基于Algodoo的初中物理光學(xué)教學(xué)新思路探討
——以蘇科版物理光學(xué)教學(xué)中若干片段為例

江蘇省宿遷市沭陽如東實(shí)驗(yàn)學(xué)校(223600) 朱紅偉

初中物理光學(xué)知識的學(xué)習(xí)多以實(shí)驗(yàn)進(jìn)行，理論分析以精確作圖為主，如探究凸透鏡成像規(guī)律。然而在初中物理實(shí)驗(yàn)室中，部分光學(xué)實(shí)驗(yàn)對環(huán)境、器材、課型等有一定要求，比如光線亮暗會影響實(shí)驗(yàn)的效果、習(xí)題課教學(xué)時(shí)不具備做實(shí)驗(yàn)的條件等；同時(shí)學(xué)生的作圖能力也有所欠缺，無法進(jìn)行精確作圖來得出規(guī)律或進(jìn)行解題。這就需要有新的教學(xué)思路來改變這一現(xiàn)狀，既要保持現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，同時(shí)也要通過一定手段來提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)認(rèn)知能力和精確作圖、科學(xué)解題能力。本文將以Algodoo平臺為工具，以蘇科版光學(xué)教學(xué)中若干教學(xué)片段為例進(jìn)行評析，探討出適合當(dāng)前光學(xué)教學(xué)的新思路。

1 Algodoo簡介

Algodoo為瑞典公司于2009年推出的仿真實(shí)驗(yàn)平臺，利用它可以繪制物理圖像、構(gòu)建物理模型、展現(xiàn)物理情境。使用時(shí)先利用“新建場景”菜單創(chuàng)建場景(如本文選擇光學(xué)場景)，并使用繪圖工具進(jìn)行編輯；利用平臺內(nèi)置的元件工具及彈簧、鐳射燈、火箭助推等其他輔助工具創(chuàng)建物理元素，并對元素的質(zhì)量、密度、摩擦力、材料等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，最終使其在重力、摩擦力、彈力、浮力、空氣阻力等環(huán)境下相互作用，從而實(shí)現(xiàn)高精度的物理仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)踐證明，利用該平臺進(jìn)行的光學(xué)實(shí)驗(yàn)完全能夠替代常規(guī)實(shí)驗(yàn)，并在實(shí)驗(yàn)效果、實(shí)驗(yàn)精度等方面優(yōu)于常規(guī)實(shí)驗(yàn)。

2 教學(xué)片段

2.1 片段一：觀察光的色散

“分解太陽光”活動開始前已完成光的色散演示。

師：同學(xué)們，剛才我們將太陽光“引入”教室并照射在三棱鏡上，看到了什么現(xiàn)象？說明了什么？

生：白光被分解為不同顏色的光，說明白光不是最單純的。

師：確實(shí)如此，但是大家觀察剛才的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象又能發(fā)現(xiàn)什么問題？

生：現(xiàn)象并不是很明顯，只能大概看清紅光、紫光等，其他看不清楚。

師：老師今天給大家介紹一種全新的仿真實(shí)驗(yàn)平臺——Algodoo，我們通過它就可以真實(shí)再現(xiàn)分解太陽光的場景。

教師打開“光的色散”Algodoo課件并進(jìn)行模擬展示，如圖1所示。

圖1 光的色散

師：通過剛才的實(shí)驗(yàn)，大家又觀察到什么現(xiàn)象能得出什么結(jié)論呢？

生：看到了一條光帶，從上向下依次為紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫。

師：其實(shí)這就是光的色散現(xiàn)象。太陽光可以分解成多種色光，那么多種色光混合能得到白光嗎？我們應(yīng)該如何去做？

生：在三棱鏡的右邊再加一個三棱鏡，我猜想可能會得到白光。

教師拖取三棱鏡放置在合適位置，如圖2所示。

圖2 光的復(fù)合

師：正如剛才同學(xué)所說，分解的色光也可以復(fù)合為白光，大家如何來理解光的色散現(xiàn)象呢？

生：光的色散現(xiàn)象說明了太陽光是由多種色光混合而成的。

評析：平常教學(xué)中一般使用太陽光作為光源，理論上白光經(jīng)三棱鏡折射后，在白屏上出現(xiàn)從上到下紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫依次排列的彩色光帶，但由于實(shí)驗(yàn)環(huán)境等因素影響，實(shí)驗(yàn)效果不明顯。此時(shí)使用高精度的Algodoo仿真平臺進(jìn)行演示，經(jīng)過一系列的參數(shù)設(shè)置就可以真實(shí)再現(xiàn)光的色散現(xiàn)象，使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更明顯，使學(xué)生印象更深刻，提高教學(xué)目標(biāo)達(dá)成度。

2.2 片段二：魚像位置

師：通過學(xué)習(xí)我們了解到魚在水中所成像為虛像，相對于魚而言是變淺的，那大家認(rèn)為魚像應(yīng)該在物的什么位置呢？偏左上？正上方？偏右上？

教師要求學(xué)生分小組進(jìn)行討論，畫光路圖的方式作出魚像，并通過不同的結(jié)果形成認(rèn)知沖突。

師：大家對比老師選取的3組光路圖(如圖3所示)你有什么發(fā)現(xiàn)？

圖3 學(xué)生所作光路圖

生：3個小組的光路圖不一樣，得到的魚像位置不同。

師：那魚像到底應(yīng)該在什么位置呢？我們在岸邊觀察魚像有什么樣的規(guī)律呢？

教師打開“魚像位置”Algodoo課件，并進(jìn)行介紹和演示，如圖4所示。

圖4 魚像位置對比

師：通過觀察你有什么樣的結(jié)論？

生1：通過老師在屏幕上添加的延長線可知，交點(diǎn)也就是魚像應(yīng)該在魚的右上方；

生2：但是從魚正上方向下看時(shí)，魚像在正上方了。

師：其實(shí)魚像的位置取決于人眼的觀察位置。偏離魚觀察時(shí)，魚像在魚的右上方；在魚正上方觀察時(shí)，魚像在正上方，符合“拉近變淺”的規(guī)律。

評析：蘇科版教材中要求學(xué)生會通過作圖分析，得出“像在物的上方”結(jié)論，但像相對于物的準(zhǔn)確位置，教材并沒有明確說明和要求。鑒于學(xué)生所作光路圖千差萬別，同時(shí)為了更好地和高中光學(xué)知識銜接，筆者認(rèn)為應(yīng)在第4小題基礎(chǔ)上加以拓展。使用常規(guī)方法無法完成這個實(shí)驗(yàn)，借助Algodoo平臺可以完美再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)場景，并利用白板筆添加折射光線的反向延長線找出魚像位置，最終得出結(jié)論。通過該環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)，學(xué)生不僅掌握了正確的知識，同時(shí)也為高中物理學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ)。

2.3 片段三：近視眼成因及矯正

師：通過剛才的“模擬探究近視眼的缺陷”活動，大家學(xué)到了哪些內(nèi)容？

生：近視眼成像在視網(wǎng)膜之前，應(yīng)該使用凹透鏡進(jìn)行矯正；但是利用凸透鏡、光屏來模擬晶狀體、視網(wǎng)膜不太好理解。

師：下面老師用Algodoo仿真實(shí)驗(yàn)平臺真實(shí)再現(xiàn)近視眼的成因及矯正情況，請看大屏幕。

教師打開“近視眼成因”Algodoo課件，并進(jìn)行介紹和演示，可以選中凸透鏡利用“縮放工具”使其變厚或變薄，讓學(xué)生清楚地明白“成像在前”的真正原因，如圖5所示。

圖5 近視眼成因

師：在近視眼成因圖中，我們可以發(fā)現(xiàn)光線會聚在視網(wǎng)膜的前方，是什么樣原因造成的呢？

生：晶狀體變薄，會聚能力增強(qiáng)，焦距變短。

師：那我們應(yīng)該如何進(jìn)行矯正呢？

學(xué)生回答問題，同時(shí)教師讓某同學(xué)利用鼠標(biāo)拖動凹透鏡到合適位置，讓會聚點(diǎn)正好在視網(wǎng)膜上，如圖6所示。

圖6 近視眼矯正

師：其實(shí)近視眼鏡的作用就是使光線發(fā)散，使像相對于晶狀體向后移，正好成清晰像在視網(wǎng)膜上。

評析：視力缺陷的成因及矯正是光學(xué)知識中的重難點(diǎn)內(nèi)容。通常學(xué)生是通過常規(guī)的替代實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行探究，但由于沒有建立真實(shí)的人眼成像模型，知識的獲取非常被動。Algodoo可以高仿真度地構(gòu)建人眼模型，通過“縮放”“拖動”等工具模擬近(遠(yuǎn))視眼的成像原因及矯正方式，使學(xué)生感受真實(shí)的情景。學(xué)生在好奇心的作用下對該環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)充滿了熱情。既讓學(xué)生獲取了知識，也對學(xué)生的用眼衛(wèi)生與習(xí)慣有一定的教育意義。

3 結(jié)語

在常規(guī)光學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)基礎(chǔ)上，教師利用Algodoo可以輕松制作高仿真課件，進(jìn)行輔助教學(xué)；學(xué)生也可以在課外進(jìn)行光學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證課堂所學(xué)光學(xué)規(guī)律，加深對物理規(guī)律的理解。在這一教學(xué)思路引領(lǐng)下，既可以彌補(bǔ)常規(guī)實(shí)驗(yàn)的不足，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)的品質(zhì)，也可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，培育學(xué)生的探究精神。但是仿真實(shí)驗(yàn)不等同于常規(guī)實(shí)驗(yàn)，只是起到一定的教學(xué)輔助作用，相信只要運(yùn)用合理就可以實(shí)現(xiàn)光學(xué)重難點(diǎn)的突破，有助于課堂效率的提高。