從基于經(jīng)驗到基于證據(jù)的物理可視化教學(xué)實(shí)踐研究
——以“探究凸透鏡成像規(guī)律”為例

宋 勇

（安徽省蚌埠市教育科學(xué)研究所，安徽 蚌埠 233000）

“探究凸透鏡成像規(guī)律”是初中物理一節(jié)重要的實(shí)驗探究課，在《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)》（2011年版）“科學(xué)內(nèi)容”中的要求是：“探究并知道凸透鏡成像的規(guī)律”.該實(shí)驗在實(shí)際教學(xué)中往往有不同的設(shè)計方案，以下具體分析3種方案.

方案1：非開放環(huán)境下給定物距的分組探究.

該方案將學(xué)生分成若干組，所用透鏡的焦距均相同，每組探究一組條件相同的物距，如第1組探究物距都是大于2倍焦距的情況，第2組探究物距都是大于1倍焦距小于2倍焦距的情況，第3組探究物距都是小于1倍焦距的情況，還可以讓另兩組分別探究物距等于2倍焦距或1倍焦距，每組學(xué)生在探究之后，教師將各組數(shù)據(jù)放在一起進(jìn)行歸納總結(jié)，得出在不同物距下成像的不同結(jié)論.這種方案在常規(guī)教學(xué)中被經(jīng)常使用，是因為這種教學(xué)比較簡單快速，在有限的教學(xué)時間內(nèi)，比較容易得出實(shí)驗的結(jié)論.

然而，這種教學(xué)的問題在于：學(xué)生如何知道1倍焦距和2倍焦距是凸透鏡成像的重要分界點(diǎn)？也就是說，1倍焦距和2倍焦距是教師基于自己的“經(jīng)驗”給學(xué)生的兩個特殊值，這兩個特殊值對學(xué)生來說不是通過探究發(fā)現(xiàn)的.因此，這種方案其實(shí)是在一種非開放環(huán)境下的基于教師經(jīng)驗的探究，是一種偽探究.長期以來，這種探究模式一直在一些課堂出現(xiàn)，這種教學(xué)不僅不能提高學(xué)生的探究能力，更會讓學(xué)生覺得，找?guī)讉€特殊值就可以得到普遍的規(guī)律，顯然，這種設(shè)計違背了科學(xué)探究的實(shí)質(zhì).安徽省2008年的中考實(shí)驗題就是針對這種教學(xué)進(jìn)行的一種糾偏.

例題.（2008年安徽省中考物理試題）我們都做過“探究凸透鏡成像規(guī)律”的實(shí)驗，圖1所示為該實(shí)驗的裝置圖.實(shí)驗時首先利用太陽光測出所使用的凸透鏡的焦距f.請你認(rèn)真思考下面的4種實(shí)驗設(shè)計方案后，回答問題：

圖1

（甲）分別把點(diǎn)燃的蠟燭放在1倍焦距f和2倍焦距2f處，調(diào)整光屏到凸透鏡的距離，觀察并記錄在屏上能否成像以及所成像的特點(diǎn)，分析總結(jié)得出凸透鏡成像的規(guī)律.

（乙）除甲中的做法外，還應(yīng)該把蠟燭放在大于2f的某一位置和大于f、小于2f的某一位置，觀察并記錄對應(yīng)的成像情況，才能總結(jié)得出凸透鏡成像的規(guī)律.

（丙）把點(diǎn)燃的蠟燭從距凸透鏡較遠(yuǎn)的位置逐漸移近（或從較近的位置逐漸遠(yuǎn)離），通過不斷調(diào)整光屏到凸透鏡的距離，觀察并記錄在屏上能否成像，以及所成像的特點(diǎn)，包括觀察所成像隨燭焰位置變化而變化的趨勢，尤其是在f和2f處所成像的情況，從而總結(jié)得出凸透鏡成像的規(guī)律.

（?。┡c丙不同的是，將蠟燭從靠近凸透鏡的位置逐漸遠(yuǎn)離，其它步驟相同.

以上4種方案中，哪些是科學(xué)合理的：________（選填“甲”、“乙”、“丙”、“丁”）.

評析：本題的甲、乙兩個選項提供了兩種通過特殊物距值的成像特點(diǎn)得到一般成像規(guī)律的錯誤做法.顯然，本題所要倡導(dǎo)的是在比較開放的環(huán)境下，讓學(xué)生從盡可能多的實(shí)驗數(shù)據(jù)中主動發(fā)現(xiàn)規(guī)律，而通過試題考查的形式，不僅能甄別學(xué)生科學(xué)探究能力的強(qiáng)弱，更能折射出在實(shí)際教學(xué)中是否存在基于經(jīng)驗的偽探究模式.

方案2：傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集方式下的開放式探究.

該方案采用開放探究的方式，即不對物距大小做要求，實(shí)驗之前布置學(xué)生利用提供的實(shí)驗器材進(jìn)行一次實(shí)驗，物距由學(xué)生自己任意選擇，實(shí)驗中觀察得到一次凸透鏡成像的結(jié)論，記錄物距和像距，觀察像的特點(diǎn).由于沒有對物距作出要求，故該探究是一種相對開放的環(huán)境，全班學(xué)生在各自選取的物距條件下完成成像實(shí)驗，得到的數(shù)據(jù)也包含了各種物距下的成像規(guī)律.教師通過學(xué)生匯報和數(shù)據(jù)展示，將全體學(xué)生的結(jié)論進(jìn)行歸納總結(jié)，從而得出凸透鏡成像的規(guī)律.

這種方案是在一種比較開放的環(huán)境下進(jìn)行的，由于全班學(xué)生都參與了實(shí)驗，得到的數(shù)據(jù)也較為完整.該方案沒有采用經(jīng)驗主義下對2倍焦距和1倍焦距的提前設(shè)置，學(xué)生通過分析整個數(shù)據(jù)得到1倍焦距和2倍焦距是凸透鏡成像的兩個重要分界點(diǎn)，進(jìn)而得到凸透鏡成像的規(guī)律.然而，這種方案也存在一些問題，比如，每位學(xué)生只進(jìn)行了1次或2次實(shí)驗，沒有完整地進(jìn)行凸透鏡成像的多次實(shí)驗，故對實(shí)驗規(guī)律的認(rèn)識是相對片面的.只有將所有學(xué)生的結(jié)論綜合起來，才可以發(fā)現(xiàn)規(guī)律，因此，本方案更側(cè)重小組間在數(shù)據(jù)上的共享，在共享中發(fā)現(xiàn)規(guī)律.

在《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)》（2011年版）的“科學(xué)探究實(shí)例”中，也給出了一種類似的探究方案：課堂上，全班學(xué)生分成了12個實(shí)驗小組，每個小組配一套實(shí)驗器材，各小組凸透鏡的焦距都是15cm，教師讓全班學(xué)生共同探究凸透鏡成像的規(guī)律，物距從6cm開始，每增加3cm取一組實(shí)驗數(shù)據(jù)，直到39cm，共12組不同物距的數(shù)據(jù)（見表1）.教師規(guī)定每個小組只測兩組數(shù)據(jù)，不同小組測量不同的物距，使得每組物距的數(shù)據(jù)都有2個小組測量.表格中所有數(shù)據(jù)對各小組來說都是共享的，教師要求學(xué)生從這些數(shù)據(jù)中總結(jié)出凸透鏡成像的規(guī)律，這是本次探究活動的重點(diǎn).

表1

對以上方案，筆者覺得，其中仍滲透了教師的經(jīng)驗主義，比如物距從6cm開始，每增加3cm取一組實(shí)驗數(shù)據(jù)，直到39cm.這種對物距的規(guī)定，限制了學(xué)生的探究空間，學(xué)生會思考為什么不能是小于6cm的物距，為什么要增加3cm取一組數(shù)據(jù).這些都使本方案的探究環(huán)境不是完全的開放，又因為是采用傳統(tǒng)手段對學(xué)生的實(shí)驗數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和整理，故也影響了實(shí)驗數(shù)據(jù)的完整性.

方案3：大數(shù)據(jù)背景下基于證據(jù)的全面探究.

本方案是在智慧課堂模式下基于大數(shù)據(jù)的一種探究，具體方案是：將全班學(xué)生每兩人作為一組，每組所用凸透鏡的焦距有所不同，每組學(xué)生利用本組透鏡進(jìn)行多組物距下凸透鏡成像的實(shí)驗，記錄物距、像距及成像的特點(diǎn)，各組學(xué)生將本組實(shí)驗的數(shù)據(jù)通過PAD發(fā)送到教師所用的終端設(shè)備，教師在終端設(shè)備上收集全班同學(xué)的實(shí)驗數(shù)據(jù)，形成本次實(shí)驗探究的“大數(shù)據(jù)”，并運(yùn)用Excel軟件將所有實(shí)驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分類處理，幫助學(xué)生主動發(fā)現(xiàn)凸透鏡成像的規(guī)律.

從表2中的數(shù)據(jù)可知，該組同學(xué)使用的凸透鏡焦距是8cm，共進(jìn)行了6次成像實(shí)驗的數(shù)據(jù)記錄，表3為另一組同學(xué)使用焦距為10cm的凸透鏡實(shí)驗的結(jié)果.

表2 利用焦距為8cm的凸透鏡記錄的實(shí)驗數(shù)據(jù)

表3 利用焦距為10cm的凸透鏡所記錄的實(shí)驗數(shù)據(jù)

各組同學(xué)將本組的實(shí)驗數(shù)據(jù)都發(fā)送到教師使用的終端后，就形成了不同焦距的凸透鏡在各種物距下的成像記錄“大數(shù)據(jù)”（約300組），表4為其中的一部分?jǐn)?shù)據(jù).

表4 全體學(xué)生利用不同焦距的凸透鏡所記錄的實(shí)驗數(shù)據(jù)（部分）

教師運(yùn)用Excel表格里的排序功能進(jìn)行不同的處理，可以更完整地呈現(xiàn)凸透鏡成像的規(guī)律，在實(shí)際操作中，筆者重點(diǎn)做了以下兩種分析：（1）分析焦距相同的成像數(shù)據(jù)，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)規(guī)律，而且，學(xué)生發(fā)現(xiàn)不同焦距的凸透鏡都有相同的規(guī)律，使探究更具一般性；（2）物距相同時，隨著焦距的不同，成像特點(diǎn)也會有所不同（部分?jǐn)?shù)據(jù)見表5），幫助學(xué)生理解物距并不是決定成像特點(diǎn)的因素，物距與焦距的關(guān)系才是決定成像特點(diǎn)的因素.這些數(shù)據(jù)還可以提供給學(xué)生深度學(xué)習(xí)，比如可以探究相同焦距的凸透鏡成像時，物距與像距的關(guān)系，不同焦距的凸透鏡成像時，該關(guān)系有何變化，利用Excel軟件還可以作出圖像進(jìn)行比較（如圖2）.

表5 將全體學(xué)生的數(shù)據(jù)按物距排序后的實(shí)驗數(shù)據(jù)（部分）

圖2 不同焦距下物距與像距的關(guān)系圖像

以上探究方案的優(yōu)點(diǎn)是：（1）學(xué)生所用的凸透鏡焦距不是唯一的，使實(shí)驗更具普遍性；（2）每組學(xué)生都利用本組凸透鏡進(jìn)行了多次實(shí)驗，使每組的探究更全面；（3）全班學(xué)生的所有實(shí)驗數(shù)據(jù)形成本次實(shí)驗探究的“大數(shù)據(jù)”，使實(shí)驗的樣本更全面，通過對大數(shù)據(jù)的處理，便于學(xué)生發(fā)現(xiàn)普遍規(guī)律.顯然，這是一種基于證據(jù)的實(shí)驗探究，在大數(shù)據(jù)的支持下，也培養(yǎng)了學(xué)生的數(shù)據(jù)意識和證據(jù)意識.

通過第3種方案可以看出，運(yùn)用智慧教學(xué)設(shè)備可以將學(xué)生的實(shí)驗數(shù)據(jù)形成課堂教學(xué)的“大數(shù)據(jù)”，通過信息技術(shù)的手段將“大數(shù)據(jù)”進(jìn)行處理，可以讓規(guī)律更全面地呈現(xiàn)出來，從而實(shí)現(xiàn)科學(xué)探究的可視化.物理是一門以實(shí)驗為主的學(xué)科，實(shí)驗教學(xué)一定是要是可見的，規(guī)律的呈現(xiàn)也一定是能“看得見”的，在信息技術(shù)手段的支持下，物理教學(xué)應(yīng)該更具有可視性，基于證據(jù)的物理教學(xué)也必將取代基于經(jīng)驗的物理教學(xué).