用現代化和信息化重構探究凸透鏡成像規律的實驗

范溈

摘 要： 本文通過對凸透鏡成像規律實驗教學的反思，對實驗器材和實驗教學方案提出改進方法，主要從器材中光源和光屏的改進，以及實驗數據的圖像化處理兩個方面進行闡述，使實驗操作更簡便、實驗效果更明顯、實驗過程更完善，使學生真正從實驗中發現規律，從規律中總結知識。

關鍵詞： 初中物理 凸透鏡成像規律 數據圖像化

凸透鏡成像規律是八年級物理光學部分的一個教學重點和難點，根據新課程的要求，本課主要讓學生通過科學探究活動，找出凸透鏡成像規律。在實際教學中雖然學生能夠采用實驗方法進行探究，但由于實驗器材的限制及實驗方案的缺陷，學生很難通過實驗數據總結出成像規律，最后仍然是教師將成像規律灌輸給學生。這樣的實驗教學不僅沒有體現出學生自主探究的主體性，而且不利于學生思維能力和創造能力的培養。通過對本課實驗教學過程的反思，發現本實驗的器材和實驗方案都有改進余地，且改進后，既有利于學生順利完成實驗，又能讓學生總結出成像規律，取得良好的教學效果。

一、實驗器材的現代化

相對于現在實驗室中應用越來越多的傳感器、數字設備等先進儀器來說，凸透鏡成像實驗的一些器材的確過于陳舊，有點跟不上時代。

首當其沖的是光源，用蠟燭火焰作為光源存在很多弊端。首先蠟燭火焰的亮度不夠高，實驗需要在比較暗的環境下進行，否則實驗效果將大打折扣，而太暗的環境會導致學生記錄數據時光線不足，不能看清黑板上的板書。實際教學中，教師既要在板書時開燈，又要在學生做實驗時關燈，不僅比較麻煩，而且忽明忽暗會讓學生眼睛感覺不適。其次蠟燭火焰的位置很不穩定，容易隨風擺動，質量差點的蠟燭的火焰甚至有時會跳動，給確定像的位置帶來很大誤差。而且實驗一段時間后，蠟燭長度會明顯變短，違背實驗中對燭焰、凸透鏡、光屏中心在同一高度的要求。最后蠟燭就是一個巨大的安全隱患，蠟燭點燃需要用到火柴或打火機，而現在初中生可能有一大半人從來沒用過火柴有的學生劃燃火柴后，不知所措就直接扔在課桌或地板上，后果可想而知。打火機雖然相對火柴容易使用些，但存在安全隱患，使用不當甚至會引起爆炸。還有進行實驗操作時，由于蠟燭固定不牢，可能會從光具座上倒下來，容易對學生造成傷害。對于班級比較多的學校，幾堂課下來，教室里的氣味就很難聞，蠟燭油滴在桌子上很難清理，加上蠟燭油受熱揮發，最后附著在地板上，喜歡把凳腿翹起來的學生很容易滑到。

針對蠟燭火焰作為光源的這些弊端，改用LED手電筒作為光源能徹底解決上述問題。首先它的亮度很強，即使教室里開著燈，在光屏上仍然能夠找到比較清晰的像。其次LED手電筒用一根鐵絲環繞做成支架后能像凸透鏡或光屏一樣，很容易地固定在光具座上，而且可以上下調整，光源位置固定。LED手電筒使用起來十分方便，按下開關就行，節省很多實驗操作時間。用完沒電時，只需更換電池，實驗時不會產生額外的垃圾或難聞的氣味。制作LED手電筒光源很簡單，只需在LED手電筒前貼一張鏤空成“F”形的黑色不干膠，這樣便于比較像的正倒，整個LED手電筒光源組裝完成后，如圖所示。

除了光源外，還需要改進的實驗器材就是光屏。光屏是用來呈接凸透鏡所成實像的器材，雖然傳統白屏能夠很好地完成它的使命，但不能很好地比較出成像的大小，特別在做凸透鏡成等大的實像的實驗時，靠人肉眼感覺會造成很大誤差。針對它的缺陷，改進方法很簡單，在白屏上覆蓋一張橫線格紙，如圖所示。這樣既不影響成像，又方便比較成像的大小。當然處理光源，鏤刻黑色不干膠上的“F”時，最好事先量好尺寸，大小刻成橫線格紙上橫格高度的整數倍，并事先告知學生，這樣更容易進行比較。

二、實驗方案的信息化

如果說實驗儀器是構筑一個探究實驗的基石，那實驗方案就是探究實驗的靈魂。沒有好的實驗方案，再好的實驗儀器也發揮不出作用。

作為重點的實驗探究過程，教材上通過調整物距，分別使燭焰在光屏上成倒立縮小、倒立放大及倒立等大的像，測量并記錄物距和像距，然后分析表中的信息，歸納總結出凸透鏡成像規律。

但事實上，僅憑幾組實驗數據，學生是不可能歸納出凸透鏡成像規律的。即使能把整個班級同學的實驗數據匯總起來，光從表格中單一的數字，學生也很難找到數據間的聯系，總結出成像規律。如果將數據轉化為圖像，反映到坐標軸上，學生就能通過圖像直觀地發現實驗數據的特點，為學生思維架設一座橋梁，通過思考學生能總結出成像規律。而要實現實驗數據到圖像的快速轉換，我們只需要使用OFFICE辦公軟件中的EXCEL電子表格的圖表功能。

上課之前，事先制作好需要的空白電子表格，打開EXCEL軟件，制作兩張表格，分別用來記錄凸透鏡成倒立、縮小的像和成倒立、放大的像時的實驗數據。以倒立、縮小的像為例，建立表格如下。

然后選擇菜單中的“插入”，點擊子菜單中的“圖表”，在彈出的圖表類型對話框中選擇“XY散點圖”，然后點擊下一步，在數據區域中選擇物距這一列數據，再點擊下一步，對標題、坐標軸、網格線、圖例、數據標志等選項進行簡單設置后，點擊完成，做出物距的分布圖。再按照上述步驟，將數據區域改成像距一列，做出像距的分布圖，效果如下圖所示。

在設計表格時，預留20組實驗數據，目的在于使實驗數據更具廣泛性。在實際教學中先將空白表格和分布圖像投影到屏幕上，然后選擇性地讓各實驗小組上臺將測得的不同數據填入表格中，注意使數據大致分布均勻。在學生上臺將數據填入EXCEL表格時，圖表會自動顯示各數據的分布情況，最終數據分布圖如圖所示。觀察圖像不難發現，在凸透鏡成倒立縮小的像時，物距都大于20cm，像距則都在10cm和20cm之間。然后改變凸透鏡的焦距再進行實驗，結合實驗使用的凸透鏡的示意圖（如圖所示），相信絕大多數學生都可以找到凸透鏡成倒立縮小的像時，物距與焦距及像距與焦距的關系。在本實驗

中，數據的圖像化不僅可以用來顯示物距、像距的分布情況，而且可以用來尋找物距、像距變化的規律。在EXCEL表格中，把實驗數據按物距從小到大排序后，圖像瞬間就會變為物距和像距的變化規律圖，如下所示。從圖像中一眼就可以發現，當物距逐漸增大時，像距逐漸減小的規律。實驗中其他成像規律也可以用類似方法得出，不再贅述。對比表格中枯燥單一的數據，圖像能更靈活直觀地顯示數據間存在的內在聯系，學生通過觀察圖像分析數據，找出凸透鏡成像規律。本來凸透鏡成像實驗的難點，通過實驗數據的圖像化處理后，被輕松化解，教師真正從學生學習知識的傳授者轉變為學生學習知識的引導者，體現新課程改革中讓學生體驗知識的形成，在探究過程中主動獲取知識的精神。

隨著實驗室數字化、信息化的發展，在初中物理實驗中，一些傳統實驗中存在的弊端和不足逐漸凸顯出來，我們要通過實驗教學反思發現這些實驗存在的問題，并通過提高自身現代化教學水平和不斷創新精神，努力解決實驗中發現的問題，使實驗操作更簡便、實驗效果更明顯、實驗過程更完善，使實驗教學更有效地培養學生的科學思維能力和創新能力。