凸透鏡成像的規(guī)律

刁傳玲

摘 要：現(xiàn)代社會(huì)是大數(shù)據(jù)的社會(huì)，初中物理是社會(huì)中的物理，因此將大數(shù)據(jù)的思維貫徹到物理教學(xué)中勢(shì)在必行.本文以“凸透鏡成像規(guī)律”為例，不僅以讓學(xué)生掌握科學(xué)知識(shí)為目標(biāo)，更培養(yǎng)了學(xué)生利用大數(shù)據(jù)的思維處理數(shù)據(jù)的能力.本文充分發(fā)揮了學(xué)生的主體地位，有效提升了學(xué)生的探究性學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)造性思維能力.

關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù)思維;做中學(xué);探究性教學(xué)

文章編號(hào)：1008-4134（2019）22-0021 中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1 什么是大數(shù)據(jù)教學(xué)

大數(shù)據(jù)是對(duì)大量的數(shù)據(jù)，運(yùn)用各種手段、方式進(jìn)行分析、挖掘，從而獲得具有洞察力和新價(jià)值的東西的一種信息資產(chǎn)，是高科技時(shí)代的產(chǎn)物.大數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)種類多、 要求實(shí)時(shí)性強(qiáng)、數(shù)據(jù)所蘊(yùn)藏的價(jià)值大等特點(diǎn).隨著科技的快速發(fā)展，大數(shù)據(jù)已在各行各業(yè)中得到應(yīng)用，在物理教學(xué)中，亦可引入大數(shù)據(jù)的思維，以提高學(xué)生在眾多的信息中搜索、處理、分析、歸納和總結(jié)其深層次的規(guī)律的能力.

2 現(xiàn)行教材教法的不足——大數(shù)據(jù)教學(xué)的必要性

初中物理是生活中的物理，是社會(huì)中的物理，因此，初中物理教師應(yīng)該堅(jiān)定從生活走向物理，從物理走向社會(huì)的理念[1]，大數(shù)據(jù)在現(xiàn)在的生活、社會(huì)中產(chǎn)生了暴風(fēng)雨般的影響，但現(xiàn)行教材對(duì)“凸透鏡成像規(guī)律”的教學(xué)方法依然以實(shí)驗(yàn)為主，通過(guò)教師進(jìn)一步引導(dǎo)，學(xué)生做實(shí)驗(yàn)得到凸透鏡成像的基本規(guī)律，在此活動(dòng)中，學(xué)生缺乏思維上的主動(dòng)性和積極性，本文先通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，再依據(jù)大數(shù)據(jù)的思維對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、整合和補(bǔ)充，極大地調(diào)動(dòng)了學(xué)生主動(dòng)思考，提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力.凸透鏡成像規(guī)律在本節(jié)課中已經(jīng)不是最重要的了，最主要的是學(xué)生利用大數(shù)據(jù)的思維解決問(wèn)題的能力.

3 大數(shù)據(jù)教學(xué)的開(kāi)展

針對(duì)現(xiàn)行教育及高科技的突飛猛進(jìn)，如何找準(zhǔn)“最近發(fā)展區(qū)”[2]，開(kāi)展有效的教學(xué)活動(dòng)是歷代教師探討和研究的重要課題.本文以“凸透鏡成像規(guī)律”為例，借助大數(shù)據(jù)的處理思維，以期捕捉到學(xué)生的敏感期.根據(jù)初中生的身心發(fā)展特點(diǎn)，課題的引入可以調(diào)動(dòng)學(xué)生的興趣，引起他們的有意注意，瞬間集中注意力，因此課題的引入非常關(guān)鍵.在物理教學(xué)中，課題的引入應(yīng)以實(shí)物、實(shí)驗(yàn)和視頻等為優(yōu)，這里以放大鏡分別觀察遠(yuǎn)近不同的物體引入新課，讓學(xué)生初步意識(shí)到放大鏡所成的像不一定是放大的，其成像的大小與像距有關(guān)，為后面的數(shù)據(jù)分析和處理埋下伏筆.

初中生的心理發(fā)展特點(diǎn)是：對(duì)自己聽(tīng)到的知識(shí)有很大的排斥心理，或者說(shuō)他們這個(gè)階段以難倒教師、反駁教師為榮，因此，他們不會(huì)輕易相信教師告訴他們的知識(shí)點(diǎn)，但他們對(duì)自己看到的，自己做的、歸納出的知識(shí)點(diǎn)會(huì)深信不疑并留下深刻的印象.基于此，本節(jié)課的教學(xué)設(shè)計(jì)以充分體現(xiàn)學(xué)生的主體地位為主，

探究性實(shí)驗(yàn)貫穿始終，邏輯性結(jié)論層層遞進(jìn);

教師引導(dǎo)為輔，將課堂交給學(xué)生，深入貫徹“做中學(xué)”[3].本文以大數(shù)據(jù)教學(xué)為依托，按照“觀察現(xiàn)象——提出假設(shè)——探究實(shí)驗(yàn)——分析數(shù)據(jù)——得出結(jié)論——進(jìn)一步分析——完善結(jié)論”的流程，采用新的教學(xué)思路，重新審視“凸透鏡成像規(guī)律”的教學(xué)過(guò)程.

3.1 觀察現(xiàn)象——突破潛意識(shí)

放大鏡是學(xué)生從小熟識(shí)的一種工具，探究性實(shí)驗(yàn)貫穿始終，邏輯性結(jié)論層層遞進(jìn)，放大鏡的鏡片其實(shí)就是一個(gè)凸透鏡，大部分人都只是應(yīng)用了放大鏡的放大功能，課程開(kāi)始以放大鏡觀察遠(yuǎn)近不同的物體引入，發(fā)現(xiàn)看到的像，不僅有放大的，也有縮小的，推翻了學(xué)生認(rèn)為放大鏡一定是放大的潛意識(shí)，與生活中得到的知識(shí)產(chǎn)生了沖擊，更易抓住學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的探究欲望.

3.2 提出假設(shè)——物距的建立

提出問(wèn)題：凸透鏡所成像的大小與什么有關(guān)？學(xué)生很容易猜到凸透鏡所成像的特征可能與物體到凸透鏡的距離有關(guān)，進(jìn)而引出像距、物距及焦距等概念（如圖1所示）.

焦點(diǎn)（F）——平行于主光軸的光線，通過(guò)凸透鏡后在主光軸上會(huì)聚的點(diǎn)叫焦點(diǎn)F;

焦距（f）——焦點(diǎn)到光心的距離叫焦距;

物距（u）——物體到凸透鏡光心的距離叫物距;

像距（v）——凸透鏡成的像到凸透鏡光心的距離叫像距.

即得出凸透鏡成像的特征應(yīng)該與物距有關(guān).

3.3 探究實(shí)驗(yàn)

在光具座上調(diào)節(jié)“F”光源、光屏，使其中心在凸透鏡的主光軸上（或在同一高度上），不斷改變物距的大小，在光屏上找到相應(yīng)的最清晰的像，并將測(cè)得的數(shù)據(jù)及成像性質(zhì)記錄在表格中.具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：

（1）保持凸透鏡在50cm刻度處不動(dòng);

（2）改變物距的大小;

（3）移動(dòng)光屏直到在光屏上找到清晰的像;

（4）記錄物距、像距、成像性質(zhì).

3.4 數(shù)據(jù)分析

合理地進(jìn)行數(shù)據(jù)分析是大數(shù)據(jù)解決問(wèn)題的關(guān)鍵所在，本文中選用將數(shù)據(jù)填在Excel表格中，對(duì)排序及規(guī)律的發(fā)現(xiàn)有較好的直觀性和便捷性.

在本次實(shí)驗(yàn)中所使用的凸透鏡的焦距為10cm，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生得到的數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，該數(shù)據(jù)的處理關(guān)鍵在于選取哪一物理量進(jìn)行排序，在引入階段已潛意識(shí)地引導(dǎo)了成像性質(zhì)與物距有關(guān)，故大部分學(xué)生會(huì)想到要按照物距的大小順序進(jìn)行排序，個(gè)別學(xué)生可能會(huì)堅(jiān)持自己的想法—用像距排序，正如之前說(shuō)的，他們不愿意接受教師給自己預(yù)設(shè)好的知識(shí)，針對(duì)這種情況，可先按學(xué)生的想法以像距大小排序見(jiàn)表2，學(xué)生自己便會(huì)發(fā)現(xiàn)成像性質(zhì)雖有規(guī)律可循，但與物距的關(guān)系卻錯(cuò)綜復(fù)雜，故我們考慮用物距的大小進(jìn)行排序，本文中采用物距從小到大的排序方法見(jiàn)表3，發(fā)現(xiàn)“凸透鏡成像規(guī)律”較為明顯.

根據(jù)排好序的表格，學(xué)生通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析和整合，可初步得到以下結(jié)論：（1）在光屏上所成的像都是倒立的實(shí)像;（2）當(dāng)物距小于像距時(shí)成倒立放大的實(shí)像.很容易聯(lián)想到當(dāng)物距等于像距時(shí)，凸透鏡成像性質(zhì)是否會(huì)比較特殊？猜測(cè)所成的像應(yīng)是等大的.通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)物距等于像距時(shí)，

凸透鏡所成的像確實(shí)是倒立等大的實(shí)像.教師對(duì)結(jié)論進(jìn)一步引導(dǎo)：將物距、像距與焦距相聯(lián)系，進(jìn)一步得到較完善結(jié)論：（1）當(dāng)物距大于2f時(shí)（u>2f），像距在1f和2f之間（f2f），成倒立放大的實(shí)像.

分析所得數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，缺少u(mài)≤f的數(shù)據(jù)，再讓學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究此范圍的成像性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)，當(dāng)u≤f時(shí)，不論怎樣移動(dòng)光屏，都不能在光屏上找到清晰的像，教師適時(shí)地告訴學(xué)生尋找像的方法：撤去光屏，在光屏一側(cè)觀察，發(fā)現(xiàn)了正立放大的虛像（非真實(shí)光線會(huì)聚而成），細(xì)心的學(xué)生還會(huì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)u=f時(shí)，不論采取何種措施都不能觀察到像，這是因?yàn)榇藭r(shí)經(jīng)凸透鏡后的光束無(wú)法會(huì)聚，即為平行光，所以不能成像，這也是獲得平行光的一種方法.

在處理表格數(shù)據(jù)時(shí)，有些數(shù)據(jù)可能存在問(wèn)題，比如：第1、2組數(shù)據(jù)，物距都為13cm，但像距一個(gè)是40cm，一個(gè)卻是38cm，同樣的，第3、4組，5、6組也存在這樣的問(wèn)題，這主要是因?yàn)闆](méi)有在光屏上找到最清晰的像就讀數(shù)了;觀察第一組數(shù)據(jù)和最后一組數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，它們的物距和像距互換了，成像的性質(zhì)也發(fā)生了改變，可用光路可逆的原理解釋.

至此，“凸透鏡成像規(guī)律”基本全部得出，為了方便觀察和記憶，還可將該規(guī)律完善到橫軸上（如圖2所示）.

圖中清楚地發(fā)現(xiàn)，在一倍焦距處將實(shí)像與虛像區(qū)分開(kāi)，在二倍焦距處將放大的像和縮小的像分開(kāi)，可以簡(jiǎn)單記憶：一倍焦距分虛實(shí)，二倍焦距分大小.

綜上所述，本節(jié)課通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究及數(shù)據(jù)分析主要得到了以下結(jié)論：

（1）在光屏上所成的像都是倒立的實(shí)像;（2）當(dāng)物距大于2f時(shí)（u>2f），像距在1f和2f之間（f2f），成倒立放大的實(shí)像;（5）一倍焦距分虛實(shí)，二倍焦距分大小.

4 教學(xué)啟示

物理是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，但我們不應(yīng)為做實(shí)驗(yàn)而做實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)無(wú)異于灌輸性教學(xué)，學(xué)生學(xué)起來(lái)會(huì)味同嚼蠟，索然無(wú)味.實(shí)驗(yàn)應(yīng)充分體現(xiàn)探究性，將課堂還給學(xué)生，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中感受物理的魅力.杜威認(rèn)為：探究性教學(xué)可以建立新舊知識(shí)的非任意性和實(shí)質(zhì)性聯(lián)系，充滿探究性教學(xué)的課堂才是高效的課堂.回顧“凸透鏡成像規(guī)律”整個(gè)實(shí)驗(yàn)探究及結(jié)論的獲得過(guò)程均發(fā)揮了學(xué)生的主體地位，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中得出結(jié)論，在結(jié)論中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并帶著問(wèn)題完善實(shí)驗(yàn).整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程是學(xué)生自己探究、反復(fù)實(shí)驗(yàn)、解決問(wèn)題的過(guò)程。探究性學(xué)習(xí)讓學(xué)生明白，科學(xué)知識(shí)就是在不斷地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題中進(jìn)步的.整個(gè)教學(xué)過(guò)程不僅引領(lǐng)學(xué)生逐步得到了“凸透鏡成像規(guī)律”，還豐富了學(xué)生利用大數(shù)據(jù)的思維對(duì)獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理整合的能力，更激起了學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)物理的興趣.在探究“凸透鏡成像規(guī)律”的過(guò)程中，在教師的主導(dǎo)作用下，充分發(fā)揮了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的主體地位，有效提升了學(xué)生的科學(xué)思維能力、實(shí)驗(yàn)探究能力以及數(shù)據(jù)處理能力.

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（收稿日期：2019-06-14）