關(guān)于電氣自動(dòng)化凸透鏡成像實(shí)驗(yàn)探究的思考與改進(jìn)

王慶平

摘要：在幫助學(xué)生解決凸透鏡成像習(xí)題困惑的過程中發(fā)現(xiàn)，滬科版八年級物理《第四章多彩的光》的《第五節(jié)科學(xué)探究——凸透鏡成像》的學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)器材有諸多瑕疵，有待改進(jìn)。為此，利用學(xué)?！皹O客園”科創(chuàng)工作室提供的便利條件，結(jié)合分析出實(shí)驗(yàn)器材的不足之處，如光源、光屏、如何精確找到像的位置、像的性質(zhì)等問題進(jìn)行改進(jìn)，經(jīng)歷思考、分析、動(dòng)手、論證、調(diào)試、編程、試驗(yàn)等，通過反復(fù)試驗(yàn)，不斷改進(jìn)提升，最終有效解決凸透鏡成像的困惑，實(shí)現(xiàn)教學(xué)相長。

關(guān)鍵詞：凸透鏡；電氣自動(dòng)化；實(shí)驗(yàn)探究；體驗(yàn)；創(chuàng)新

在考查凸透鏡成像時(shí)有涉及到像的性質(zhì)這一考題，學(xué)生因?qū)嶒?yàn)探究中見到像是倒立的就直接答題，沒有注意到像左右相反這一性質(zhì)而答錯(cuò)題目，講評時(shí)由于學(xué)生受限于抽象思維無法理解，可見八年級滬科版物理《第四章多彩的光》的《第五節(jié)科學(xué)探究——凸透鏡成像》的學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)器材有瑕疵。于是我動(dòng)了一個(gè)念頭，能否利用平時(shí)帶領(lǐng)學(xué)生參加學(xué)?！皹O客園”科創(chuàng)工作室社團(tuán)活動(dòng)便利條件對該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)呢？因此我就選拔幾個(gè)有興趣的學(xué)生組成一個(gè)團(tuán)隊(duì)，開展《關(guān)于凸透鏡成像實(shí)驗(yàn)探究的思考與改進(jìn)》實(shí)驗(yàn)研究。

1滬科版探究凸透鏡成像實(shí)驗(yàn)

在利用光具座、蠟燭、火柴、光屏、凸透鏡等探究凸透鏡成像規(guī)律學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)中，提出問題是凸透鏡成像特點(diǎn)與物距有什么關(guān)系？實(shí)驗(yàn)得出物距、像距、像的性質(zhì)，然后分析得出粗糙的成像規(guī)律。

2該實(shí)驗(yàn)器材的不足之處

2.1光源

因蠟燭的燭焰亮度不夠，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)環(huán)境要求在較暗的地方實(shí)驗(yàn)：光屏承接的像是平面的，但火焰是立體的，前后發(fā)光點(diǎn)都有對應(yīng)的像，在成最亮最清晰的像時(shí)，光屏位置是不固定的，特別是u=f時(shí)，光屏上還能看到像，讓學(xué)生莫名其妙：實(shí)驗(yàn)前老師強(qiáng)調(diào)要點(diǎn)燃蠟燭，調(diào)節(jié)燭焰、透鏡、光屏在同一高度上，目的是要讓像成在光屏的中心處，然而，一會(huì)后像會(huì)向上移動(dòng)，因蠟燭會(huì)變短，所以實(shí)驗(yàn)過程中不時(shí)要調(diào)節(jié)蠟燭的高度，提升學(xué)生實(shí)驗(yàn)難度：因燭焰是對稱的，故無法觀察像物是左右相反的。

2.2透鏡

透鏡單一是這個(gè)實(shí)驗(yàn)另一不足之處，實(shí)驗(yàn)室只提供一只焦距為10cm的凸透鏡，學(xué)生只能得到單一的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，無從對比。在物距不變時(shí)，改變焦距，考查像的大小及像距的變化，此類題目對于學(xué)生而言也是無法理解的。

2.3光屏

光屏是一塊白塑料板，像成在上面是一維的，但燭焰卻是三維的，導(dǎo)致學(xué)生在觀察比較像物大小關(guān)系時(shí)很吃力，特別是當(dāng)u=2f時(shí)，燭焰的外沿在成像時(shí)因光線折射后衰減，無法清晰看到，學(xué)生看到的像是比物小的，與像物等大等距這一結(jié)論是相悖的。

3實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

3.1光源的變化

針對燭焰亮度不足、不穩(wěn)定、變短等，網(wǎng)購了LED燈（1w）、驅(qū)動(dòng)板，在LED燈兩端加5V電壓讓其發(fā)出強(qiáng)白光，并將整個(gè)裝置放在產(chǎn)生平行光源的透鏡的焦點(diǎn)上，在平行光源塑料套前放一“F”字樣的罩（用激光雕刻機(jī)雕刻有機(jī)板自制而成），就解決了光源的瑕疵。沒想到點(diǎn)光源在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)所成的像的邊沿會(huì)變形，同時(shí)熱感傳感器在移動(dòng)光屏?xí)r數(shù)值差異太小，換成光敏電阻也一樣無法形成明顯的差異，導(dǎo)致無法在光屏找到最清晰的像，后來又將LED點(diǎn)光源換成白熾燈也無法解決此類問題，通過上網(wǎng)查詢，請教專家，又重新網(wǎng)購了貼片紅色LED，0603封裝貼片電阻等自制了一個(gè)由多個(gè)LED燈組成的FSZ形的光源，最終解決了光源問題。

3.2透鏡的變化

先在有機(jī)版根據(jù)焦距不同凸透鏡的外徑雕刻兩個(gè)圓圈，將兩透鏡放在圈內(nèi)，利用有機(jī)板粘合劑粘好。這樣就能解決在物距不變時(shí)，瞬間將凸透鏡的焦距從3cm轉(zhuǎn)換成5cm，這時(shí)我們再次移動(dòng)光屏直到得到清晰的像時(shí)，比較像距的變化及像大小的變化，發(fā)現(xiàn)當(dāng)物距不變時(shí)，焦距變小，則像距變小且像也變小輕松解決有關(guān)難題。

3.3光屏的變化

在光屏中心鉆一小孔，放一光電傳感器，測量光照量最大值，將有關(guān)信息發(fā)送給MEGA2560開發(fā)板，讓其處理后自動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，自主移動(dòng)光屏，直到光屏上成最清晰的像為止。同時(shí)在光屏中心處畫一個(gè)與“F光源”大小相同的方框，更方便直觀比較像物大小的關(guān)系。

3.4光具座的變化

光具座以三段滑臺(tái)為主體，如圖1，在短滑臺(tái)間鎖定了透鏡的撐桿，兩個(gè)電機(jī)上分別裝上F字光源與光屏，可利用搖控器控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板讓滑臺(tái)上兩電機(jī)前進(jìn)與后退，從而實(shí)現(xiàn)光源與光屏的移動(dòng)。另一長滑臺(tái)電機(jī)上裝有5寸增強(qiáng)串口屏和由兩個(gè)舵機(jī)控制可隨意轉(zhuǎn)向的攝像頭，讓攝像頭可監(jiān)測到像的大小：也可監(jiān)測到光照量的數(shù)值，實(shí)現(xiàn)了由定量測量最清晰的像替代由學(xué)生自己感覺哪一點(diǎn)像是最清晰的感性測量，也可監(jiān)測光源、光屏所在的位置等，更加科學(xué)準(zhǔn)確合理。同時(shí)利用一個(gè)外接頭可以將串口屏上的圖像傳輸?shù)蕉嗝襟w上，讓全班的學(xué)生可以看到，方便老師教學(xué)時(shí)演示實(shí)驗(yàn)時(shí)，能讓學(xué)生清晰看到實(shí)驗(yàn)過程，容易得出準(zhǔn)確的答案。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程清晰、直觀，定量準(zhǔn)確，科學(xué)有效。

3.5電氣自動(dòng)化

3.5.1電路圖

控制部分使用了一塊MEGA2560開發(fā)板，對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和運(yùn)動(dòng)控制。選擇12V的鋰電池作為電源，使用了穩(wěn)壓12V升壓模塊和穩(wěn)壓變壓5V降壓模塊進(jìn)行分別供電，如圖2。

3.5.2主控版電路原理圖

使用c語言與圖形化mBlock創(chuàng)客工場V3.2.2相結(jié)合進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，主要包括了采集各種電信號、處理信號、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、舵機(jī)、將相關(guān)影像傳輸?shù)斤@示屏上，從而實(shí)現(xiàn)人為利用遙控器控制的控制電機(jī)改變物距，并自動(dòng)調(diào)節(jié)像距使光屏上得到清晰的像，改變物距與透鏡的焦距。探究物體成像規(guī)律，并將實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象通過數(shù)據(jù)線傳輸?shù)蕉嗝襟w的白屏上，如圖3。利用智能MEGA2560開發(fā)板，為以后智能提升留下空間。

4該實(shí)驗(yàn)器材的創(chuàng)新點(diǎn)

（1）實(shí)現(xiàn)電氣自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)過程，利用Arduino MEGA2550開發(fā)板，對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和運(yùn)動(dòng)控制，真正實(shí)現(xiàn)具體可感、可定量測試的實(shí)驗(yàn)探究，讓同學(xué)們更易于理解掌握。

（2）能利用一個(gè)上下左右可調(diào)的攝像頭拍攝實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，用一串口屏將攝像頭拍攝到呈現(xiàn)出來，用一數(shù)據(jù)線再將相關(guān)視頻直接呈現(xiàn)到多媒體的屏幕上，方便老師演示時(shí)，學(xué)生能直接在屏幕上看到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與數(shù)據(jù)，過程直觀具體可感。且串口屏帶有內(nèi)存，也可將學(xué)生難理解的配套題目放在里面，適時(shí)調(diào)板給學(xué)生練習(xí)。

（3）用平面光源替代立體光源。

（4）能成一個(gè)左右相反的像。

（5）能解決光源各種不足，

（6）利用光電傳感器，測量光照量最大值，由機(jī)器自主尋找最清晰像的位置。

5教具自制的感悟

（1）在自制改進(jìn)教具的過程中，我們掌握了正確的學(xué)習(xí)方法，學(xué)會(huì)了科學(xué)的實(shí)驗(yàn)精神和研究的科學(xué)態(tài)度。經(jīng)歷制作這個(gè)電氣自動(dòng)化探究凸透鏡成像分組實(shí)驗(yàn)器材這個(gè)過程后，雖然花了我們很多假期時(shí)間，流了很多的汗水，吃了很多的苦，但我們曉得遇到不懂知識(shí)得通過各種方式自學(xué)，如我們遇到編程時(shí)通過上網(wǎng)、圖書館查找、請教專家老師等，最終學(xué)習(xí)編程的方法。在總結(jié)時(shí)，學(xué)生們都感嘆知識(shí)不夠用，也深深知道得努力去學(xué)習(xí)，不斷學(xué)習(xí)探究，不斷增長才干。我們在硬件、軟件搭建的過程中，從平面到立體、從簡單到復(fù)雜，在考慮材料大小、數(shù)量、方向、結(jié)構(gòu)之余，還需要建立流程、系統(tǒng)等戰(zhàn)略性思維，有助于開發(fā)思維邏輯、分工合作和領(lǐng)導(dǎo)協(xié)調(diào)能力。在實(shí)驗(yàn)改進(jìn)中，更培養(yǎng)同學(xué)們的科學(xué)精神和實(shí)驗(yàn)態(tài)度以及合作探究的精神，培養(yǎng)同學(xué)們的學(xué)科核心素養(yǎng)，為同學(xué)們的成才奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，且該成果代表泉港區(qū)參加泉州市第十四屆泉州市青少年科技創(chuàng)新大賽榮獲二等獎(jiǎng)，學(xué)生與老師都有收獲的驚喜，體驗(yàn)到成功的快樂。

（2）磨煉意志、提高韌性，提升自主學(xué)習(xí)能力。經(jīng)歷這個(gè)創(chuàng)新過程后，我們對科技創(chuàng)新的流程與方法有了初步的掌握，讓我們對電氣自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)各種功能有了非常濃厚的興趣，正因這個(gè)興趣讓我們克服了制作過程中的種種困難，克服遇到一些情況不知手措后的茫然，最后將作品實(shí)現(xiàn)。在實(shí)驗(yàn)中，小組團(tuán)結(jié)合作，學(xué)習(xí)表達(dá)自我、傾聽他人意見，并從別人的想法中得到新的構(gòu)思，進(jìn)行深入探索。實(shí)踐過程中不輕言放棄，學(xué)習(xí)調(diào)整心態(tài)，提高克服困難、抵御挫折的能力。在此期間，我與同學(xué)們學(xué)到了很多東西，磨練意志，錘煉品格，更提升自我學(xué)習(xí)能力。

總之，經(jīng)歷這次實(shí)驗(yàn)改進(jìn)后，不斷改進(jìn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的方法，豐富教材的時(shí)代性，而且促進(jìn)師生共同成長，增進(jìn)師生友情，培養(yǎng)科學(xué)的探究和實(shí)驗(yàn)精神，培養(yǎng)同學(xué)的物理學(xué)科核心素養(yǎng)，為同學(xué)們的成才奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。