小孔成像演示儀的創(chuàng)新改進(jìn)

摘 要：傳統(tǒng)小孔成像實(shí)驗(yàn)存在光源不穩(wěn)定、現(xiàn)象不明顯、探究結(jié)果單一的弊端，不利于學(xué)習(xí)活動(dòng)的深入。本文利用身邊常見(jiàn)物品，創(chuàng)新改進(jìn)小孔成像演示儀，有效地解決了傳統(tǒng)器材存在的問(wèn)題，并利用自制器材優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，豐富了小孔成像實(shí)驗(yàn)的探究性。

關(guān)鍵詞：深度學(xué)習(xí)；自制光學(xué)教具；小孔成像

實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的重要載體，而實(shí)驗(yàn)探究離不開(kāi)實(shí)驗(yàn)儀器。雖然目前中學(xué)實(shí)驗(yàn)室配備了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)儀器，但都是工廠統(tǒng)一生產(chǎn)的商品，這些儀器千篇一律，很難滿足個(gè)性化的教學(xué)需求。古語(yǔ)云：“工欲善其事，必先利其器?！弊灾平叹呷〔暮?jiǎn)單，貼近學(xué)生的日常生活，更能吸引學(xué)生的注意力，增強(qiáng)學(xué)生的好奇心。教師合理開(kāi)發(fā)自制教具，能優(yōu)化教學(xué)活動(dòng)的設(shè)計(jì)，有效地為學(xué)生鋪設(shè)探究之路，促使學(xué)生勇于探究，自主構(gòu)建知識(shí)結(jié)構(gòu)，發(fā)展核心素養(yǎng)。

“小孔成像”是初中光學(xué)學(xué)習(xí)中首次提出成像概念及其成像特點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)，為后續(xù)學(xué)習(xí)光學(xué)成像知識(shí)做鋪墊。但由于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)器材的局限性，教師在課堂教學(xué)中缺乏對(duì)小孔成像進(jìn)行深度探究。

1 傳統(tǒng)小孔成像實(shí)驗(yàn)的不足

傳統(tǒng)教學(xué)中通常采用圖1所示的演示教具進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以蠟燭作為光源，讓蠟燭發(fā)出的光通過(guò)小孔在光屏上成倒立的像。該實(shí)驗(yàn)儀器能夠簡(jiǎn)單地演示小孔成像現(xiàn)象，但是實(shí)驗(yàn)結(jié)果單一，無(wú)法全面揭示小孔成像的規(guī)律，探究性不強(qiáng)。此外，教室環(huán)境光線較亮，光屏上的像太暗、模糊，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可視性較低。［1］

2 教具改進(jìn)創(chuàng)新

筆者設(shè)計(jì)了一款實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯、操作靈活且簡(jiǎn)單的小孔成像演示儀。它既可以滿足教師的演示需求，同時(shí)也能吸引學(xué)生的注意力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)潛能，提高學(xué)生的課堂參與度，進(jìn)而使學(xué)生的學(xué)習(xí)方式由被動(dòng)接受轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)探究，從而提升學(xué)生的思維深度。改進(jìn)后的小孔成像演示儀由插卡式可變光源、磁吸式變換小孔和暗箱光屏三部分組成。

2.1 改進(jìn)光源：插卡式可變光源

針對(duì)簡(jiǎn)易小孔成像裝置中存在的光源單一、無(wú)法多次改變光源形狀、無(wú)法探尋普遍規(guī)律等問(wèn)題，筆者設(shè)計(jì)了可變換不同形狀的插卡式光源。

該光源主體選擇的是LED平板攝影補(bǔ)光燈，長(zhǎng)17cm，寬12cm，由三腳架支撐。LED補(bǔ)光燈由高亮燈珠組成，光源大、燈光亮度高、穩(wěn)定性好，有效地解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中的蠟燭燭焰亮度不夠、光源不穩(wěn)定、成像較暗、不易觀察等問(wèn)題。將高亮度補(bǔ)光燈放置在由黑色雪弗板做成的盒子里，盒子兩面開(kāi)孔，光源面開(kāi)大孔，盒子上方開(kāi)長(zhǎng)方形卡槽，便于放入不同形狀的黑色卡紙，閉合開(kāi)關(guān)，便可獲得不同形狀的光源（如圖2所示）。

2.2 改進(jìn)小孔：磁吸式可變小孔

用硬紙板做一個(gè)長(zhǎng)方體盒子，兩端開(kāi)孔，一端紙板邊緣粘貼兩個(gè)強(qiáng)磁鐵，作為磁吸盤(pán)。制作大孔和小孔卡紙，其中邊長(zhǎng)4cm的“△”形、邊長(zhǎng)4cm的“□”形和直徑5cm的“○”形大孔各一個(gè)，邊長(zhǎng)0.5cm的“△”形、邊長(zhǎng)0.5 cm的“□”形和直徑0.5cm的“○”形小孔各一個(gè)，在開(kāi)有孔的卡紙上粘貼一個(gè)小強(qiáng)磁鐵，方便拆卸變換卡紙，改變孔的形狀和大小（如圖3所示）。

2.3 改進(jìn)光屏：暗箱光屏

用雪弗板制作寬20cm、長(zhǎng)30cm、高20cm的暗箱。在中間開(kāi)有卡槽，用紅色透明薄塑料板作為光屏，將其插入雪弗板暗箱中，使光屏處于較暗的環(huán)境中，以便觀察更明顯的像，彌補(bǔ)教室環(huán)境下光線較亮導(dǎo)致成像不清晰的不足。暗箱光屏盒如圖4所示。

自制教具越簡(jiǎn)單，學(xué)生越容易理解實(shí)驗(yàn)本質(zhì)。綜上，小孔成像演示儀由三個(gè)獨(dú)立部分組成，而不是在一個(gè)整體的暗箱中。這樣便于學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)儀器，降低了實(shí)驗(yàn)器材的神秘感。將小孔成像演示儀的三部分整體放在可旋轉(zhuǎn)的展示盤(pán)上，可以實(shí)現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)，使班級(jí)里的學(xué)生從各個(gè)角度都能看得到清晰的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

3 應(yīng)用自制教具優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)

3.1 探究大小不同的孔形成的像

將黑色“”形卡紙插入光源盒卡槽內(nèi)，打開(kāi)光源，獲得“”形光源；在磁吸盤(pán)上放入直徑為5cm的“○”形大孔，讓光源的光穿過(guò)“○”形大孔，此時(shí)光屏上呈現(xiàn)“○”形光斑。接著依次換上邊長(zhǎng)為5cm的“□”形大孔和邊長(zhǎng)為5cm的“△”形大孔，重復(fù)實(shí)驗(yàn)，觀察光屏上的光斑，這便是“大孔成斑”現(xiàn)象。三次實(shí)驗(yàn)得到“大孔成斑”現(xiàn)象如圖5中（a）（b）（c）所示。

學(xué)生在本節(jié)內(nèi)容學(xué)習(xí)前，已經(jīng)對(duì)光通過(guò)“大孔成斑”這一現(xiàn)象有所了解，當(dāng)前實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象符合學(xué)生的原有概念。接著，教師用另一張黑色卡紙逐漸遮擋“△”形大孔，使“△”形大孔的孔徑逐漸減小。學(xué)生能夠觀察到光屏上“△”形光斑逐漸變?。磺译S著“△”形孔的變小，光源各個(gè)部分的光都在光屏上形成一個(gè)小“△”形光斑。這些光斑相互疊加，最終組合形成與光源相同形狀的像，這便是“小孔成像”現(xiàn)象。

在大孔變小孔的過(guò)程中，學(xué)生可以觀察到光斑從重疊到分離，從不成像到成像的連續(xù)動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。教師利用實(shí)驗(yàn)為學(xué)生呈現(xiàn)意想不到的“小孔成像”現(xiàn)象，形成與原有概念的沖突，挑戰(zhàn)學(xué)生的認(rèn)知方式，使學(xué)生產(chǎn)生了強(qiáng)烈的探究欲望。

3.2 探究不同形狀光源所成的像

在小孔磁吸盤(pán)上放置直徑為0.5cm的“○”形小孔；保持孔的形狀和大小不變，將“”形卡紙插入光源盒卡槽內(nèi)，閉合開(kāi)關(guān)，調(diào)節(jié)光源與小孔和光屏的位置，直至光屏上出現(xiàn)清晰的像。更換光源盒卡紙形狀，依次將“”“F”“”形卡紙插入卡槽內(nèi)，獲得不同形狀的光源，重復(fù)實(shí)驗(yàn)。利用不同形狀的光源得到的小孔成像現(xiàn)象如圖6中（a）（b）（c）所示。

利用上述教具開(kāi)展探究活動(dòng)，不僅提高了實(shí)驗(yàn)的探究性，還增強(qiáng)了學(xué)生的動(dòng)手能力，同時(shí)也有效促進(jìn)了學(xué)生思維上的深度參與。豐富的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)有利于學(xué)生尋找共性規(guī)律，豐富學(xué)生的整體感知，還進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生對(duì)現(xiàn)象的觀察和對(duì)物理知識(shí)的思考與理解，使學(xué)生親身體驗(yàn)到科學(xué)探究的樂(lè)趣。

3.3 探究不同形狀小孔所成的像

將光源的形狀固定為“”形，在磁吸盤(pán)上放置“○”形小孔，閉合光源開(kāi)關(guān)，觀察像的形狀。依次更換小孔形狀為“□”形和“△”形，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

3.4 探究小孔成像與物距、像距的關(guān)系將光源的形狀固定為“”形，調(diào)節(jié)小孔和光屏的位置，使像清晰地呈現(xiàn)在光屏上。保持光源到小孔的距離（物距）不變，改變光屏到小孔的距離（像距），觀察小孔所成的像的大小與亮度變化，以此探究小孔成像特點(diǎn)與像距的關(guān)系；保持光屏到小孔的距離不變，改變光源到小孔的距離，觀察小孔所成的像的大小與亮度變化，以此探究小孔成像特點(diǎn)與物距的關(guān)系。

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)探究實(shí)現(xiàn)了變復(fù)雜的理論知識(shí)為直觀明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，使知識(shí)變得簡(jiǎn)單有趣，有效地避免了學(xué)生的死記硬背、生搬硬套，激發(fā)了學(xué)生的物理學(xué)習(xí)熱情。［2］

3.5 模擬樹(shù)蔭下太陽(yáng)的光斑

晴朗天氣樹(shù)蔭下的地面出現(xiàn)了一個(gè)個(gè)圓形光斑。利用自制的小孔成像演示儀便可以模擬這一現(xiàn)象，將現(xiàn)實(shí)生活情景搬進(jìn)課堂，實(shí)現(xiàn)情景再現(xiàn)。

將“○”形黑卡紙插入光源盒卡槽內(nèi)，打開(kāi)光源便可獲得一個(gè)形似太陽(yáng)的圓形光源。在黑卡紙上戳多個(gè)小孔，模擬樹(shù)葉縫隙，將其吸在磁吸盤(pán)上，調(diào)整光屏位置，使光屏上呈現(xiàn)清晰的像，即為我們看到的地上的圓形光斑（如圖7所示）。

再用一個(gè)圓形黑卡紙緩慢遮住部分“○”形光源，模擬日食，便可獲得日食情境下的太陽(yáng)通過(guò)小孔所成的像（如圖8所示）。

4 總結(jié)

改進(jìn)后的小孔成像演示儀彌補(bǔ)了原有裝置現(xiàn)象單一、成像效果差的缺點(diǎn)，不僅可以靈活改變光源、小孔的形狀和大小，還可以模擬真實(shí)情境。實(shí)驗(yàn)探究離不開(kāi)科學(xué)、直觀且易于操作的教具。通過(guò)對(duì)教具的改進(jìn)，能提高探究的可視性，增加實(shí)驗(yàn)的可操作性，深化學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中的體驗(yàn)和參與感，發(fā)展學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)

［1］程榮貴. 自制小孔成像演示器［J］. 物理教師，2018，39（11）：46-47．

［2］岳曉婷. 基于深度學(xué)習(xí)的教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐——以“小孔成像”的教學(xué)為例［J］. 物理教學(xué)，2021，43（4）：18-20．