基于發(fā)展學(xué)生物理核心素養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)
—— 以“探究凸透鏡的成像規(guī)律”為例

文∣李卉晶

“學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)”的提出，是全面貫徹黨的教育方針、落實(shí)立德樹人根本任務(wù)的一項(xiàng)重要舉措。要發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)，除了要豐富課程內(nèi)容以滿足學(xué)生個性發(fā)展的需求外，更要設(shè)計(jì)合理的教學(xué)方案;教師是課堂的主導(dǎo)者，教師的教學(xué)方式很大程度上影響著學(xué)生的學(xué)習(xí)方式，從而影響學(xué)生各方面能力與思維的培養(yǎng)。因此，教師需要不斷地將教學(xué)方法進(jìn)行改進(jìn)與創(chuàng)新，更好地發(fā)揮引導(dǎo)作用，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)。

物理學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)生科學(xué)核心素養(yǎng)的重要構(gòu)成，為學(xué)生的終身發(fā)展奠定基礎(chǔ)，是學(xué)生在接受物理教育過程中逐步形成的適應(yīng)個人終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力。[1]“如何發(fā)展學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)”是每一名物理教師必須學(xué)習(xí)的課題，其中物理實(shí)驗(yàn)在物理教學(xué)中有著不可或缺的地位，對于培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng)有著重要作用。因此，如何在物理實(shí)驗(yàn)課中落實(shí)核心素養(yǎng)的培養(yǎng)也是我們要研究的重要課題。

目前教師在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面面臨著諸多難題。由于很多物理實(shí)驗(yàn)“難”,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯或?qū)嶒?yàn)不易成功，學(xué)生對物理實(shí)驗(yàn)興趣不高，出現(xiàn)畏難心理；由于應(yīng)試教育的影響，以往很多教師用“練習(xí)”代替“學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作”，用“播放實(shí)驗(yàn)視頻”代替“演示實(shí)驗(yàn)”，導(dǎo)致學(xué)生動手能力差，缺乏科學(xué)探究的方法。筆者認(rèn)為，解決這些問題的最有效途徑就是對傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，加強(qiáng)物理實(shí)驗(yàn)與生活的聯(lián)系，培養(yǎng)學(xué)生對物理實(shí)驗(yàn)的興趣；設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)器材，有效降低實(shí)驗(yàn)難度，合理制訂實(shí)驗(yàn)計(jì)劃有利于學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中培養(yǎng)科學(xué)思維，掌握科學(xué)探究的方法，發(fā)展物理核心素養(yǎng)。

下面筆者以粵教滬科版初中物理八年級上冊“探究凸透鏡的成像規(guī)律”實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例，從科學(xué)探究的幾個步驟，即“提出問題”“猜想與假設(shè)”“設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與制訂計(jì)劃”“進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與收集證據(jù)”和“分析與論證”五個方面來探究在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中進(jìn)行創(chuàng)新的具體方法。

一、提出問題

以往很多教師在講授“探究凸透鏡的成像規(guī)律”一課時，課堂引入都是讓學(xué)生用凸透鏡觀察物體，分別找到正立放大的像(如圖1所示)、倒立放大的像(如圖2所示)和倒立縮小的像(如圖3所示)，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生提出問題“凸透鏡成像情況與哪些因素有關(guān)”。這個引入設(shè)計(jì)很合理自然，但在實(shí)際課堂中很多學(xué)生只能找到正立放大的像。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)室的凸透鏡直徑較小且焦距較長，需要比較準(zhǔn)確地同時調(diào)節(jié)好合適物距和像距才能看到相應(yīng)的像，且學(xué)生對凸透鏡成像比較陌生，只對放大鏡的使用比較熟悉，因此不容易找到倒立放大的像，要找到倒立縮小的像就更難了。

圖1

圖2

圖3

也有一些教師利用實(shí)驗(yàn)室的凸透鏡進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)，但是由于成像太小而無法讓全班學(xué)生看清楚這三種成像的情況，不能很自然地引導(dǎo)學(xué)生提出問題并進(jìn)行合理的猜想。

為解決此問題，筆者用廢舊的水晶球音樂盒簡單改造后得到一個透明水球(如圖4所示)，用于代替實(shí)驗(yàn)室的凸透鏡進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)。制作一個雙色箭頭圖案作為被觀察物體(如圖4所示)，教師通過由大到小改變物距，進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生清晰地觀察倒立縮小的像(如圖5所示)、倒立放大的像(如圖6所示)和正立放大的像(如圖7所示)。

圖4

圖5

圖6

圖7

這樣設(shè)計(jì)課堂引入將生活中的常見物品進(jìn)行改造利用，做法新奇有趣，成功引起學(xué)生的注意。教學(xué)現(xiàn)象清晰明顯，便于學(xué)生觀察，合理自然地讓學(xué)生產(chǎn)生疑問：“為什么會出現(xiàn)這么多不同的像？”然后教師提出問題：“凸透鏡成像情況與哪些因素有關(guān)？”學(xué)生還可以通過觀察教師具體操作(由大到小改變了物距)合理地作出猜想：“凸透鏡的成像情況與物距有關(guān)”，自然銜接下一個實(shí)驗(yàn)步驟。

二、猜想與假設(shè)

凸透鏡的成像情況不僅與物距有關(guān)，還與凸透鏡的焦距有關(guān)。但對于“凸透鏡的成像情況可能與凸透鏡的焦距有關(guān)”這一猜想，若教師不利用實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象啟發(fā)學(xué)生，學(xué)生很難作出這一猜想。對此，以往很多教師的做法是讓學(xué)生用兩個焦距不同的凸透鏡并排放置(如圖8所示)，然后學(xué)生透過兩個凸透鏡分別去觀察同一物體，但實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并不明顯。

圖8

筆者采用兩個大小不同的透明水球代替兩個凸透鏡，在課堂上進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)：保持物距不變時，學(xué)生透過大水球看到的是倒立放大的像(如圖9所示)，透過小水球看到的是倒立縮小的像(如圖10所示)，現(xiàn)象十分明顯，啟發(fā)學(xué)生作出猜想：“凸透鏡的成像情況可能與凸透鏡的焦距有關(guān)。”

三、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與制訂計(jì)劃

對實(shí)驗(yàn)計(jì)劃進(jìn)行創(chuàng)新能有效降低實(shí)驗(yàn)難度，激發(fā)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的探究興趣，使學(xué)生形成積極主動的探究態(tài)度；讓學(xué)生更加順利地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并得出正確的結(jié)論，更好地培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力和團(tuán)結(jié)合作的精神?！疤骄客雇哥R的成像規(guī)律”實(shí)驗(yàn)計(jì)劃的創(chuàng)新包括以下兩個方面。

(一)實(shí)驗(yàn)裝置創(chuàng)新

1.光源的改進(jìn)

圖11

2.光具座標(biāo)尺的改進(jìn)

以中間位置為零刻度線，實(shí)驗(yàn)時使凸透鏡對準(zhǔn)零刻度線，就可以直接讀出物距與像距，不僅大大縮短實(shí)驗(yàn)時間，而且能夠啟發(fā)學(xué)生實(shí)驗(yàn)時應(yīng)該記錄哪些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。另外，把教師用的光具座做成雙面標(biāo)尺并把字體放大，方便用于演示實(shí)驗(yàn)(如圖12所示)。

3.光屏的改進(jìn)

光屏用印有格子的白紙做成，且格子大小與光源板上的格子大小一致(如圖12所示)，便于觀察對比像的大小(放大/等大/縮小)。

圖12

(二)實(shí)驗(yàn)計(jì)劃創(chuàng)新

教材中直接給出三種成像情況，讓學(xué)生按照圖片所示完成實(shí)驗(yàn)；記錄數(shù)據(jù)時只要求記錄物距u與焦距f的關(guān)系(如圖13所示)，實(shí)驗(yàn)操作較單一，缺少了探究性和趣味性，學(xué)生沒有經(jīng)歷科學(xué)探究的過程，不能很好地接受最終得出的凸透鏡成像規(guī)律，也不能通過實(shí)驗(yàn)探究知道：當(dāng)凸透鏡成像時，像距、像的大小隨物距變化的定性關(guān)系。

(a)u>2f b)2f>u>f (c)u

物距u跟焦距f的關(guān)系像的大小像的正倒像的虛實(shí)

在進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)時，不指定光源位置，根據(jù)前面的演示實(shí)驗(yàn)啟發(fā)學(xué)生從大到小改變物距，分別找出演示實(shí)驗(yàn)中的三種成像情況并記錄下來。教師把全班學(xué)生分成10個小組，5個小組用焦距為10 cm的凸透鏡進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)，其余5個小組用焦距為15 cm的凸透鏡進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)。學(xué)生不在實(shí)驗(yàn)表格中不直接記錄物距與焦距的關(guān)系，而是改為記錄具體的焦距和物距。通過這樣引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生明白實(shí)驗(yàn)研究什么和怎樣研究，實(shí)驗(yàn)時該觀察什么、測量什么、記錄什么，[2]進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力。

四、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與收集證據(jù)

由于課堂時間有限，以往學(xué)生實(shí)驗(yàn)一般會進(jìn)行3—5次，但在“探究凸透鏡的成像規(guī)律”的實(shí)驗(yàn)中，3—5組的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并不能體現(xiàn)規(guī)律，學(xué)生無法順利地從中總結(jié)出實(shí)驗(yàn)規(guī)律。

筆者利用金山文檔的協(xié)作功能在線收集全部小組的數(shù)據(jù)(在線收集數(shù)據(jù)適用于平板班，普通班級可以派小組長將數(shù)據(jù)輸入電腦)，收集大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)能使結(jié)論更具有說服力，而且還將信息技術(shù)融入實(shí)驗(yàn)課堂中，使實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確高效，同時還培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作精神。

五、分析與論證

教師通過在線Excel表格收集得到的數(shù)據(jù)量大(如表1所示)，學(xué)生不容易分析得出規(guī)律。

表1 利用金山文檔的協(xié)作功能在線收集到的全部小組的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

所以，教師要利用Excel表格的排序功能，將數(shù)據(jù)分成兩組按照物距從大到小重新排序，得到如表2所示的表格。

表2 排序后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

學(xué)生通過小組討論交流，能夠很容易發(fā)現(xiàn)“當(dāng)物距在一定的范圍內(nèi)時，所成的像的性質(zhì)是相同的”，進(jìn)而總結(jié)出每一種像對應(yīng)的物距范圍和像距范圍，得到初步的凸透鏡成像規(guī)律，如表3所示。

表3 初步的凸透鏡成像規(guī)律

然后教師再引導(dǎo)學(xué)生觀察表3，發(fā)現(xiàn)問題，進(jìn)一步探究，得到完整的凸透鏡成像規(guī)律，如表4所示。

表4 完整的凸透鏡成像規(guī)律