六種版本初中教材“探究凸透鏡成像規(guī)律”實(shí)驗(yàn)的比較與啟示

彭 佳，許桂清，吳先球

華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院，廣州 510006

凸透鏡成像問題是中學(xué)光學(xué)教學(xué)的重點(diǎn)之一，各個(gè)版本教材由于編者教育理念的不同，在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容編排和表格設(shè)計(jì)上有差異。本文在橫向比較各個(gè)版本教材的基礎(chǔ)上，縱向深入對(duì)“像物虛實(shí)、大小、正倒、左右顛倒”等難點(diǎn)問題提出了一些改進(jìn)措施與建議，希望對(duì)教學(xué)有所啟示。

1 六種版本教材“探究凸透鏡成像規(guī)律”設(shè)計(jì)思路的比較與分析

通過(guò)對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)上述六種版本教材都基本滿足了新課標(biāo) “探究并知道凸透鏡成像的規(guī)律，了解凸透鏡成像規(guī)律的應(yīng)用”的要求。由于編者教育理念的差異，設(shè)計(jì)思路上也有所不同。

1.1 設(shè)計(jì)思路的比較

設(shè)計(jì)思路大致有3種邏輯，如表1所示。

表1 3種設(shè)計(jì)思路

1.2 設(shè)計(jì)思路的分析

第1種思路，限制了成像性質(zhì)，這種模式的優(yōu)點(diǎn)是學(xué)生只要找到所需要成的像后記錄物距和像距，找到物距和像距有什么規(guī)律，分析物距與焦距之間的關(guān)系就可以了。簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)過(guò)程，指導(dǎo)性比較強(qiáng)，降低了教學(xué)難點(diǎn)，也達(dá)到了節(jié)約時(shí)間的目的。

第2種思路，限制了物距，這樣的探究方法，先給學(xué)生灌輸了一個(gè)固定的探究框架，即在某個(gè)規(guī)定的范圍內(nèi)進(jìn)行探究，雖然能讓學(xué)生容易得出想要的結(jié)論，但是學(xué)生可能會(huì)對(duì)為什么要在這個(gè)規(guī)定的范圍內(nèi)探究產(chǎn)生疑問。學(xué)生的探究受到了一定的約束，不能在更大的范圍、更普遍的條件下探究、歸納、總結(jié)。

第3種思路，讓學(xué)生在沒有任何暗示的情況下進(jìn)行自主探究學(xué)習(xí)，通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)規(guī)律。學(xué)生通過(guò)探究活動(dòng)，體驗(yàn)科學(xué)探究的全過(guò)程和方法，學(xué)習(xí)從物理現(xiàn)象中歸納科學(xué)規(guī)律的方法。

那么上面3種設(shè)計(jì)思路哪一種較好呢?建構(gòu)主義教學(xué)理論認(rèn)為，學(xué)生要成為有意義學(xué)習(xí)的主動(dòng)建構(gòu)者，教師在教學(xué)中傳播的不僅是知識(shí)，還要幫助學(xué)生經(jīng)歷探究的過(guò)程，更為重要的是要理解探究的思路和研究方法，讓學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究的完整過(guò)程。綜合比較分析認(rèn)為，第3種思路最能提高學(xué)生科學(xué)思維和科學(xué)探究的物理核心素養(yǎng)。

2 六種版本教材“探究凸透鏡成像規(guī)律”實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的比較與建議

不同的設(shè)計(jì)思路的指導(dǎo)下，各個(gè)版本教材在實(shí)驗(yàn)的具體編排和內(nèi)容上也有所差異，如表2所示。

表2 六種版本教材“探究凸透鏡成像規(guī)律”實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的比較

各個(gè)版本教材實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的編排各有優(yōu)缺點(diǎn)，通過(guò)分析比較認(rèn)為，最合理的設(shè)計(jì)是給學(xué)生提供2～3種不同焦距的凸透鏡，不預(yù)先規(guī)定好要測(cè)像距與物距有特殊關(guān)系點(diǎn)，而是先取較大物距進(jìn)行觀察測(cè)量，然后逐漸減小物距進(jìn)行觀察測(cè)量，然后換用不同焦距的凸透鏡重復(fù)實(shí)驗(yàn)。在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析，采用同中求異、異中求同和同異綜合等物理科學(xué)方法尋找統(tǒng)一的凸透鏡成像規(guī)律。

這樣的做法，學(xué)生經(jīng)歷了真正的探究過(guò)程，規(guī)律是學(xué)生在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)出來(lái)的，印象比較深刻，避免了通過(guò)大量的“題海戰(zhàn)術(shù)”讓學(xué)生掌握成像規(guī)律。

3 六種版本教材“探究凸透鏡成像規(guī)律”實(shí)驗(yàn)表格設(shè)計(jì)的比較與改進(jìn)

3.1 實(shí)驗(yàn)表格的比較

人教版使用一個(gè)凸透鏡對(duì)每種成像情況要求做2次實(shí)驗(yàn)。

教科版和北師大版都缺少像距v的記錄，學(xué)生不好從表格中分析歸納出u、v之間的變化規(guī)律。

滬粵版實(shí)驗(yàn)記錄表格中每種成像情況做1次。

蘇科版設(shè)計(jì)了兩個(gè)實(shí)驗(yàn)表格，第一個(gè)表格探究成像“大小”“正倒”和焦距之間的關(guān)系。第二個(gè)表格用來(lái)探究像物等大的關(guān)鍵點(diǎn)，并且用了兩個(gè)不同焦距的凸透鏡，減少了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的偶然性，增加了結(jié)論的可靠性。

滬科版要求學(xué)生自己想方法測(cè)量凸透鏡的焦距，要求每組學(xué)生使用不同焦距的凸透鏡探究成像規(guī)律，對(duì)每種成像情況做1次實(shí)驗(yàn)，并且缺少物距u與焦距f的關(guān)系的記錄。

3.2 實(shí)驗(yàn)表格的改進(jìn)方案

根據(jù)上面表格存在的問題，運(yùn)用上文推薦的北師大版的開放式設(shè)計(jì)思路，結(jié)合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容編排的改進(jìn)建議，本文對(duì)實(shí)驗(yàn)表格做了如下的改進(jìn)，見表3。

表3 凸透鏡成像規(guī)律實(shí)驗(yàn)記錄表（f=10 cm）

實(shí)驗(yàn)前先讓學(xué)生自己想方法測(cè)量凸透鏡的焦距，并在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中讓學(xué)生從遠(yuǎn)到近不斷地接近凸透鏡，在每個(gè)焦距之間至少進(jìn)行3次的實(shí)驗(yàn)，在觀察分析的基礎(chǔ)上歸納總結(jié)像物之間的大小、虛實(shí)、正倒在不同位置之間的關(guān)系，并要求學(xué)生換一個(gè)焦距的凸透鏡重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，在大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析，歸納總結(jié)出凸透鏡的成像規(guī)律。在一些重要的關(guān)鍵點(diǎn)上教師要做好引導(dǎo)工作，幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)、總結(jié)出2倍焦距點(diǎn)是成像大小的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，1倍焦距點(diǎn)是成像虛實(shí)、正倒的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

4 關(guān)于重點(diǎn)、難點(diǎn)的比較與啟示

4.1 關(guān)于虛、實(shí)轉(zhuǎn)折點(diǎn)問題

人教版、滬粵版和滬科版在實(shí)驗(yàn)表格和分析論證中探究了成像虛實(shí)的問題。

蘇科版在實(shí)驗(yàn)的表格記錄數(shù)據(jù)中缺少對(duì)像的“虛實(shí)”性質(zhì)的探究，僅在實(shí)驗(yàn)步驟中提到了小于一倍焦距時(shí)，光屏是否成像。

北師大版在探究實(shí)驗(yàn)開始之前就提出了實(shí)像和虛像的概念。

教科版在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中以提示的形式給出實(shí)像和虛像的概念定義，降低了探究的難度，有利于學(xué)生對(duì)兩個(gè)容易混淆的概念的辨析，幫助學(xué)生總結(jié)規(guī)律，更好地理解虛像、實(shí)像的概念和兩者轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵點(diǎn)，方法值得借鑒。

4.2 關(guān)于像物的大小問題

各個(gè)版本的教材多是選用蠟燭作為光源，白屏成像，首先選擇蠟燭作為光源極不穩(wěn)定，其次學(xué)生通?？磕繙y(cè)來(lái)判斷像的大小變化和比較像與物的大小關(guān)系，具有較大的不確定性。例如，當(dāng)物體處于兩倍焦距時(shí)，由于像比較暗，學(xué)生往往會(huì)認(rèn)為這時(shí)的像是縮小的，由此得出錯(cuò)誤的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

筆者認(rèn)為，選用燭焰做為比較物體的像和物的大小關(guān)系時(shí)不是很合適，可以用圖1中的光源(在光屏上貼上坐標(biāo)紙，方便通過(guò)數(shù)格子的方法測(cè)量像寬和像高）。

在探究2倍焦距時(shí)像物大小相等時(shí)，建議可以通過(guò)畫光路圖（圖2）來(lái)判斷物距等于2倍焦距時(shí)凸透鏡成的像和物體等大。

圖 1 “F”形 LED 燈

圖2 用圖像方法分析物距等于2倍焦距時(shí)凸透鏡成像的特點(diǎn)

4.3 關(guān)于像的“正倒”“左右”顛倒問題

北師大版在制訂計(jì)劃里提出了在成虛像和實(shí)像的兩種情況下，輕輕地吹蠟燭的火焰，使它向左側(cè)或右側(cè)偏斜，觀察火焰的像是向左側(cè)還是向右側(cè)偏斜？注意像與物的左右關(guān)系。

如果只是單純地研究像和物體的“左右”“正倒”顛倒的話，選用燭焰做光源還是比較合適的，人的視線從蠟燭的外側(cè)向著光屏的方向望去，沿一個(gè)方向可以同時(shí)觀察到物體和像，輕吹蠟燭很容易觀察到蠟燭的像和物偏斜的方向是相反的。

5結(jié)語(yǔ)

對(duì)六版教材的橫向比較分析的基礎(chǔ)上，運(yùn)用開放式設(shè)計(jì)思路，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中為學(xué)生提供2～3種不同焦距的凸透鏡，不預(yù)先規(guī)定好要測(cè)像距與物距有特殊關(guān)系點(diǎn)，讓學(xué)生在沒有任何暗示的情況下進(jìn)行自主探究學(xué)習(xí)，通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)規(guī)律，更有利于提高學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究的物理核心素養(yǎng)。