走進(jìn)“光”“彩”輝映的世界

曹雁 陸堅(jiān)

［摘 要］物體顏色演示儀的應(yīng)用，突破了“物體的顏色”教學(xué)的難點(diǎn)。以暗箱代替暗室，排除環(huán)境光線的干擾；利用定制的濾鏡和LED手電筒改良光源，避免實(shí)驗(yàn)可能的偏差，以此增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的成功率、可重復(fù)性和真實(shí)性。在教學(xué)中突破理解透明物體和不透明物體顏色的難點(diǎn)，并拓展研究光的互補(bǔ)色、色相、明度等概念的學(xué)習(xí)。

［關(guān)鍵詞］物體的顏色；物體顏色演示儀；課外拓展

［中圖分類號］G633.98［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］?A［文章編號］ 1674-6058（2023）32-0096-03

在華師大版初中科學(xué)“物體的顏色”的常態(tài)課中，教師往往分別用白光、與玻璃顏色相同的色光、與玻璃顏色不同的色光照射玻璃片，引導(dǎo)學(xué)生觀察透過光的顏色，從而得出普遍規(guī)律：透明物體的顏色是由其透過的色光決定的。隨后，教師播放“暗室手電筒實(shí)驗(yàn)”的視頻，在暗室內(nèi)觀察比較白光以及紅、綠、藍(lán)三種色光分別照在不同顏色假花上的顏色，了解到透明的物體只透過相同的色光，不透明的物體只反射相同的色光。最后，教師通過以下例題的檢測結(jié)束教學(xué)。

【例題】在沒有其他光照射的情況下，舞臺追光燈發(fā)出的綠光照在穿白上衣、紅裙子的演員身上，觀眾看到她是（）。

A.全身呈綠色

B.上衣呈綠色，裙子不變

C.上衣呈綠色，裙子呈紫色

D.上衣呈綠色，裙子呈黑色

學(xué)生往往在學(xué)習(xí)前早已能夠分辨物體的本色，在學(xué)習(xí)“物體的顏色”后，涉及物體的本色、實(shí)際觀察到的顏色時就開始“犯渾”了，對“透明的物體只透過相同的色光，不透明的物體只反射相同的色光”這一抽象概念更是疑惑。學(xué)生普遍認(rèn)為“物體的顏色是固有且不可變的”，這一觀點(diǎn)雖然錯誤，卻是學(xué)生長期生活經(jīng)驗(yàn)的積累總結(jié)。在教學(xué)中，由于環(huán)境光線的干擾以及有色透明物體的透光率影響，實(shí)驗(yàn)效果不盡如人意。播放視頻效果也遠(yuǎn)沒有現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)的效果好。因此，在教學(xué)中教師需要多層次、多維度、階梯式地給學(xué)生解釋、闡明和應(yīng)用新的、正確的科學(xué)概念。

那么，如何使現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)更直觀呢？筆者從光的三原色演示儀的制作中得到啟發(fā)：利用自制的簡單教具——物體顏色演示儀，以暗箱代替暗室排除環(huán)境光線的干擾，用定制的濾鏡與LED手電筒改良光源，創(chuàng)造出純凈的三色色光，使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更明顯，重復(fù)性更強(qiáng)。

一、教具的設(shè)計與創(chuàng)新

（一）裝置介紹

要制作這樣一個教具，首先要統(tǒng)一LED燈的亮度，但更重要的是要對濾鏡進(jìn)行優(yōu)化選擇。對于這一實(shí)驗(yàn)，僅利用生活中的一些紅色、綠色和藍(lán)色的透明物體來做實(shí)驗(yàn)經(jīng)常會失敗，主要原因是這些透明物體透光的波長范圍有可能過寬或者其他色光的透過率過高。

紅光的波長范圍為625～740 nm，綠光的波長范圍為492～577 nm，藍(lán)光的波長范圍為400～480 nm，僅憑肉眼觀察一些濾鏡透過光的顏色是不可靠的，要對其透光波長進(jìn)行控制。在實(shí)驗(yàn)中，可以選擇透光波長峰值為650（±10）nm的紅色濾鏡、透光波長峰值為550（±10）nm的綠色濾鏡和透光波長峰值為450（±10）nm的藍(lán)色濾鏡，這些濾鏡的OD值為5，表示截止帶透過率為0.001%，盡可能地減少其他色光的透過，能夠大幅度地提升實(shí)驗(yàn)的效果。

物體顏色演示儀整體的側(cè)視圖如圖1所示，整個裝置主要由綠色濾鏡鏡片、藍(lán)色濾鏡鏡片、紅色濾鏡鏡片（上述三種鏡片均為40 mm圓形，如圖2）、可開合的暗箱、濾鏡框（直徑為40.5 mm）、人字形塑料片（厚度為2 mm，遠(yuǎn)端距離中心為30 mm）、小型LED顯示屏（可用手機(jī)屏幕代替）、印有不同內(nèi)容的卡紙（大小合適箱體即可）、手機(jī)（用于同屏連接投影儀展示）、手電筒制作而成。在該裝置中，三種濾鏡可透過的光的波長范圍與上述“光的三原色合成實(shí)驗(yàn)”中保持一致。卡紙選擇照相紙，實(shí)驗(yàn)前在上方打印相關(guān)內(nèi)容，打印前電腦取色過程中，紅色定為RGB（255，0，0），綠色定為RGB（0，255，0），藍(lán)色定為RGB（0， 0， 255），卡紙也可以用小型LED屏代替，取色標(biāo)準(zhǔn)一致。物體顏色演示儀的實(shí)物圖如圖3所示。

（二）創(chuàng)新點(diǎn)

此實(shí)驗(yàn)裝置有四個主要創(chuàng)新點(diǎn)：

（1）精確控制，增加實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性。利用濾光性固定的濾鏡和數(shù)字化控制的LED顯示屏或?qū)I(yè)打印的卡紙，使得實(shí)驗(yàn)過程中的色差較少，增加實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性。

（2）對比明顯，實(shí)驗(yàn)富有啟發(fā)性。在實(shí)驗(yàn)過程中，整套實(shí)驗(yàn)裝置處于封閉的暗箱內(nèi)，不同顏色的圖案在不同顏色的光照下顯示出顏色的對比，能夠更好地通過大量的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象總結(jié)出規(guī)律和結(jié)論，實(shí)現(xiàn)探究性學(xué)習(xí)，實(shí)驗(yàn)富有啟發(fā)性。

（3）直觀展現(xiàn)，整體呈現(xiàn)效果好。該實(shí)驗(yàn)裝置將傳統(tǒng)的需要反復(fù)思索的物理原理直接呈現(xiàn)，增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。通過手機(jī)攝像頭實(shí)現(xiàn)教室中的投屏，便于在課堂中向全體學(xué)生演示。

（4）一器兩用，裝置教學(xué)價值高。將顯示屏放在遠(yuǎn)端孔中，透過暗箱上的通光孔觀察，即可研究透明物體的顏色；而將LED手電筒透過通光孔照射暗箱內(nèi)遠(yuǎn)端放置的卡紙或者顯示屏，即可觀察研究不透明物體的顏色。這套裝置在光的三原色實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究了物體顏色的成因，具有較高的教學(xué)價值。

二、教學(xué)應(yīng)用

（一）研究透明物體顏色的實(shí)驗(yàn)步驟和分析

步驟1：組裝原裝置，對近端孔進(jìn)行遮光，教師將手機(jī)攝像頭對準(zhǔn)暗箱上的通過光孔，并開啟投屏。

步驟2：學(xué)生先觀察濾光鏡片的顏色，然后將小型LED顯示屏插入遠(yuǎn)端孔中。

步驟3：先選擇紅色濾鏡，在小型LED顯示屏上同時展示白底紅字、白底藍(lán)字、白底綠字，學(xué)生通過投屏記錄觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

步驟4：選擇另外兩種濾鏡，分別依序展示上述文字，觀察并記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象（如表1）。

利用該實(shí)驗(yàn)裝置，將原本抽象的內(nèi)容具象化，加深了學(xué)生的理解。在現(xiàn)象記錄的基礎(chǔ)上進(jìn)行歸納總結(jié)，學(xué)生可以自然而然地得出“透明物體的顏色是由其透過的色光決定的”這一結(jié)論。

（二）研究不透明物體顏色的實(shí)驗(yàn)步驟和分析

步驟1：組裝原裝置，將LED顯示屏（或卡紙）插入遠(yuǎn)端孔中，手機(jī)插入近端孔中，將攝像頭對著LED顯示屏（或卡紙），通過投屏影像調(diào)整手機(jī)所在的位置。

步驟2：在LED顯示屏上同時顯示白底紅字、白底綠字和白底藍(lán)字，調(diào)整鏡頭轉(zhuǎn)換器，使得紅色濾鏡對準(zhǔn)暗箱上的通光孔，用手電筒在外側(cè)照射，學(xué)生觀察并記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

步驟3：調(diào)整鏡頭轉(zhuǎn)換器，分別進(jìn)行綠光下和藍(lán)光下的實(shí)驗(yàn)，觀察并記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象（如表2）。

改變研究的對象，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行歸納總結(jié)。學(xué)生繼續(xù)得出不透明物體的顏色是由其反射的色光決定的，白色能反射所有顏色的光，黑色是光被吸收才顯示出來的。

三、課外拓展應(yīng)用

（一）研究互補(bǔ)色

上述兩個實(shí)驗(yàn)僅對光的三原色的透過和反射現(xiàn)象進(jìn)行了研究，在教學(xué)中還可以通過對其他顏色物體的研究來更加深入地探究互補(bǔ)色原理。

例如對于黃光的組成，可對透明物體顏色實(shí)驗(yàn)進(jìn)行拓展研究。在LED顯示屏上顯示白底黃字，透過紅色濾鏡可以觀察到紅底淺紅色的字，透過綠色濾鏡可觀察到綠底深綠色字，透過藍(lán)色濾鏡可觀察到藍(lán)底黑色的字。這些現(xiàn)象說明黃色光既可以透過紅色玻璃，也可以透過綠色玻璃，但不能透過藍(lán)色玻璃，黃光是一種紅綠復(fù)色光。如果改變研究對象，對于白底黃字，紅光照射下顯紅色，綠光照射下顯綠色，藍(lán)光照射下顯黑色，說明黃色物體能夠吸收藍(lán)光。通過這兩個實(shí)驗(yàn)，可以充分地說明黃光的組成和它的互補(bǔ)光，用這種方式還可以遷移到品紅色和青色的研究。

（二）實(shí)驗(yàn)拓展研究

在教學(xué)中，經(jīng)常會使用非白底的文字來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，一方面能夠通過直接的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象突破教學(xué)難點(diǎn)，另一方面能夠引導(dǎo)學(xué)生深入探究，如表3所示為部分實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。

不過，按照學(xué)生的期待，透過綠色濾鏡觀察紅底藍(lán)字、透過紅色濾鏡觀察藍(lán)底綠字（實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖4所示）和透過藍(lán)色濾鏡觀察綠底紅字都應(yīng)該是全黑的，文字應(yīng)該完全消失，因?yàn)檫@些光都不能透過相應(yīng)的濾鏡，然而實(shí)際情況卻是出現(xiàn)了黑底灰字或灰底黑字，這使得許多學(xué)生都感到困惑，還會誤認(rèn)為是實(shí)驗(yàn)失敗。其實(shí)，在濾鏡的OD值已經(jīng)很高的情況下，仍然出現(xiàn)這一現(xiàn)象的主要原因是學(xué)生容易將色相和明度這兩個概念混淆。

在學(xué)生的前概念中，常把白色、黑色、灰色和其他彩色都當(dāng)成是“顏色”。實(shí)際上，光的三原色的界定既有物理學(xué)的因素（這三種色光不能由其他色光合成），又有生物學(xué)的因素（人眼視網(wǎng)膜中的三種不同的視錐細(xì)胞［1］），白光是復(fù)色光，而“黑色”則代表著色光被吸收了。人對視覺的感知既包括視錐細(xì)胞對RGB三色的感覺，也包括視桿細(xì)胞對明暗度的感覺［2］。甚至有研究表明，當(dāng)人眼在通常的室內(nèi)環(huán)境觀察圖像監(jiān)視器屏幕時，對黑白灰度級的分辨力與對三原色灰度級的分辨力沒有顯著差異［3］?！盎疑敝胁话魏紊?，是一種視覺經(jīng)驗(yàn)。因此，黑色、白色和灰色都不能稱為色彩。根據(jù)RGB明度計算公式可知，幾種“顏色”的明度大小比較為：白色>綠色>紅色>藍(lán)色。明度越大，越偏白；明度越小，越偏黑。因此，透過紅色濾鏡觀察藍(lán)底綠字時才會出現(xiàn)黑底灰字的現(xiàn)象。同理，透過綠色濾鏡觀察紅底藍(lán)字會觀察到灰底黑字。此外，在濾鏡OD值不高的情況下，透過紅色濾鏡觀察白底紅字，也并不是全紅的，往往能隱約地看到文字，這也是由明度不同導(dǎo)致的。

通過對物體顏色演示儀的“深度”使用，引領(lǐng)學(xué)生由淺入深地對物體顏色的本質(zhì)進(jìn)行深入學(xué)習(xí)，能夠有效地發(fā)散學(xué)生的思維，培育學(xué)生的科學(xué)探究能力。

四、教學(xué)反思

在物理教學(xué)過程中，通過自制教具突破重難點(diǎn)是十分重要的舉措。物體顏色演示儀的設(shè)計起始于對光的三原色實(shí)驗(yàn)的可見性研究，又立足學(xué)生的實(shí)際需求進(jìn)行創(chuàng)新性的改進(jìn)。在學(xué)習(xí)中，學(xué)生先通過光的色散實(shí)驗(yàn)了解陽光的組成，再通過三原色實(shí)驗(yàn)了解單色光和復(fù)色光的特征，最后通過物體顏色的演示實(shí)驗(yàn)深入了解透明物體和不透明物體顏色的規(guī)律，可以循序漸進(jìn)、由淺入深地了解和理解“光的組成”這一重要知識，逐步地認(rèn)識其本質(zhì)。因此，物體顏色演示儀這一教具的制作為學(xué)生清晰而準(zhǔn)確地學(xué)習(xí)該知識提供了重要的素材，能夠直觀地為學(xué)生呈現(xiàn)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)效果，為其分析問題、理解知識、建構(gòu)物理模型等提供了重要的途徑。

［? ?參? ?考? ?文? ?獻(xiàn)? ?］

［1］? 季衛(wèi)新，陳棟.基于PCK的研究性備課的區(qū)域?qū)嵺`研究：以蘇科版初中物理教材“光的色彩、顏色”為例［J］.物理教師，2019（9）：44-49.

［2］? 唐永連.視錐細(xì)胞、視桿細(xì)胞與視覺環(huán)境［J］.中國眼鏡科技雜志，2003（6）：71-72.

［3］? 謝維信，秦桉.人的視覺對灰度級別的分辨能力及視覺內(nèi)部噪聲的研究［J］.航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程，1991（1）：51-55.

（責(zé)任編輯 黃春香）