初中科學(xué)教學(xué)光學(xué)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)研究

唐順美

摘 要：觀察和測量是科學(xué)學(xué)習(xí)中重要方法。在光學(xué)實(shí)驗(yàn)中眾多教師一直有這樣的困擾：實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不夠清晰，對學(xué)生來講實(shí)驗(yàn)事實(shí)的可信度受到質(zhì)疑，因此解決光學(xué)實(shí)驗(yàn)的可視性問題是獲取客觀事實(shí)重要途徑，根據(jù)筆者對其他教師的課堂觀察發(fā)現(xiàn)，老師們有了一些改進(jìn)，但缺乏對這些改進(jìn)的系列研究。此外，在具體的課堂教學(xué)中教師存在在一次成功時“點(diǎn)到即止”現(xiàn)象，缺乏對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的舉一反三和深入探究，也就是說實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的普適性往往被忽視。如何設(shè)計(jì)光學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器解決以上兩個問題，并在課堂教學(xué)檢驗(yàn)，經(jīng)過筆者在實(shí)踐中的深入研究，總結(jié)提出初中物理光學(xué)器材需要考慮器材的選擇、度量引入和實(shí)際的聯(lián)系等角度來進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，所設(shè)計(jì)的器材經(jīng)過實(shí)踐教學(xué)檢驗(yàn)，對光學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在如上問題取得根本性的解決，實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果大幅度得到改善。

關(guān)鍵詞：初中物理 光學(xué)實(shí)驗(yàn) 改進(jìn) 教學(xué)效果

中圖分類號：G63 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）11（c）-0137-03

實(shí)驗(yàn)是學(xué)生獲得感性認(rèn)識的重要途徑，在此基礎(chǔ)上學(xué)生進(jìn)行理性思考會更加深刻。對于初中物理的許多科學(xué)知識學(xué)習(xí)需要用實(shí)驗(yàn)去支撐，但是在實(shí)際教學(xué)中筆者發(fā)現(xiàn)在現(xiàn)行的實(shí)驗(yàn)條件下并不能很好地為我們實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供很好的支撐，比如初中物理光學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)就存在這樣的問題，眾多教師一直有這樣的困擾：實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不夠清晰，對學(xué)生來講實(shí)驗(yàn)事實(shí)的可信度受到質(zhì)疑，因此解決實(shí)驗(yàn)的可視性問題是獲取客觀事實(shí)重要途徑。根據(jù)筆者調(diào)查發(fā)現(xiàn)，老師們在這方面有了一些改進(jìn)，但缺乏系列研究。此外，在課堂觀察發(fā)現(xiàn)教師存在一次成功時“點(diǎn)到即止”現(xiàn)象，缺乏對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的舉一反三，也就是說實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的普適性往往被忽視。筆者認(rèn)為結(jié)合以上兩個問題改進(jìn)光學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是提升光學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的重要途徑。

1 光的傳播的改進(jìn)

“光的傳播”實(shí)驗(yàn)是學(xué)生認(rèn)識光的基礎(chǔ)，要求學(xué)生知道光在均勻介質(zhì)中沿直線傳播。為完成這一教學(xué)目標(biāo)，需要在空氣、液體、固體等介質(zhì)中分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。普通實(shí)驗(yàn)教學(xué)的課堂上所用的實(shí)驗(yàn)器材為激光手電、水杯、水、玻璃等基本要件。然而在實(shí)際操作中遇到以下幾個問題影響了實(shí)驗(yàn)的效果。

（1） 激光手電在空氣中的實(shí)驗(yàn)效果十分微弱，僅能看到光線終點(diǎn)，見圖1（a）。

首先嘗試通過點(diǎn)燃香的方式，產(chǎn)生煙霧增強(qiáng)可視效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果是燃香產(chǎn)生煙霧少，且煙霧四散不集聚，又污染了周圍環(huán)境，學(xué)生感到嗆鼻。再次改進(jìn)，利用艾條燃煙，置于玻璃缸中，頂部用玻璃遮蓋，減少煙霧擴(kuò)散，實(shí)驗(yàn)效果明顯，能看到光線在煙霧中呈直線傳播，改進(jìn)后如圖1（b）所示。

（2） 在清水中的光線模糊，斷斷續(xù)續(xù)無法判別是否為直線，見圖2（a）。

首先嘗試加入椰汁，發(fā)現(xiàn)濃度配比困難，只有在一定濃度的情況下才能看清光線，太稀或太濃都影響實(shí)驗(yàn)效果。再次改進(jìn)，加入適量蜂蜜，多種濃度下，調(diào)制均勻，均能有光線在液體中呈直線傳播的現(xiàn)象，改進(jìn)后如圖2（b）。

（3）普通玻璃呈現(xiàn)的光線不是整條，演示效果缺乏說服力。

基于以上問題，結(jié)合巧用生活器材的改進(jìn)思想，筆者針對實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行了探索。

固體。首先嘗試改用果凍作為實(shí)驗(yàn)器材，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)效果存在隨機(jī)性。不同品牌、不同配料的果凍實(shí)驗(yàn)效果差異極大，偶有果凍中存在的果粒截?cái)嗔斯饩€。再次改進(jìn)，采用有機(jī)玻璃進(jìn)行嘗試，發(fā)現(xiàn)光線成長條直線傳播，效果明顯，如圖3。

由于采用了生活中的常見用品，此次實(shí)驗(yàn)的器材獲取難度不大，學(xué)生自己也能進(jìn)行驗(yàn)證，操作方便；同時，以上嘗試的實(shí)驗(yàn)效果明顯加強(qiáng)，得出光在均勻的介質(zhì)中沿直線傳播，利于學(xué)生的觀察與記錄，又減少了實(shí)驗(yàn)煙霧對課堂環(huán)境的污染。

2 光的反射的改進(jìn)

“光的反射”實(shí)驗(yàn)的教學(xué)設(shè)計(jì)多為在空氣中進(jìn)行，運(yùn)用平面鏡、刻度尺等器材展開。但如案例1中所提到的，單純在空氣中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)效果不明顯，而運(yùn)用燃香、艾草等方式又會產(chǎn)生大量煙霧，不符合環(huán)保理念。因此嘗試在水中進(jìn)行此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)器材為較大功率激光筆、鐵架臺、特制水槽和量角器。水槽和量角器的制作特點(diǎn)與實(shí)驗(yàn)步驟如下。

（1）玻璃水槽為長方形，水槽背部為黑色以達(dá)到更強(qiáng)的視覺效果。

（2）為體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)原理（反射角等于入射角）的科學(xué)性，自行制作較大刻度的塑料量角器，刻度左右對稱，緊貼內(nèi)壁置入水槽。

（3）運(yùn)用激光筆將入射光線與量角器的某條刻度重合，觀察反射光線是否與其對稱刻度重合，以驗(yàn)證反射角等于入射角的原理，還可證明反射光線、入射光線、法線在同一平面。

（4）為體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)論的普適性，需要多條光線射入水中而得到相同的結(jié)論，此處發(fā)揮鐵架臺的作用，將2～3支激光筆固定在鐵架臺上向水槽發(fā)射光線，觀察是否存在反射現(xiàn)象、是否均符合反射定律。

通過以上改進(jìn)，學(xué)生不僅看到了多條光線的反射現(xiàn)象，還通過量角器的刻度驗(yàn)證了光反射的定律，實(shí)驗(yàn)效果明顯。此次實(shí)驗(yàn)器材的準(zhǔn)備與制作基于舉一反三、引入科學(xué)測度的改進(jìn)思想，提高了實(shí)驗(yàn)的普適性和科學(xué)性，促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

3 平面鏡成像的改進(jìn)

目前許多學(xué)?！捌矫骁R成像”實(shí)驗(yàn)往往因?yàn)槿鄙賹?shí)驗(yàn)儀器或儀器損壞的問題難以順利開展，為解決這個問題，綜合巧用器材、引入測度和聯(lián)系實(shí)際等3種形式的實(shí)操改進(jìn)和創(chuàng)新，豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)與內(nèi)容，科學(xué)制作符合實(shí)際需求的實(shí)驗(yàn)器材。此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)重點(diǎn)主要有兩點(diǎn)，一是掌握平面鏡成像的特點(diǎn)；二是結(jié)合實(shí)際，理解生活中平面鏡的運(yùn)用。結(jié)合教學(xué)重點(diǎn)，探索設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)器材如下。

3.1 粗制實(shí)驗(yàn)儀器

制作如圖5所示儀器，實(shí)驗(yàn)過程中，將點(diǎn)燃的蠟燭A置于一側(cè)，在玻璃板另一側(cè)放置沒有點(diǎn)燃的蠟燭B，直到看上去它跟A完全重合為止，固定蠟燭，做上記號，觀察像與物體是否相等，測量此時蠟燭A、B到玻璃板的距離是否相等。

3.2 精制實(shí)驗(yàn)儀器

（1）粗制實(shí)驗(yàn)儀器在觀察成像時發(fā)現(xiàn)成像有兩個，原因是玻璃板太厚，因此在精制儀器時選取厚度適中或較薄的玻璃。

（2）粗制儀器在測量距離時由于人為誤差的存在，部分同學(xué)的測量結(jié)果存在較大誤差，影響了實(shí)驗(yàn)的效果。為體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性，將刻度直接畫于實(shí)驗(yàn)板上，如圖6所示，實(shí)驗(yàn)時，將蠟燭A首先置于刻度一端，再進(jìn)行其他操作，進(jìn)行此種處理后，既能說明成像與物體在同一直線上，又可以直觀迅速地讀出得到蠟燭與成像到玻璃板的距離，減少測量誤差。

3.3 擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)儀器

通過精制儀器，完成了實(shí)驗(yàn)的基本目標(biāo)，但尚未緊密聯(lián)系實(shí)際。結(jié)合生活實(shí)際，將小轎車擋風(fēng)玻璃的斜放設(shè)計(jì)搬入實(shí)驗(yàn)室，設(shè)計(jì)擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)儀器如圖7，將兩側(cè)凹槽設(shè)計(jì)成一定角度，將平面鏡斜置于實(shí)驗(yàn)板上，觀察形成車內(nèi)成像在上方與車外行人相區(qū)別的直觀體會，加深學(xué)生對于此次實(shí)驗(yàn)的理解，提高其實(shí)驗(yàn)運(yùn)用的意識與能力。

4 光的折射的改進(jìn)

光從空氣中斜射入水中，按課本空氣和水中光路均不明顯，學(xué)生沒有感性認(rèn)識，只是記憶折射規(guī)律，怎樣使光路清晰？利用前面的裝置，裝一半加了少量蜂蜜的水，水上面放蒸發(fā)皿，里面放點(diǎn)燃的艾條，上面覆蓋防止煙氣逃逸，煙量要適中，效果好，改變?nèi)肷浣牵容^入射角和折射角的大小以及折射角隨入射角的變化情況，當(dāng)垂直射入，方向不變，通過此實(shí)驗(yàn)學(xué)生對折射原理有了更深的認(rèn)識。（見圖8）

5 實(shí)踐效果

以上光學(xué)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)從3個角度進(jìn)行設(shè)計(jì)：器材的選擇、度量引入和實(shí)際的聯(lián)系。經(jīng)過實(shí)際教學(xué)檢驗(yàn)，每個角度都充分發(fā)揮了它的效果：從器材的選擇方面改進(jìn)現(xiàn)象清晰可見，使得學(xué)生獲取客觀事實(shí)，有了真實(shí)性；從量度引入方面改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，通過多次實(shí)驗(yàn)，滲透實(shí)驗(yàn)原理普適性；從實(shí)際的聯(lián)系方面改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，可以提高學(xué)生對科學(xué)知識的應(yīng)用能力，總之大大提升了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。最后對于光學(xué)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)三方面思考角度是否適用其他領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)，有待于進(jìn)一步嘗試。

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