通過實驗尋找規律的課堂教學設計
——以“探究凸透鏡成像規律”實驗課為例

(南京師范大學物理科學與技術學院，江蘇 南京 210023)

2013年《教學新時空》直播了張愛美老師的“探究凸透鏡成像規律”的課堂教學錄像，筆者聽了她的介紹，并對該課進行點評，本文根據當時的發言整理而成.

1 課題分析

探究凸透鏡成像的規律是光的折射中的一個重要課題，但對初中學生來說，它又是一個困難的課題.其原因是：①規律本身比較復雜，成像的性質可能有放大、縮小、等大、倒立、正立、實像、虛像的多種組合；像的性質隨物距的變化分為多個區間，且有突變點.②學生在學習該課題前沒有很多經驗，也缺少相關的理論知識，課程標準也不要求介紹幾何光學的光路圖(只介紹平行光會聚及其可逆的光路)，此外，對虛像也是難以捉摸的.因此，該課題對初中學生是比較困難的.如果讓學生完全獨立自主地進行探究，常常會以毫無結果而告終.

面對這一困難，通常有如下的一些處理模式：

(1)將探索性實驗改為驗證性實驗，即直接介紹物理學家探究得到的凸透鏡成像的規律，然后用實驗來加以驗證.這樣，學生實驗的思路很明確，預期的結果也很清楚，按部就班地操作不困難.但是，除了體驗了知識的事實基礎和訓練了一些實驗技能外，學生探究的動機不強，探究的能力也難以得到更多的培養.在一些情況下，學生的認知水平與要求相距較遠時，可以采用這種模式.

(2)采用教師指導下的學生自主探究模式，像張愛美老師所進行的課堂教學可以歸為此種模式.老師首先設置了一個趣味性很強的水缸中金魚的觀察實驗，引入成像的課題，再以投影儀為例演示，引入成像性質及與哪些因素有關的問題，同時對學生將要進行的實驗給予技能指導.通過開始階段的教學，可見學生探究的問題及初步猜想已經形成，探究的思路也初步明確.在探究過程中，老師引導學生首先探究成倒立、放大像的條件，通過在數軸上記錄數據，給出了采集數據的區域，再逐步地找出u>2f,u

可見，由于老師的設計，分散了學生實驗探究的難點，手腦并用，使學生有序地、逐漸地認識了凸透鏡成像的規律，并得到科學方法和思維的訓練.

在教師指導下學生自主探究的模式中，特別是在以歸納為主的探究中，如何設計使探究過程既貼近學生的認知水平，激發學生的探究動機，又體現科學探究的本質特征？這里談一點個人的看法，其中包含這節課的成功經驗.

2 教學策略

本節課采用教師指導下的學生自主探究模式，教師的指導作用反映在如下方面：

(1)創設能使學生發現問題的情景，從而讓學生圍繞問題進行探究.

(2)在規劃學生探究過程中，向學生提出有挑戰性且逐步深入的任務，抓住幾個關鍵點，引發思維沖突，引導學生邊操作、邊獲取信息、邊思考.

(3)及時地給學生實驗技能指導，使他們能順利地進行實驗探究.

(4)組織學生交流討論，分析所獲得的事實和數據，歸納、表述成像的規律，并從靜態、動態、空間的角度來使學生理解規律的內涵，充分發揮學生的思維想象力.

3 過程設計

在對此類課題的教學過程設計中，教師最重要的是要跳出“有學問者”的身份，站在“未學者”的立場上思考問題.因為教師對所學知識太熟悉了，往往會自覺或不自覺地要求學生按自己的思路來學習知識，所以給學生的探究不能成為學生的真探究.

探究凸透鏡成像的規律是一個全程性的探究，涉及探究的所有要素，讓學生經歷全過程，并不是形式上的經歷全過程，而應當讓學生在過程中有重點地體驗和領會某些要素的本質內涵.

(1)從學生的認知現狀出發，激發思維沖突，讓學生提出需要解決的問題.

上課后，老師們常常要引入課題，引入的思路多種多樣，選擇什么好呢？這節課中，張老師選用“觀察球形魚缸中的金魚”引入，它能夠激發學生的興趣，也可以用該放大正立的虛像與凸透鏡所成的像比較，發揮啟發性的作用.但學生所看到的魚缸中金魚的像并不是凸透鏡成像，它是光經過兩種介質一次折射所產生的現象，用它來引導凸透鏡成像規律的探究是有一定局限性的.我認為像這樣的課題，選擇能激發學生特定的認知沖突的情景為好，它應當是貼近實驗目的的.例如：

如何區分凸透鏡和凹透鏡？

用透鏡看字，放大的就是凸透鏡.生活經驗中的放大鏡就是凸透鏡.

那么，是否凸透鏡所成的像就是放大和正立的呢？

可插入“小明小華的意外發現”，再讓學生試一試，或進行下面的演示.

演示：將書寫投影儀橫倒放置，把幻燈片直接投影到墻上，所成的像是怎樣的？讓學生觀察.

看來凸透鏡所成像的性質不只是“正立、放大”，猜一猜，還可能有哪些？

可能有“正立、放大”，“倒立、縮小”，“倒立、放大”，“正立、縮小”等.

如何才能獲得不同性質的像呢？改變物距，尋找像的位置和觀察像的性質.

這就是我們今天要研究的課題—探究凸透鏡成像的規律.

在此前，學生對放大鏡是比較熟悉的，而且對其放大的印象是深刻的，也許在序言課的活動中和在初識透鏡的活動中，有少數學生會有意外的發現，因此，宜創設容易激發認知沖突的情景，提出問題和猜想.這樣的設計，既有利激發探究動機，又有利明確探究的目的和思路.

(2)給學生必要的技能指導，為探究提供實驗技能的支撐.

科學探究需要技能的支撐，該探究課題也是如此.例如：

介紹實驗器材：…….

本實驗的技能關鍵是尋找發光物體的像，請同學們把發光物、凸透鏡、屏安裝在光具座上，凸透鏡置于光具座中間位置，發光物放在靠近左端的某一位置，移動光屏，嘗試在光屏上顯示清晰的像.

談談尋找清晰像的體會.①調整好“光具共軸”：除了“中心等高”以外，透鏡面與主軸垂直十分重要；②移動光屏，從模糊到清晰，再從清晰到模糊，反向移動，逐漸減小幅度.

此步驟也許會耽誤一點時間，但“磨刀不誤砍柴工”，它會使后繼操作更順利.

(3)逐步向學生提出一系列具有挑戰性的任務，使獲取事實(數據)的操作過程成為積極的手腦并用的過程，讓學生感悟如何用歸納法尋找規律.

通常，人們把實驗過程分為四個階段，即將物距分別調至u>2f、u=2f、f

①調整物距，使燭焰在光屏上成倒立、縮小的像，多做幾次，測量并記錄物距和像距.

②再調整物距，使光屏上成倒立放大的像，多做幾次，測量并記錄物距和像距.

③分析以上兩步驟觀察到的實驗現象和測量數據，你認為在何種情況下可以得到倒立、等大的像？試一試，成倒立、等大像時物距、像距各是多少？與焦距有什么關系？(此時，也只找到了倒立、放大和縮小的分界點.)

④至此，你已經找到了倒立、縮小的像，倒立、等大的像，倒立、放大的像，你認為凸透鏡還可能成什么性質的像？試一試，能在屏上找到嗎？(將發光物向凸透鏡方向推進，到焦點以內后，就找不到像了，新的問題產生了).

想一想，用放大鏡觀察到正立、放大像時，你是怎么觀察的？再試一試，記錄你觀察到的現象.

由于實驗設計為學生提供尋找發現的機會，使學生積極思維，獲得了深層次的探究技能的訓練.

(4)通過積極的交流討論，把看似平淡的規律形成過程變為理解規律和發展思維想象的過程.如：

交流討論：

①試一試，如果將發光物從光具座左端逐漸向凸透鏡方向移動，所成的像的性質是如何變化的？

②用自己的語言闡述凸透鏡成像的規律.區分成像的性質，有兩個關鍵位置，你認為是哪兩個位置？它們分別是哪些性質像的分界點？

③比較用不同焦距的透鏡進行實驗所得到的實驗數據和現象，看看有什么相同點和不同點.

④在整個實驗過程中，你有哪些意外的發現？對于探究規律，你有什么體會？

對規律的總結，不只是記住了一段結論，應當引導學生與探究過程相聯系，并且從不同的角度和用不同的方式加深對規律的理解.另外，通過學生親身的體驗，交流一下體會，這對提升學生科學素養是有益的.

可以看到，在本方案的探究過程中，學生可能的意外發現有：

①跳出放大鏡的思維定勢，發現凸透鏡不總是成正立、放大的像.這一次意外，使探究的動機更強，目標更明確.

②從倒立、縮小像和倒立、放大像的數據中，還可以提出成倒立、等大像的猜想.原來二倍焦距點可以從推理得到，有了這一發現，下面的操作更有方向.科學探究過程并不就是從頭到尾的歸納，常常是多種思維的參與，這對不完全歸納的探究是重要的.

③當上述三種性質的像

找到以后，學生改變物距、移動光屏，再也找不到像了，似乎凸透鏡就只能成倒立的像，為什么用放大鏡看時，可以看到正立放大的像？這一發現，將探究引入到又一層面.

教學設計是富有創造性的，探究是在發現問題的基礎上、圍繞問題進行的；操作是眼、手、腦并用的過程，積極的思維是核心；小結的思路與實驗的思路可以完全不同，如本實驗中，實驗操作是“找不同性質的像”，而小結過程是“以物距的變化來闡述像的性質的變化”，除了形成系統的認識，還要回顧這些認識是怎么來的，從而獲得一些難以用語言表達的收獲.

以上提出的具體步驟，不是絕對的，老師們可以根據實際情況而改變，僅供參考.

參考文獻：

[1]劉炳昇，李容.義務教育課程標準教科書 物理八年級上冊[M].南京：江蘇科學技術出版社，2013.

[2]劉炳昇.繼承與創新—初中物理新課程建設的理論與實踐研究[M].南京：江蘇科學技術出版社，2006.

[3]劉炳昇.關注探究教學過程設計[J].物理教學，2008，(2).