科學(xué)探究：平面鏡成像教學(xué)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)與創(chuàng)新

鄧蒙++楊為民

摘 要：傳統(tǒng)的平面鏡成像實(shí)驗(yàn)存在許多不足之處，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中也未貫徹落實(shí)科學(xué)探究的原則，這就導(dǎo)致了學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解不透。針對(duì)以上問題，本文從實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)教學(xué)兩方面進(jìn)行創(chuàng)新，不僅有助于學(xué)生探究平面鏡成像的實(shí)質(zhì)和特點(diǎn)，而且培養(yǎng)了學(xué)生科學(xué)探究的思維與科學(xué)探究的能力。

關(guān)鍵詞：科學(xué)探究；平面鏡成像；光路圖

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2016）11-0030-3

平面鏡成像實(shí)驗(yàn)是初中光學(xué)重要的實(shí)驗(yàn)之一，這個(gè)實(shí)驗(yàn)是必做實(shí)驗(yàn)且適合學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究，該實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖峭ㄟ^平面鏡成像實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生親自體會(huì)平面鏡成像的規(guī)律和特點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)的過程中掌握科學(xué)探究的要素和方法。然而，實(shí)際實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果往往差強(qiáng)人意，普遍存在學(xué)生虛假探究、探究不深、理解不透的現(xiàn)象。

1 平面鏡成像實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題

學(xué)生之所以無法真正理解平面鏡成像的規(guī)律與特點(diǎn)，最主要的原因是傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在一些問題，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器的不足

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)首先放一個(gè)透明玻璃板在中間，然后在玻璃板前面放一根點(diǎn)燃的蠟燭作為物體，最后拿與前一根蠟燭完全相同的蠟燭在玻璃板后面移動(dòng)使之與像重合。這個(gè)實(shí)驗(yàn)中像的位置不易確定，存在較大的實(shí)驗(yàn)誤差，還有隨著時(shí)間的流逝，點(diǎn)燃的蠟燭會(huì)越燒越短，此時(shí)說像與物體大小相同就變得很牽強(qiáng)。并且直接拿兩根完全相同的蠟燭進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，相當(dāng)于直接告訴學(xué)生像和物體的大小是相等的，這違背了科學(xué)探究原則，不利于學(xué)生科學(xué)探究能力的培養(yǎng)。

1.2 實(shí)驗(yàn)原理的忽視

傳統(tǒng)教學(xué)中許多教師解釋平面鏡成像原理時(shí)，直接告訴學(xué)生是由于光的反射導(dǎo)致能夠在玻璃板后面看到一個(gè)虛像，那么這個(gè)像是怎樣形成的呢？教材上也未畫出平面鏡成像的光路圖來進(jìn)行說明，這忽視了對(duì)作圖法等科學(xué)方法的顯性教育。并且在關(guān)于平面鏡成像的試題中，考察的幾乎都是畫一個(gè)物體所成的像，幾乎沒有考察畫這個(gè)物體在平面鏡上的光路圖，這就導(dǎo)致學(xué)生很難掌握平面鏡成像的根本原理。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

針對(duì)以上問題，筆者對(duì)實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行了改進(jìn)，旨在讓學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究的過程，在科學(xué)探究活動(dòng)中，掌握科學(xué)探究活動(dòng)的設(shè)計(jì)方法，學(xué)會(huì)采集實(shí)驗(yàn)和探究的證據(jù)，并能進(jìn)行科學(xué)的處理，從而真正理解平面鏡成像的根本原因以及像的特點(diǎn)。

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置準(zhǔn)備

光的反射定律可以拿來解釋平面鏡成像和玻璃板成像，然而許多學(xué)生卻不理解為什么要用玻璃板來代替平面鏡做平面鏡成像實(shí)驗(yàn)。他們認(rèn)為平面鏡所成的像是在平面鏡里面，但是玻璃板所成的像在玻璃板的另一面，這個(gè)像似乎并非由光的反射所形成的。最主要的原因還是學(xué)生認(rèn)為玻璃板能夠被看透，但是平面鏡不能，解決這個(gè)問題的關(guān)鍵是讓學(xué)生理解玻璃板成的像是怎樣形成的。為此，筆者設(shè)計(jì)了如圖1所示的實(shí)驗(yàn)裝置，來幫助學(xué)生理解平面鏡成像的特點(diǎn)。首先，將茶色玻璃板和四塊紙板組合構(gòu)成一個(gè)盒子，并把這個(gè)盒子放在一塊厚紙板上，使玻璃板與厚紙板垂直，接著將一張坐標(biāo)紙插在玻璃板與厚紙板之間，并用夾子固定好。構(gòu)成盒子的紙板內(nèi)表面貼著黑色紙，目的是減少玻璃板周圍不必要的光的影響，因此平面鏡所成的像能夠清晰地被看到。在這里之所以選茶色玻璃板而不選透明玻璃板是因?yàn)橥该鞑ＡО逋腹庑詮?qiáng)，虛像不夠清晰，并且要注意的是玻璃板必須與水平面完全垂直。黑色盒子的上方可以適當(dāng)打一個(gè)洞，讓一部分光照射在盒子里，這樣物體所成的像更容易看到。

2.2 確定像的位置

把自制的紅色長(zhǎng)方體（可以用積木代替）作為物體放在玻璃板前面，可以看到玻璃板后面物體所成的像。此時(shí)，教師應(yīng)該讓學(xué)生比較玻璃板所成的像與平面鏡所成的像的異同。學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)此時(shí)玻璃板所成的像看起來就像是黑色盒子里的燈被關(guān)時(shí)平面鏡所成的像。教師應(yīng)立刻提問學(xué)生黑色盒子和玻璃板組成的組合可以看作什么，學(xué)生們就立刻聯(lián)想到了平面鏡。只不過這里的平面鏡厚度比較厚，所成的像在平面鏡里，這符合學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)，感受到玻璃板代替平面鏡的科學(xué)性與可靠性，從而學(xué)生就很容易接受利用玻璃板來探究平面鏡成像。

本節(jié)課的另一個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)是利用積木代替?zhèn)鹘y(tǒng)的蠟燭，達(dá)到形狀、大小可變，安全的作用。紅色長(zhǎng)方體作為物體所成的像是立體的，如圖2所示，讓學(xué)生以小組為單位，共同探究物體所成像的特點(diǎn)。學(xué)生從形狀、大小不同的積木里選擇一個(gè)積木放在所成的像的位置，經(jīng)過幾次嘗試直到找到與像完全重合的積木，則這塊積木就代替像，稱為“標(biāo)記物”，在這里運(yùn)用到的科學(xué)探究方法是等效代替法。接著兩個(gè)物體一比較學(xué)生就會(huì)發(fā)現(xiàn)成像特點(diǎn)：像的形狀、大小與物體完全相同。同時(shí)，可以看到玻璃板所成的像在玻璃板后面，把物體往后移，遠(yuǎn)離玻璃板，所成的像也遠(yuǎn)離玻璃板。要求學(xué)生用刻度尺分別測(cè)量物體到玻璃板的距離和像到玻璃板的距離，再改變物體的位置多次實(shí)驗(yàn)，學(xué)生會(huì)找出平面鏡成像的另一個(gè)特點(diǎn)：像距等于物距，像的位置由物體的位置所決定。

本節(jié)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，把知識(shí)的學(xué)習(xí)和探究方法的學(xué)習(xí)放在同等重要的位置，注重讓學(xué)生自己去體驗(yàn)探究的過程，感受探究的樂趣，做到在體驗(yàn)中學(xué)習(xí)知識(shí)。

2.3 畫光路圖確定像的位置

在中學(xué)平面鏡成像的光路圖和確定像的位置是分開來教的，并且教材中沒有給出平面鏡成像作圖的步驟，對(duì)平面鏡成像的內(nèi)涵亦未加以體現(xiàn)，這就導(dǎo)致學(xué)生不理解光路圖和平面鏡成像的位置之間的關(guān)系。為了解決這個(gè)問題，本節(jié)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入了作圖法從科學(xué)顯現(xiàn)的角度讓學(xué)生真正理解平面鏡成像的原理。

首先，調(diào)整“標(biāo)記物”的位置，直到像與標(biāo)記物完全重合，把黑色盒子拿開，讓學(xué)生用一支鉛筆緊貼物體的底邊在坐標(biāo)紙上畫邊界線，畫的矩形表示物體的位置；接著，選取矩形邊上的任意一點(diǎn)為光源點(diǎn)，打開激光筆光源并使激光筆光線過這一點(diǎn)照射在玻璃板上的任意一點(diǎn)，此時(shí)學(xué)生可以看到從光源處產(chǎn)生的入射光和來自玻璃板的出射光；最后，學(xué)生沿著激光光線畫帶箭頭的線分別表示入射光路和出射光路，如圖3所示。接下來應(yīng)該充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，讓他們改變?nèi)肷涔獾穆窂街貜?fù)上述步驟，得到幾組光路圖。幾組光路圖畫下來，學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)入射光與出射光彼此對(duì)稱，他們就會(huì)提出猜想：出射光是不是反射光？此時(shí)，教師應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生自己想辦法驗(yàn)證，學(xué)生通過自己的驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)猜想是正確的，從而證明了該實(shí)驗(yàn)裝置可以反射光并遵循反射定律。

從提出猜想到驗(yàn)證猜想的探究過程中，教師不加以任何干涉，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，學(xué)生不僅加深了對(duì)知識(shí)的理解，而且在一定程度上獲得成就感，這對(duì)提升其物理學(xué)習(xí)的興趣有一定的幫助。

上一步只是證明了玻璃板對(duì)光有反射作用，要確定像的位置還需進(jìn)行下一步，用一根刻度尺沿著所有反射光線的延長(zhǎng)線畫虛線，如圖4所示。顯然，所有虛線匯聚在像的某一點(diǎn)上，這一點(diǎn)就是前面所選取的物點(diǎn)的像點(diǎn)，可見通過這種方法不僅確定了像的位置，而且不需要光屏就可以證明平面鏡所成的像是虛像，因?yàn)檫@個(gè)像點(diǎn)并非由實(shí)際光線匯聚而成。為了進(jìn)一步提升學(xué)生畫光路圖來確定像的位置的能力，教師可以用一支筆作為物體任意方式放在平面鏡前面，讓學(xué)生畫光路圖來確定像的位置并預(yù)測(cè)玻璃板后所成的像的特點(diǎn)。作圖法的引入直接展現(xiàn)了平面鏡成像的過程，為學(xué)生建構(gòu)平面鏡成像的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，從而不僅使學(xué)生真正理解平面鏡成像的內(nèi)涵，并且培養(yǎng)了學(xué)生科學(xué)探究的思維與能力。

2.4 實(shí)驗(yàn)教學(xué)總結(jié)

本實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)最主要是從實(shí)驗(yàn)儀器上進(jìn)行了修改與創(chuàng)新，不僅使教學(xué)變得有效率，而且科學(xué)探究方法也貫穿在整個(gè)教學(xué)設(shè)計(jì)中。從上文的闡述可以看出實(shí)驗(yàn)儀器有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）通過畫光路圖來解釋像是怎樣形成的。

（2）從兩方面準(zhǔn)確地確定像的位置，一個(gè)是實(shí)驗(yàn)中直接觀察像的位置，另一個(gè)是通過光路圖確定。

（3）明確地看到物距和像距相等，并且證明了像的大小等于物體的大小。

本節(jié)關(guān)于平面鏡成像的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)是以科學(xué)探究為中心，注重科學(xué)猜想和驗(yàn)證，教師在整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中只是起到引導(dǎo)作用，采用“半放”甚至“全放”的方式，讓學(xué)生自己去發(fā)現(xiàn)問題、解決問題。在探究的過程中注重對(duì)猜想的驗(yàn)證，讓學(xué)生意識(shí)到任何一個(gè)結(jié)論的得到都是需要采用一定的方法來檢驗(yàn)是否正確完善，并且所采取的方法要有科學(xué)性和可靠性。

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（欄目編輯 鄧 磊）