離(物距)不變,改變光屏到小孔的距離(像距),觀察小孔所成的像的大小與亮度變化,以此探究小孔成像特點(diǎn)與像距的關(guān)系;保持光屏到小孔的距離不變,改變光源到小孔的距離,觀察小孔所成的像的大小與亮度變化,以此探究小孔成像特點(diǎn)與物距的關(guān)系。

        改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)探究實(shí)現(xiàn)了變復(fù)雜的理論知識(shí)為直觀明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,使知識(shí)變得簡(jiǎn)單有趣,有效地避免了學(xué)生的死記硬背、生搬硬套,激發(fā)了學(xué)生的物理學(xué)習(xí)熱情。[2]

        3.5 模擬樹(shù)蔭下太陽(yáng)的光斑

        晴朗天氣樹(shù)蔭下的地面出現(xiàn)了一個(gè)個(gè)圓形光斑。利用自制的小孔成像演示儀便可以模擬這一現(xiàn)象,將現(xiàn)實(shí)生活情景搬進(jìn)課堂,實(shí)現(xiàn)情景再現(xiàn)。

        將“○”形黑卡紙插入光源盒卡槽內(nèi),打開(kāi)光源便可獲得一個(gè)形似太陽(yáng)的圓形光源。在黑卡紙上戳多個(gè)小孔,模擬樹(shù)葉縫隙,將其吸在磁吸盤上,調(diào)整光屏位置,使光屏上呈現(xiàn)清晰的像,即為我們看到的地上的圓形光斑(如圖7所示)。

        再用一個(gè)圓形黑卡紙緩慢遮住部分“○”形光源,模擬日食,便可獲得日食情境下的太陽(yáng)通過(guò)小孔所成的像(如圖8所示)。

        4 總結(jié)

        改進(jìn)后的小孔成像演示儀彌補(bǔ)了原有裝置現(xiàn)象單一、成像效果差的缺點(diǎn),不僅可以靈活改變光源、小孔的形狀和大小,還可以模擬真實(shí)情境。實(shí)驗(yàn)探究離不開(kāi)科學(xué)、直觀且易于操作的教具。通過(guò)對(duì)教具的改進(jìn),能提高探究的可視性,增加實(shí)驗(yàn)的可操作性,深化學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中的體驗(yàn)和參與感,發(fā)展學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

        參考文獻(xiàn)

        [1]程榮貴. 自制小孔成像演示器[J]. 物理教師,2018,39(11):46-47.

        [2]岳曉婷. 基于深度學(xué)習(xí)的教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐——以“小孔成像”的教學(xué)為例[J]. 物理教學(xué),2021,43(4):18-20.

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