學(xué)生質(zhì)疑引發(fā)的實(shí)驗(yàn)器材改進(jìn)與創(chuàng)新

徐兵田

摘要：結(jié)合學(xué)生在自主“探究凸透鏡成像規(guī)律”實(shí)驗(yàn)中遇到的困惑，對(duì)該實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行改進(jìn)與創(chuàng)新，改進(jìn)后的器材不但可以讓學(xué)生直接觀察到透鏡對(duì)光的偏折，還能定量測(cè)出凸透鏡焦距的大小，為學(xué)生定性分析成像規(guī)律打下基礎(chǔ).成像光源歷來(lái)頗受教師的爭(zhēng)議，通過(guò)對(duì)比和測(cè)試，在課堂實(shí)踐中逐步進(jìn)行設(shè)計(jì)創(chuàng)新，用面光源取代傳統(tǒng)的光源，成像的清晰度進(jìn)一步提高，讓學(xué)生對(duì)“最清晰”的像有了直觀的對(duì)比和感受，解決了學(xué)生的疑惑，也讓科學(xué)探究過(guò)程更加符合學(xué)生的實(shí)際認(rèn)知水平.實(shí)驗(yàn)教學(xué)中學(xué)生廣泛參與并引發(fā)的討論和質(zhì)疑，需要引起教師足夠的專業(yè)分析和深入思考，這也是實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的重要契機(jī).

關(guān)鍵詞：學(xué)生質(zhì)疑；實(shí)驗(yàn)改進(jìn)創(chuàng)新；科學(xué)探究；物理教師；職業(yè)敏感

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是物理教學(xué)的重要組成部分，是落實(shí)物理課程目標(biāo)，全面提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要途徑[1].實(shí)驗(yàn)也是科學(xué)探究的重要方式之一，在實(shí)驗(yàn)探究時(shí)，學(xué)生先觀察到生活或課堂展示中的物理現(xiàn)象并引發(fā)各種猜想，通過(guò)學(xué)習(xí)小組內(nèi)的交流與討論形成統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，然后共同設(shè)計(jì)出可行的實(shí)驗(yàn)方案，接著利用身邊的實(shí)驗(yàn)器材在合作中親自動(dòng)手操作，探究他們的猜想.這一探究過(guò)程是“時(shí)代精神的反映，是以培養(yǎng)創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力為核心的素質(zhì)教育的必然要求”[2].這就要求物理教師必須開(kāi)展好實(shí)驗(yàn)探究的教學(xué)活動(dòng)，更要深入學(xué)生中間體驗(yàn)探究活動(dòng)的有效性和可操作性，對(duì)于現(xiàn)象模糊、探究規(guī)律難以發(fā)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)，要及時(shí)的改進(jìn)或創(chuàng)新，讓孩子在科學(xué)的實(shí)驗(yàn)氛圍內(nèi)逐漸體驗(yàn)探索的樂(lè)趣，激發(fā)他們熱愛(ài)科學(xué)、勇于探索的精神，這也是通過(guò)物理學(xué)科教學(xué)提升學(xué)生核心素養(yǎng)的重要途徑.

學(xué)生的科學(xué)探究過(guò)程雖然中心在學(xué)生，在于學(xué)生的互動(dòng)和交往，但教師的幫助和引導(dǎo)作用顯然不可或缺.教師要根據(jù)學(xué)校條件向?qū)W生提供必要的實(shí)驗(yàn)器材，學(xué)校的實(shí)驗(yàn)器材多統(tǒng)一配定，每屆學(xué)生可重復(fù)使用，器材雖比較簡(jiǎn)陋，但這并不是影響實(shí)驗(yàn)效果的因素.麥克斯韋也曾說(shuō)：“實(shí)驗(yàn)的教育價(jià)值，往往與儀器的復(fù)雜性成反比[3]”物理教師的專業(yè)素養(yǎng)和應(yīng)具備的職業(yè)敏感提醒我們：“應(yīng)時(shí)刻關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程，反思他們的參與狀態(tài)、交流狀態(tài)、達(dá)成狀態(tài)等，關(guān)注所使用的方法、手段及達(dá)到的效果，捕捉教學(xué)中的靈感[4]”顯然，在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，教師對(duì)探究活動(dòng)的幫助，不能僅限于知識(shí)、方法層面的引領(lǐng)，更要為學(xué)生提供有明顯實(shí)驗(yàn)效果的器材，讓現(xiàn)象背后的規(guī)律有跡可尋，避免形成似是而非的印象結(jié)論，同時(shí)，粗放式的探究過(guò)程也容易讓學(xué)生陷入乏味和無(wú)趣的模仿?tīng)顟B(tài)，不利于中學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)的形成.

八年級(jí)物理《探究凸透鏡成像規(guī)律》是整個(gè)初中光學(xué)的重點(diǎn)內(nèi)容.教材對(duì)這部分知識(shí)的安排，是從簡(jiǎn)單的光沿直線傳播現(xiàn)象逐漸過(guò)渡到較復(fù)雜的光折射現(xiàn)象，其中光的折射部分是光學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，而對(duì)凸透鏡成像規(guī)律的探究，可以讓學(xué)生充分認(rèn)識(shí)透鏡對(duì)光的偏折作用產(chǎn)生的各種“像”，初步認(rèn)識(shí)現(xiàn)代光學(xué)設(shè)備成像的原理.對(duì)接觸物理學(xué)科時(shí)間并不長(zhǎng)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，讓其經(jīng)歷“探究凸透鏡成像規(guī)律”的過(guò)程，特別是清晰地看到相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并發(fā)現(xiàn)成像的特點(diǎn)，能極大的提高他們對(duì)物理學(xué)科的學(xué)習(xí)興趣，拓展他們利用科學(xué)的方法認(rèn)識(shí)自然現(xiàn)象的能力.

筆者發(fā)現(xiàn)，實(shí)際教學(xué)時(shí)學(xué)生的本次探究活動(dòng)達(dá)成情況很不理想，很多學(xué)生（駐城學(xué)校，生源為劃片招生）反映成像規(guī)律很難發(fā)現(xiàn)，尤其是物距與焦距關(guān)系對(duì)像的大小、虛實(shí)的影響，小組間的爭(zhēng)議比較大，通過(guò)評(píng)估交流形成的實(shí)驗(yàn)結(jié)論多采用“拿來(lái)主義”，即采納教材輔助資料的內(nèi)容進(jìn)行描述.在隨堂與學(xué)生交流時(shí)，學(xué)生普遍質(zhì)疑兩個(gè)問(wèn)題：一是實(shí)驗(yàn)提供的凸透鏡焦距準(zhǔn)確嗎？二是根本找不到“最清晰”的像，像的輪廓都比較模糊，實(shí)驗(yàn)過(guò)程感覺(jué)很迷茫.這種情況一些一線教師的反映是“實(shí)施起來(lái)太亂了，不可行”[5].出于物理教育的職業(yè)敏感，筆者對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了親身體驗(yàn)，并從中發(fā)現(xiàn)了造成這種現(xiàn)象的原因：

一是在探究的過(guò)程中，我們提供給學(xué)生器材的光源部分，多為蠟燭或普通電光源，由于它們大都體形較大，光源本身的體積對(duì)物距產(chǎn)生明顯的誤差，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程中對(duì)物距和像的關(guān)系判斷就非常不準(zhǔn)確.

二是實(shí)際教學(xué)中無(wú)法直接看到透鏡折射的光路，透鏡對(duì)光的偏折作用在多以配套圖片的方式呈現(xiàn)給學(xué)生，這就給學(xué)生理解成像的特點(diǎn)帶來(lái)了先期的認(rèn)知障礙.

面對(duì)學(xué)生的質(zhì)疑和困惑，讓學(xué)生生硬的記住規(guī)律內(nèi)容，雖然對(duì)物理知識(shí)測(cè)試成績(jī)沒(méi)有影響，但會(huì)打擊學(xué)生今后學(xué)習(xí)物理的積極性，讓他們?cè)谥R(shí)生搬硬套中失去了探索的趣味.實(shí)際上，學(xué)生在物理課堂上能反饋出問(wèn)題，恰恰說(shuō)明他們?cè)趯W(xué)習(xí)活動(dòng)中迸發(fā)出思維的閃光點(diǎn)，這是物理教師應(yīng)該珍視的重要教學(xué)契機(jī).正是基于這樣的認(rèn)識(shí)，筆者開(kāi)始著手對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn).首先要突破實(shí)驗(yàn)器材的兩大難關(guān)，先解決透鏡對(duì)光的偏折光路直接顯示問(wèn)題，最好能通過(guò)器材的創(chuàng)新在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中測(cè)量出透鏡的焦距，因?yàn)橥ㄟ^(guò)焦距的測(cè)量能讓學(xué)生進(jìn)一步了解透鏡對(duì)光的作用，也為后面的探究活動(dòng)打下基礎(chǔ)；其次要解決傳統(tǒng)光源在實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程中最清晰的像不易判斷、物距難以測(cè)量的問(wèn)題.

對(duì)于第一個(gè)難關(guān)的攻克，先后試驗(yàn)了各種能顯示光路的環(huán)境，包括讓激光光速穿過(guò)人造煙霧、水霧的空間等，但這些方式只能短時(shí)間呈現(xiàn)明顯的效果，各種霧汽的產(chǎn)生局限性太大，無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間讓學(xué)生觀察到清晰的光路，更不方便大量學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室中自由操作探究，也無(wú)法將透鏡放置于相應(yīng)的空間進(jìn)行焦距的測(cè)量.由于不能達(dá)到理想的效果，已經(jīng)做好的模型先后被淘汰了.筆者發(fā)現(xiàn)激光照射到白色面板上可以清晰的把光路顯示出來(lái).于是又重新調(diào)整了思路，讓光路的顯示不借助那些難以持久的煙、霧來(lái)顯現(xiàn)，而是讓其在類似光屏的白色面板上呈現(xiàn)出來(lái)，這樣制作簡(jiǎn)單、方便，也利于學(xué)生操作.最終用三支小型激光頭和白色的PVC板完成了光路演示儀的制作，通過(guò)對(duì)凸透鏡、凹透鏡的光路演示，效果非常清晰持久.由于PVC板可以輕松的切割成各種需要的形狀，還在光路通道上設(shè)計(jì)了缺口，這樣就可以把透鏡“安放”在儀器中，非常方便準(zhǔn)確地測(cè)量透鏡的焦距.通過(guò)課堂展示與使用，學(xué)生對(duì)該器材所達(dá)到的效果非常滿意.對(duì)于第二個(gè)難關(guān)的攻克，先把傳統(tǒng)光源中的蠟燭淘汰，因?yàn)樗姆€(wěn)定性、安全性很差，非常不適合在實(shí)驗(yàn)室中使用.那么怎樣改進(jìn)電光源呢？據(jù)相關(guān)資料，現(xiàn)在普遍認(rèn)為比較好的是采用LED制作電光源，但它的缺點(diǎn)在實(shí)驗(yàn)中也比較明顯，因?yàn)槊總€(gè)LED都可以看成單個(gè)光源，將多個(gè)LED焊接在一起時(shí)，這多個(gè)小光源的成像清晰程度并不一致，成像的顆粒感較強(qiáng)，成像的輪廓也非常模糊.通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，如果能將光源改成邊界明確的面光源，效果會(huì)比較理想.嘗試了用不同的透光材料來(lái)覆蓋發(fā)光的LED形成面光源，效果均不理想.通過(guò)不斷地實(shí)驗(yàn)和對(duì)比不同種材料，最終試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)用紅色的聚光型LED做為發(fā)光光源，同時(shí)用紅色的薄透光板做為覆蓋面，這兩者搭配起來(lái)制作的面光源，光的強(qiáng)度適合形成清晰的像.這是因?yàn)榧t色聚光型的發(fā)光二極管在發(fā)光時(shí)，可以很好地透過(guò)紅色透光膜，這樣可以保證成像的亮度和清晰度.在接下來(lái)實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗(yàn)檢測(cè)時(shí)也取得了意想不到的良好效果.改進(jìn)之后的光源，不僅可以讓學(xué)生看到最清晰的像，由于面光源到透鏡的距離非常明確，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中探究像隨物距的變化規(guī)律時(shí)也更輕松、合理、科學(xué).endprint

通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)器材的重新設(shè)計(jì)和創(chuàng)新，邀請(qǐng)物理組的老師們參與到學(xué)生的探究實(shí)驗(yàn)中，讓他們從學(xué)生的角度動(dòng)手操作實(shí)驗(yàn)器材并參與到探究活動(dòng)中，通過(guò)諸多老師的親手檢驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)體會(huì)，他們普遍給予了高度的認(rèn)可與肯定.通過(guò)在本校八年級(jí)范圍內(nèi)進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐，物理老師也再次深入課堂，觀察并教研實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)結(jié)論及學(xué)生使用時(shí)的感受，這些實(shí)地的教研活動(dòng)，已經(jīng)達(dá)成了幾點(diǎn)共識(shí)：

首先是通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)反饋，學(xué)生對(duì)透鏡偏折作用的認(rèn)識(shí)普遍有了深刻的提升，在他們腦海中的疑惑得到了解決.學(xué)生在學(xué)習(xí)完光的色散后，雖然能通過(guò)彩色光帶發(fā)現(xiàn)光的偏折現(xiàn)象，但光路到底是怎樣傳播的并不能形成清晰印象.把制作的光路演示儀提供給學(xué)生之后，他們很快就知道這件簡(jiǎn)單、易操作的器材的使用方法，通過(guò)學(xué)生將凸透鏡、凹透鏡放置在光路演示儀上對(duì)光的顯示，學(xué)生對(duì)光的偏折作用的認(rèn)識(shí)普遍有了直觀而深刻的提升，困擾在他們腦海中的疑問(wèn)得到了解決.通過(guò)教師課上的引領(lǐng)，讓各小組測(cè)量出本組所用凸透鏡的焦距，然后通過(guò)匯報(bào)展示，學(xué)生明確了不同凸透鏡焦距的差別，同時(shí)由于各小組的透鏡參數(shù)（焦距）不同，學(xué)生在分小組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)具普遍意義，在這之前探究時(shí)多采用一種或兩種規(guī)格的透鏡，這顯然對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)論的普適性有較大的弊端.隨堂由學(xué)生測(cè)出焦距后，再進(jìn)行成像規(guī)律的探究時(shí)直接采用該數(shù)據(jù)即可.各小組用自己測(cè)量的透鏡焦距，也讓學(xué)生感受到科學(xué)探究的嚴(yán)謹(jǐn)性，消除了他們對(duì)老師直接提供數(shù)據(jù)的疑慮.

其次是學(xué)生更加尊重實(shí)驗(yàn)事實(shí).通過(guò)實(shí)際的測(cè)量發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室所配制的各種規(guī)格透鏡，他們的焦距數(shù)據(jù)多不準(zhǔn)確，這也是讓學(xué)生在課堂上用直接測(cè)量的焦距進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的重要原因.即，要讓學(xué)生尊重實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、尊重實(shí)驗(yàn)事實(shí).在探究具體的實(shí)驗(yàn)規(guī)律時(shí)，發(fā)現(xiàn)孩子得益于實(shí)像有非常高的清晰度，他們?cè)谡n上對(duì)所觀察到的現(xiàn)象非常興奮，課堂的探究氛圍非常濃厚，在發(fā)現(xiàn)隨著物距的變化光屏上清晰的實(shí)像也隨之改變后，學(xué)生很容易尋找到具體的幾個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)：物距在何范圍是放大或縮小的實(shí)像，在何處是等大的實(shí)像，與之對(duì)應(yīng)的光屏應(yīng)該移到何處等.當(dāng)然，由于虛像的呈現(xiàn)不在光屏上，教師仍需要適時(shí)的引導(dǎo)學(xué)生去分析，這并不影響實(shí)驗(yàn)改進(jìn)后的效果.

重要的是，學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究的興趣點(diǎn)被激活.凸透鏡成像實(shí)驗(yàn)的探究，是一個(gè)拓展性、趣味性很強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)，由于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與生活中的很多光學(xué)設(shè)備相關(guān)聯(lián)，在本實(shí)驗(yàn)中要借助改進(jìn)后的教學(xué)設(shè)計(jì)充分挖掘知識(shí)的深層價(jià)值.我通過(guò)課堂觀察發(fā)現(xiàn)，孩子在探究中有時(shí)看似無(wú)意的舉動(dòng)，其實(shí)都可以成為激活他們探究熱情的興趣點(diǎn).由于我們?cè)O(shè)計(jì)的面光源在點(diǎn)亮?xí)r造型比較奇特，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中不經(jīng)意地要用手摸一摸，碰一碰，這也反映了中學(xué)生活潑好動(dòng)的特點(diǎn)，但這個(gè)小動(dòng)作完全可以借助新設(shè)計(jì)引發(fā)新的知識(shí)拓展：如果用手遮住面光源的一部分，剩余的光源在透鏡中的成像會(huì)怎樣變化？這樣適時(shí)的引導(dǎo)，實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的效果就會(huì)被進(jìn)一步放大和充實(shí).因?yàn)樵谛赂倪M(jìn)后的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，面光源具備可以被任意遮擋的優(yōu)勢(shì)，在用手或紙直接遮擋部分面光源時(shí)，要突出拓展幾個(gè)問(wèn)題：面光源被擋住部分后你還能在光屏上看到完整

的像嗎？前后的觀察有無(wú)區(qū)別？這些問(wèn)題顯然提升了思考的空間和深度，有利于對(duì)學(xué)生進(jìn)行有價(jià)值的拓展和思維訓(xùn)練.

改進(jìn)與創(chuàng)新的成果能普及更多的實(shí)驗(yàn)課堂.參與課堂檢驗(yàn)的老師們普遍認(rèn)為該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)基本上解決了凸透鏡成像實(shí)驗(yàn)教學(xué)的缺陷，在保證學(xué)生實(shí)驗(yàn)良好的效果基礎(chǔ)上，新器材設(shè)計(jì)也更加環(huán)保，成本低廉，有利于大面積推廣使用.在山東省第九屆優(yōu)秀實(shí)驗(yàn)器材展評(píng)活動(dòng)中，這套實(shí)驗(yàn)器材受到各位專家的好評(píng)并榮獲一等獎(jiǎng)，榮譽(yù)雖然是對(duì)教師付出的有效回報(bào)，但對(duì)教師來(lái)說(shuō)，不斷促進(jìn)學(xué)生的成長(zhǎng)與發(fā)展，永遠(yuǎn)是教學(xué)、教研工作不變的主題.

當(dāng)然，作為教學(xué)一線的物理老師，在教學(xué)中要不斷地思考孩子學(xué)習(xí)的環(huán)境，特別是學(xué)生的動(dòng)手操作、創(chuàng)新意識(shí)是否能在這樣的環(huán)境中得到培養(yǎng)和提高.這就要求教師不能僅限于教材或?qū)W校實(shí)驗(yàn)室提供了怎樣的實(shí)驗(yàn)條件，更關(guān)鍵的是要把學(xué)生的質(zhì)疑和困惑看成是教學(xué)工作的一部分，在工作中不斷摸索和改進(jìn)，把這些改進(jìn)放在課堂中、學(xué)生的體驗(yàn)中進(jìn)行實(shí)踐與檢驗(yàn)，真正幫助學(xué)生解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，這是每一位物理教師都應(yīng)該具備的職業(yè)素養(yǎng).

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