一道光學(xué)實(shí)驗(yàn)題引發(fā)的思考

軒洪波

一、問(wèn)題的引出

棲霞區(qū)八年級(jí)期末調(diào)研中一道光學(xué)題目的部分內(nèi)容：探究凸透鏡成像規(guī)律時(shí)如圖1左所示，光源“F”放在距凸透鏡15 cm處的光具座上，凸透鏡固定在光具座零刻度線上，如果用遮光罩將凸透鏡的上半部分罩住，則光屏上所成的像

出題者想通過(guò)這道題考查學(xué)生在“探究凸透鏡的成像規(guī)律” 過(guò)程中看到不透明的光屏上所成像的情況，以及遮擋部分后的凸透鏡能否形成完整的像.可能是圖1中沒(méi)有很好體現(xiàn)出實(shí)驗(yàn)者所在的位置，所以絕大多數(shù)的老師和學(xué)生解答這個(gè)題目時(shí)，所選答案是C選項(xiàng).

區(qū)物理教研員在一次教師業(yè)務(wù)培訓(xùn)時(shí)，又讓受訓(xùn)教師做了這道題，教研員將圖1改成了圖2，確定實(shí)驗(yàn)者在光具座中間看向光屏，考查結(jié)果大多數(shù)教師的答案依然是C選項(xiàng).

學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)，看到不透明光屏上的像如圖3樣子，所以學(xué)生在光屏上看到像是D選項(xiàng)，為什么絕對(duì)多數(shù)老師和學(xué)生選C選項(xiàng)呢？

二、引發(fā)的思考

1.實(shí)驗(yàn)器材的改變，使實(shí)驗(yàn)考察的問(wèn)題難度提高.探究凸透鏡成像規(guī)律的實(shí)驗(yàn)是初中學(xué)生必做的學(xué)生實(shí)驗(yàn)，常規(guī)實(shí)驗(yàn)器材中所用的發(fā)光體是蠟燭，蠟燭的好處是取材方便、亮度高，在光屏上成的像清晰，由于燭焰左右對(duì)稱，實(shí)驗(yàn)所成的像，學(xué)生只要觀察形成的像的實(shí)虛、大小、正倒即可.缺點(diǎn)是當(dāng)25組學(xué)生同時(shí)實(shí)驗(yàn)時(shí)，燃燒的燭焰使空氣變得很渾濁，影響學(xué)生身體健康.現(xiàn)在有條件的學(xué)校已將蠟燭換成由發(fā)光二極管拼成“F”型字樣的發(fā)光體，實(shí)驗(yàn)時(shí)沒(méi)有了污染，但這樣的光源在帶來(lái)方便的同時(shí)，也使得學(xué)生觀察凸透鏡成像的特點(diǎn)的難度提高了，使用蠟燭實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生主要觀察像的“正立”還是“倒立”問(wèn)題，而改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)中，增加了成像的“左右”問(wèn)題，從而增加了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象觀察分析的難度.

2.學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的時(shí)間不足，使實(shí)驗(yàn)討論深度和細(xì)度不夠.教學(xué)大綱中規(guī)定“探究凸透鏡成像的規(guī)律”是學(xué)生必須做的實(shí)驗(yàn).學(xué)生做這個(gè)實(shí)驗(yàn)，需要對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行充分地觀察和分析，但是教師因?yàn)榻虒W(xué)進(jìn)度和課時(shí)的限制，往往設(shè)計(jì)只安排一個(gè)課時(shí)，學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)，教師為了完成教學(xué)目標(biāo)，除去課堂引入，實(shí)驗(yàn)操作講解等，學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作的實(shí)際時(shí)間不足30分鐘，實(shí)驗(yàn)中觀察重點(diǎn)往往被教師引導(dǎo)，像的特點(diǎn)集中在“大小”“倒立、正立”“實(shí)像、虛像”以及像的大小變化等方面，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)物體經(jīng)過(guò)凸透鏡成像特點(diǎn)缺少觀察、分析、討論和交流，實(shí)驗(yàn)的許多細(xì)節(jié)不是由學(xué)生親自實(shí)驗(yàn)得知的，而是通過(guò)后來(lái)的多次習(xí)題訓(xùn)練完成的，加上教師很少引導(dǎo)學(xué)生直接透過(guò)凸透鏡看物體的實(shí)像，學(xué)生以為實(shí)像只能用光屏承接，對(duì)知識(shí)建構(gòu)過(guò)程不夠充分.

探究時(shí)，如果學(xué)生用遮光板遮擋凸透鏡的一部分，就能在光屏上看到稍微變暗的物體完整的像，如果教師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)觀察的現(xiàn)象進(jìn)行充分討論和交流，結(jié)論是經(jīng)過(guò)學(xué)生討論、歸納、總結(jié)出來(lái)的，那么學(xué)生就能分辨出什么是看到的現(xiàn)象，什么是總結(jié)的規(guī)律，就不會(huì)將結(jié)論性答案替代過(guò)程性答案了.

3.教師自身對(duì)成像特點(diǎn)了解深度不夠.實(shí)驗(yàn)器材的改變，對(duì)教師的備課提出更高的要求.首先教師自己要明確平面鏡和凸透鏡成像的特點(diǎn)本質(zhì)，包括成像中的左右問(wèn)題，如果教師自己對(duì)物體所成像的左右問(wèn)題不清楚，就不可能期望學(xué)生能夠清楚.

什么是“上下、前后、左右”，有一部分教師對(duì)這個(gè)問(wèn)題了解深度是不夠的，人類在認(rèn)識(shí)世界的過(guò)程中，為了定位方向，以自身為參考建立了一個(gè)三維坐標(biāo)系，這個(gè)坐標(biāo)系是以人的面部朝向?yàn)閆軸正向，以背部朝向?yàn)閆軸負(fù)向，分別代表方位“前”和“后”；以人的軀干（從眉心到肚臍的連線）為Y軸，頭部和腳分別為Y軸正向和負(fù)向，代表方位“上”和“下”；而與兩肩連線平行的方向?yàn)閯t為X軸，左的定義是：伸出你的右手，拇指與四指在一個(gè)平面上，并呈垂直狀.若四指所指的方向?yàn)榍埃粗杆傅姆较驗(yàn)樯?，那么掌心所?duì)的方向就向左了，符合右手系法則.如圖4，Y正方向是從下到上，Z正方向是從后到前.上和下、前和后的定義是絕對(duì)的（或者說(shuō)先被定義），而左和右的定義則是相對(duì)的（或者說(shuō)后被定義），左和右的定義依賴于上和下、前和后的定義.

人在平面鏡中所成的像，按照以上的左右定義法，“像”的左邊是平面鏡前人的右邊形成的，如果平面鏡前的人符合右手系，它在平面鏡中的“像”則符合左手系.用數(shù)學(xué)語(yǔ)言是軸對(duì)稱圖形.發(fā)光體相對(duì)平面鏡成軸對(duì)稱的“”.因?yàn)槠矫骁R成虛像，所以只能用眼睛看平面鏡所成像.

凸透鏡成像可以通過(guò)光路分析得到，發(fā)光物體通過(guò)凸透鏡光心的光線傳播方向不發(fā)生改變，“像”相對(duì)于物體發(fā)生了180度的旋轉(zhuǎn)，所成實(shí)像相當(dāng)于幾何的中心對(duì)稱圖形.如果凸透鏡前的物體符合右手系，它通過(guò)凸透鏡所成的“像”仍然符合右手系.發(fā)光體相對(duì)凸透鏡成“”.

因?yàn)橥雇哥R可以成實(shí)像和虛像，成實(shí)像時(shí)可以用眼睛看，也可以用光屏承接像，學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)一般是站在光具座的中間，光屏使用也多是不透明的接受屏，所以他們看到的像是“”.如果光屏是透明的，學(xué)生所在的位置不同（如圖5所示）看到的又是“”，如果去掉光屏，用眼睛直接看物體，看到的是“”.這道題目出題者想考察學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中觀察到的現(xiàn)象，這是一道過(guò)程性的考題.在觀察過(guò)程中就出現(xiàn)了看到的和分析的情況不同.

有教師說(shuō)“這個(gè)題考察的目的是什么” ？“這不是故意擾亂 學(xué)生的思維嗎” ？我們要培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，學(xué)生在試驗(yàn)中必須“實(shí)事求是”，筆者認(rèn)為這是一道有待完善的考查實(shí)驗(yàn)過(guò)程的好題，由于題圖中，光屏的放置立體感不夠強(qiáng)，學(xué)生不能確定觀察者所在的位置，凸透鏡所成像，在實(shí)際觀察過(guò)程中像的左右和觀察者站的角度有關(guān)；如果出題者將題目中的光屏改成“不透明”的，學(xué)生就能確定實(shí)驗(yàn)時(shí)所處光具座的中間位置，寫(xiě)出實(shí)驗(yàn)中看到的實(shí)際情況.

教師教學(xué)中追求教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成，使學(xué)生對(duì)觀察到的現(xiàn)象缺少分析和質(zhì)疑，學(xué)生的知識(shí)建構(gòu)缺少討論和交流，雖然學(xué)生親歷知識(shí)的建構(gòu)過(guò)程與所掌握的教學(xué)內(nèi)容和通過(guò)練習(xí)記憶的知識(shí)內(nèi)容，在考試中成績(jī)的區(qū)別不大，但對(duì)提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，過(guò)程比結(jié)果對(duì)學(xué)生的發(fā)展更重要.筆者建議在光學(xué)凸透鏡成像的教學(xué)中，用兩節(jié)課進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，設(shè)計(jì)以小項(xiàng)目為板塊的導(dǎo)學(xué)案引領(lǐng)學(xué)生有目的、有方向的進(jìn)行探究，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，邊觀察、邊分析、邊討論、邊交流，同時(shí)歸納總結(jié)得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，這樣就留給學(xué)生知識(shí)建構(gòu)的時(shí)間和空間.