通過實(shí)驗(yàn)尋找規(guī)律的課堂教學(xué)設(shè)計(jì)
——以“探究凸透鏡成像規(guī)律”實(shí)驗(yàn)課為例

(南京師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210023)

2013年《教學(xué)新時(shí)空》直播了張愛美老師的“探究凸透鏡成像規(guī)律”的課堂教學(xué)錄像，筆者聽了她的介紹，并對(duì)該課進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，本文根據(jù)當(dāng)時(shí)的發(fā)言整理而成.

1 課題分析

探究凸透鏡成像的規(guī)律是光的折射中的一個(gè)重要課題，但對(duì)初中學(xué)生來說，它又是一個(gè)困難的課題.其原因是：①規(guī)律本身比較復(fù)雜，成像的性質(zhì)可能有放大、縮小、等大、倒立、正立、實(shí)像、虛像的多種組合；像的性質(zhì)隨物距的變化分為多個(gè)區(qū)間，且有突變點(diǎn).②學(xué)生在學(xué)習(xí)該課題前沒有很多經(jīng)驗(yàn)，也缺少相關(guān)的理論知識(shí)，課程標(biāo)準(zhǔn)也不要求介紹幾何光學(xué)的光路圖(只介紹平行光會(huì)聚及其可逆的光路)，此外，對(duì)虛像也是難以捉摸的.因此，該課題對(duì)初中學(xué)生是比較困難的.如果讓學(xué)生完全獨(dú)立自主地進(jìn)行探究，常常會(huì)以毫無結(jié)果而告終.

面對(duì)這一困難，通常有如下的一些處理模式：

(1)將探索性實(shí)驗(yàn)改為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，即直接介紹物理學(xué)家探究得到的凸透鏡成像的規(guī)律，然后用實(shí)驗(yàn)來加以驗(yàn)證.這樣，學(xué)生實(shí)驗(yàn)的思路很明確，預(yù)期的結(jié)果也很清楚，按部就班地操作不困難.但是，除了體驗(yàn)了知識(shí)的事實(shí)基礎(chǔ)和訓(xùn)練了一些實(shí)驗(yàn)技能外，學(xué)生探究的動(dòng)機(jī)不強(qiáng)，探究的能力也難以得到更多的培養(yǎng).在一些情況下，學(xué)生的認(rèn)知水平與要求相距較遠(yuǎn)時(shí)，可以采用這種模式.

(2)采用教師指導(dǎo)下的學(xué)生自主探究模式，像張愛美老師所進(jìn)行的課堂教學(xué)可以歸為此種模式.老師首先設(shè)置了一個(gè)趣味性很強(qiáng)的水缸中金魚的觀察實(shí)驗(yàn)，引入成像的課題，再以投影儀為例演示，引入成像性質(zhì)及與哪些因素有關(guān)的問題，同時(shí)對(duì)學(xué)生將要進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)給予技能指導(dǎo).通過開始階段的教學(xué)，可見學(xué)生探究的問題及初步猜想已經(jīng)形成，探究的思路也初步明確.在探究過程中，老師引導(dǎo)學(xué)生首先探究成倒立、放大像的條件，通過在數(shù)軸上記錄數(shù)據(jù)，給出了采集數(shù)據(jù)的區(qū)域，再逐步地找出u>2f,u

可見，由于老師的設(shè)計(jì)，分散了學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究的難點(diǎn)，手腦并用，使學(xué)生有序地、逐漸地認(rèn)識(shí)了凸透鏡成像的規(guī)律，并得到科學(xué)方法和思維的訓(xùn)練.

在教師指導(dǎo)下學(xué)生自主探究的模式中，特別是在以歸納為主的探究中，如何設(shè)計(jì)使探究過程既貼近學(xué)生的認(rèn)知水平，激發(fā)學(xué)生的探究動(dòng)機(jī)，又體現(xiàn)科學(xué)探究的本質(zhì)特征？這里談一點(diǎn)個(gè)人的看法，其中包含這節(jié)課的成功經(jīng)驗(yàn).

2 教學(xué)策略

本節(jié)課采用教師指導(dǎo)下的學(xué)生自主探究模式，教師的指導(dǎo)作用反映在如下方面：

(1)創(chuàng)設(shè)能使學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題的情景，從而讓學(xué)生圍繞問題進(jìn)行探究.

(2)在規(guī)劃學(xué)生探究過程中，向?qū)W生提出有挑戰(zhàn)性且逐步深入的任務(wù)，抓住幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，引發(fā)思維沖突，引導(dǎo)學(xué)生邊操作、邊獲取信息、邊思考.

(3)及時(shí)地給學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能指導(dǎo)，使他們能順利地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究.

(4)組織學(xué)生交流討論，分析所獲得的事實(shí)和數(shù)據(jù)，歸納、表述成像的規(guī)律，并從靜態(tài)、動(dòng)態(tài)、空間的角度來使學(xué)生理解規(guī)律的內(nèi)涵，充分發(fā)揮學(xué)生的思維想象力.

3 過程設(shè)計(jì)

在對(duì)此類課題的教學(xué)過程設(shè)計(jì)中，教師最重要的是要跳出“有學(xué)問者”的身份，站在“未學(xué)者”的立場(chǎng)上思考問題.因?yàn)榻處煂?duì)所學(xué)知識(shí)太熟悉了，往往會(huì)自覺或不自覺地要求學(xué)生按自己的思路來學(xué)習(xí)知識(shí)，所以給學(xué)生的探究不能成為學(xué)生的真探究.

探究凸透鏡成像的規(guī)律是一個(gè)全程性的探究，涉及探究的所有要素，讓學(xué)生經(jīng)歷全過程，并不是形式上的經(jīng)歷全過程，而應(yīng)當(dāng)讓學(xué)生在過程中有重點(diǎn)地體驗(yàn)和領(lǐng)會(huì)某些要素的本質(zhì)內(nèi)涵.

(1)從學(xué)生的認(rèn)知現(xiàn)狀出發(fā)，激發(fā)思維沖突，讓學(xué)生提出需要解決的問題.

上課后，老師們常常要引入課題，引入的思路多種多樣，選擇什么好呢？這節(jié)課中，張老師選用“觀察球形魚缸中的金魚”引入，它能夠激發(fā)學(xué)生的興趣，也可以用該放大正立的虛像與凸透鏡所成的像比較，發(fā)揮啟發(fā)性的作用.但學(xué)生所看到的魚缸中金魚的像并不是凸透鏡成像，它是光經(jīng)過兩種介質(zhì)一次折射所產(chǎn)生的現(xiàn)象，用它來引導(dǎo)凸透鏡成像規(guī)律的探究是有一定局限性的.我認(rèn)為像這樣的課題，選擇能激發(fā)學(xué)生特定的認(rèn)知沖突的情景為好，它應(yīng)當(dāng)是貼近實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡?例如：

如何區(qū)分凸透鏡和凹透鏡？

用透鏡看字，放大的就是凸透鏡.生活經(jīng)驗(yàn)中的放大鏡就是凸透鏡.

那么，是否凸透鏡所成的像就是放大和正立的呢？

可插入“小明小華的意外發(fā)現(xiàn)”，再讓學(xué)生試一試，或進(jìn)行下面的演示.

演示：將書寫投影儀橫倒放置，把幻燈片直接投影到墻上，所成的像是怎樣的？讓學(xué)生觀察.

看來凸透鏡所成像的性質(zhì)不只是“正立、放大”，猜一猜，還可能有哪些？

可能有“正立、放大”，“倒立、縮小”，“倒立、放大”，“正立、縮小”等.

如何才能獲得不同性質(zhì)的像呢？改變物距，尋找像的位置和觀察像的性質(zhì).

這就是我們今天要研究的課題—探究凸透鏡成像的規(guī)律.

在此前，學(xué)生對(duì)放大鏡是比較熟悉的，而且對(duì)其放大的印象是深刻的，也許在序言課的活動(dòng)中和在初識(shí)透鏡的活動(dòng)中，有少數(shù)學(xué)生會(huì)有意外的發(fā)現(xiàn)，因此，宜創(chuàng)設(shè)容易激發(fā)認(rèn)知沖突的情景，提出問題和猜想.這樣的設(shè)計(jì)，既有利激發(fā)探究動(dòng)機(jī)，又有利明確探究的目的和思路.

(2)給學(xué)生必要的技能指導(dǎo)，為探究提供實(shí)驗(yàn)技能的支撐.

科學(xué)探究需要技能的支撐，該探究課題也是如此.例如：

介紹實(shí)驗(yàn)器材：…….

本實(shí)驗(yàn)的技能關(guān)鍵是尋找發(fā)光物體的像，請(qǐng)同學(xué)們把發(fā)光物、凸透鏡、屏安裝在光具座上，凸透鏡置于光具座中間位置，發(fā)光物放在靠近左端的某一位置，移動(dòng)光屏，嘗試在光屏上顯示清晰的像.

談?wù)剬ふ仪逦竦捏w會(huì).①調(diào)整好“光具共軸”：除了“中心等高”以外，透鏡面與主軸垂直十分重要；②移動(dòng)光屏，從模糊到清晰，再從清晰到模糊，反向移動(dòng)，逐漸減小幅度.

此步驟也許會(huì)耽誤一點(diǎn)時(shí)間，但“磨刀不誤砍柴工”，它會(huì)使后繼操作更順利.

(3)逐步向?qū)W生提出一系列具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，使獲取事實(shí)(數(shù)據(jù))的操作過程成為積極的手腦并用的過程，讓學(xué)生感悟如何用歸納法尋找規(guī)律.

通常，人們把實(shí)驗(yàn)過程分為四個(gè)階段，即將物距分別調(diào)至u>2f、u=2f、f

①調(diào)整物距，使?fàn)T焰在光屏上成倒立、縮小的像，多做幾次，測(cè)量并記錄物距和像距.

②再調(diào)整物距，使光屏上成倒立放大的像，多做幾次，測(cè)量并記錄物距和像距.

③分析以上兩步驟觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和測(cè)量數(shù)據(jù)，你認(rèn)為在何種情況下可以得到倒立、等大的像？試一試，成倒立、等大像時(shí)物距、像距各是多少？與焦距有什么關(guān)系？(此時(shí)，也只找到了倒立、放大和縮小的分界點(diǎn).)

④至此，你已經(jīng)找到了倒立、縮小的像，倒立、等大的像，倒立、放大的像，你認(rèn)為凸透鏡還可能成什么性質(zhì)的像？試一試，能在屏上找到嗎？(將發(fā)光物向凸透鏡方向推進(jìn)，到焦點(diǎn)以內(nèi)后，就找不到像了，新的問題產(chǎn)生了).

想一想，用放大鏡觀察到正立、放大像時(shí)，你是怎么觀察的？再試一試，記錄你觀察到的現(xiàn)象.

由于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為學(xué)生提供尋找發(fā)現(xiàn)的機(jī)會(huì)，使學(xué)生積極思維，獲得了深層次的探究技能的訓(xùn)練.

(4)通過積極的交流討論，把看似平淡的規(guī)律形成過程變?yōu)槔斫庖?guī)律和發(fā)展思維想象的過程.如：

交流討論：

①試一試，如果將發(fā)光物從光具座左端逐漸向凸透鏡方向移動(dòng)，所成的像的性質(zhì)是如何變化的？

②用自己的語言闡述凸透鏡成像的規(guī)律.區(qū)分成像的性質(zhì)，有兩個(gè)關(guān)鍵位置，你認(rèn)為是哪兩個(gè)位置？它們分別是哪些性質(zhì)像的分界點(diǎn)？

③比較用不同焦距的透鏡進(jìn)行實(shí)驗(yàn)所得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和現(xiàn)象，看看有什么相同點(diǎn)和不同點(diǎn).

④在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，你有哪些意外的發(fā)現(xiàn)？對(duì)于探究規(guī)律，你有什么體會(huì)？

對(duì)規(guī)律的總結(jié)，不只是記住了一段結(jié)論，應(yīng)當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生與探究過程相聯(lián)系，并且從不同的角度和用不同的方式加深對(duì)規(guī)律的理解.另外，通過學(xué)生親身的體驗(yàn)，交流一下體會(huì)，這對(duì)提升學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)是有益的.

可以看到，在本方案的探究過程中，學(xué)生可能的意外發(fā)現(xiàn)有：

①跳出放大鏡的思維定勢(shì)，發(fā)現(xiàn)凸透鏡不總是成正立、放大的像.這一次意外，使探究的動(dòng)機(jī)更強(qiáng)，目標(biāo)更明確.

②從倒立、縮小像和倒立、放大像的數(shù)據(jù)中，還可以提出成倒立、等大像的猜想.原來二倍焦距點(diǎn)可以從推理得到，有了這一發(fā)現(xiàn)，下面的操作更有方向.科學(xué)探究過程并不就是從頭到尾的歸納，常常是多種思維的參與，這對(duì)不完全歸納的探究是重要的.

③當(dāng)上述三種性質(zhì)的像

找到以后，學(xué)生改變物距、移動(dòng)光屏，再也找不到像了，似乎凸透鏡就只能成倒立的像，為什么用放大鏡看時(shí)，可以看到正立放大的像？這一發(fā)現(xiàn)，將探究引入到又一層面.

教學(xué)設(shè)計(jì)是富有創(chuàng)造性的，探究是在發(fā)現(xiàn)問題的基礎(chǔ)上、圍繞問題進(jìn)行的；操作是眼、手、腦并用的過程，積極的思維是核心；小結(jié)的思路與實(shí)驗(yàn)的思路可以完全不同，如本實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)操作是“找不同性質(zhì)的像”，而小結(jié)過程是“以物距的變化來闡述像的性質(zhì)的變化”，除了形成系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，還要回顧這些認(rèn)識(shí)是怎么來的，從而獲得一些難以用語言表達(dá)的收獲.

以上提出的具體步驟，不是絕對(duì)的，老師們可以根據(jù)實(shí)際情況而改變，僅供參考.

參考文獻(xiàn)：

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