用視差法探究凸透鏡成像規(guī)律的教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

用視差法探究凸透鏡成像規(guī)律的教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐*

王宇航

(北京市育英學(xué)校北京100036)

王志茜

(北京市西城外國(guó)語(yǔ)學(xué)校北京100044)

*中國(guó)教育學(xué)會(huì)物理教學(xué)專業(yè)委員會(huì)2013年—2016年全國(guó)物理教育科研課題重點(diǎn)課題“‘知法并行’教學(xué)模式研究”階段性成果之一.

摘 要：我們借鑒國(guó)外同行的做法，以視差法在凸透鏡成像中的應(yīng)用為核心，提出了總計(jì)4課時(shí)的“探究凸透鏡成像規(guī)律”教學(xué)設(shè)計(jì)，并在教學(xué)實(shí)踐之中進(jìn)行嘗試．在這樣的教學(xué)之中，學(xué)生們經(jīng)歷了一個(gè)完整的科學(xué)探究過(guò)程，在這樣的過(guò)程中他們體驗(yàn)了科學(xué)探究之中克服各種困難層層深入的思維樂(lè)趣，在探究的過(guò)程之中他們建構(gòu)起了基于自己研究所得的正確物理概念．

關(guān)鍵詞：凸透鏡成像視差法教學(xué)設(shè)計(jì)科學(xué)探究

收稿日期：(2014-06-23)

1問(wèn)題的提出

《初中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)凸透鏡成像的要求如下：“認(rèn)識(shí)凸透鏡的會(huì)聚作用和凹透鏡的發(fā)散作用．探究并知道凸透鏡成像的規(guī)律．”[1]為了實(shí)現(xiàn)這樣的要求，教學(xué)實(shí)踐之中我們習(xí)慣于采用這樣的做法：指導(dǎo)學(xué)生在光具座上以點(diǎn)燃的蠟燭或者燈絲為物，移動(dòng)凸透鏡另外一側(cè)的光屏來(lái)尋找清晰的像，通過(guò)記錄比較像與物的上下、左右關(guān)系和物距、像距關(guān)系歸納得出凸透鏡的成像規(guī)律．

習(xí)慣的做法是否能達(dá)到最好的效果呢？在教學(xué)實(shí)踐之中，我們感受到很多學(xué)生只是按部就班地動(dòng)手操作和機(jī)械記錄數(shù)據(jù)，及至實(shí)驗(yàn)之后對(duì)凸透鏡成像規(guī)律也沒(méi)有屬于自己的感性認(rèn)識(shí)，甚至于在教學(xué)實(shí)踐之中出現(xiàn)了學(xué)生要依靠后期的習(xí)題訓(xùn)練和規(guī)律背誦來(lái)幫助自己學(xué)習(xí)凸透鏡成像規(guī)律！

導(dǎo)致這樣教學(xué)現(xiàn)狀的問(wèn)題根源在哪里呢？我們認(rèn)為，如上所述的教學(xué)設(shè)計(jì)雖然重視物理實(shí)驗(yàn)在學(xué)生認(rèn)識(shí)物理規(guī)律上的作用，但忽視了學(xué)生對(duì)物理現(xiàn)象的充分觀察和深入感知；雖然重視學(xué)生在探究過(guò)程之中的動(dòng)手操作，但忽視了學(xué)生在探究過(guò)程之中的思維深入；雖然重視實(shí)驗(yàn)結(jié)論的準(zhǔn)確性，但忽視了科學(xué)探究過(guò)程之中由定性研究到定量研究的過(guò)渡．

改變這樣教學(xué)現(xiàn)狀的突破點(diǎn)在哪里呢？我們認(rèn)為，除了教師教學(xué)設(shè)計(jì)要改變之外，還要淡化光具座的作用．無(wú)可否認(rèn)，光具座在光學(xué)實(shí)驗(yàn)之中扮演了重要角色，但光具座的使用又降低了學(xué)生思維和實(shí)驗(yàn)的深度．但如果不借助光具座和光屏成像，還有什么方法能確定像的位置呢？

2關(guān)于視差法的介紹

在查閱資料之中，我們閱讀到了美國(guó)物理教材《Physics by Inquiry》，在這套教材之中出現(xiàn)了用視差法確定像位置的方法[2]．

我們已經(jīng)習(xí)慣于使用兩只眼睛看物體，從而確定物體的位置和大小．但當(dāng)我們?cè)谕粋€(gè)位置，試著看遠(yuǎn)處的一個(gè)物體，同時(shí)在鼻子前舉起一根手指，并且閉上一只眼睛，用另一只眼睛觀看．輪流交換兩只眼，會(huì)發(fā)現(xiàn)相對(duì)于遠(yuǎn)處的物體，手指好像改變位置．這就是視差．如果把手伸直，會(huì)發(fā)現(xiàn)手指改變的位置好像小了一點(diǎn)．因?yàn)橛羞@樣的視差，我們才能分辨物體的遠(yuǎn)近，產(chǎn)生距離感．但如果手指確實(shí)和遠(yuǎn)處物體重合的話,無(wú)論我們從哪個(gè)方向來(lái)看，都不會(huì)有這樣的視差了!

這樣的方法給了我們很大啟發(fā)！于是在借鑒國(guó)外同行做法的基礎(chǔ)上，我們反復(fù)醞釀，提出了總計(jì)4課時(shí)的“探究凸透鏡成像規(guī)律”教學(xué)設(shè)計(jì)．在這樣的教學(xué)設(shè)計(jì)中，我們力求克服已有教學(xué)設(shè)計(jì)的弊端，給學(xué)生創(chuàng)設(shè)自由寬松的探究氛圍，促使學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究過(guò)程，在學(xué)生層層深入的探究過(guò)程中體現(xiàn)教師引導(dǎo)者的角色作用．

3探究凸透鏡成像規(guī)律的教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

筆者力求通過(guò)下面的文字客觀展現(xiàn)每一節(jié)課的教學(xué)設(shè)計(jì)和個(gè)別環(huán)節(jié)學(xué)生的反映，以期能與諸多同行交流．

3.1第一課時(shí) 初步研究凸透鏡成像特點(diǎn)

在教學(xué)實(shí)踐中，本節(jié)課恰好是八年級(jí)下學(xué)期的第一節(jié)課．故在教學(xué)設(shè)計(jì)上，本節(jié)兼顧復(fù)習(xí)和對(duì)新內(nèi)容的過(guò)渡．課前我們給每個(gè)學(xué)生發(fā)了個(gè)凸透鏡，但同桌二人所持的凸透鏡焦距不同．從設(shè)計(jì)思路來(lái)說(shuō)，試圖通過(guò)教師設(shè)計(jì)的問(wèn)題帶動(dòng)學(xué)生思維逐漸深入并聚焦于新問(wèn)題．在每一個(gè)問(wèn)題后面，給學(xué)生留有思考時(shí)間，學(xué)生可以手持凸透鏡不斷進(jìn)行嘗試，在嘗試之后經(jīng)過(guò)思考再發(fā)言，如有較難的問(wèn)題則要求大家討論．

問(wèn)題1：你認(rèn)為焦距體現(xiàn)了凸透鏡什么性質(zhì)？

問(wèn)題2：怎樣粗略測(cè)量凸透鏡的焦距？

問(wèn)題3：生活之中常見(jiàn)的凸透鏡有哪些？

問(wèn)題4：怎樣使用放大鏡？

問(wèn)題5：放大鏡只能起放大作用么？

問(wèn)題6：你猜測(cè)凸透鏡成像可能會(huì)和什么因素有關(guān)系？

問(wèn)題7： 在凸透鏡焦距f和物距u已經(jīng)確定的情況下，你知道像在什么位置么？

問(wèn)題8：你能確定像的具體位置么？

一些學(xué)生嘗試著用手去摸像；一些學(xué)生拿尺子試圖去測(cè)量像距離人的遠(yuǎn)近；也有同桌二人相互配合，一人拿凸透鏡看像，另外一人按照要求前后移動(dòng)去找像的位置．但學(xué)生們發(fā)現(xiàn)，他們找的像只是一個(gè)大概位置，很難找到像的具體位置．

問(wèn)題9：在確定像的位置時(shí)，你有什么困難？

教師請(qǐng)學(xué)生發(fā)言交流他們的困難，從學(xué)生的發(fā)言之中，大家歸納出最大的困難：看得見(jiàn)像，但摸不到像，從而難以確定像的具體位置！

問(wèn)題10：此前我們遇到過(guò)這樣的困難么？當(dāng)時(shí)怎么解決的？

教師提示學(xué)生回憶研究平面鏡成像時(shí)的方法：借助一個(gè)未點(diǎn)燃的酒精燈來(lái)尋找透明玻璃板后面點(diǎn)燃酒精燈的像，從而找到了看得見(jiàn)但摸不到的虛像．

問(wèn)題11：那樣解決問(wèn)題的方法可以給我們一些啟示么？

3.2第二課時(shí) 學(xué)習(xí)視差法確定凸透鏡成像的位置

本節(jié)課主要是學(xué)習(xí)視差法，并使學(xué)生進(jìn)行練習(xí)從而體會(huì)和初步理解視差法，以便為下一節(jié)課的應(yīng)用打好基礎(chǔ)．故在本節(jié)課中，教師以PPT展示或者言語(yǔ)指導(dǎo)為主要教學(xué)行為．課前，仍然是每個(gè)學(xué)生都拿到一個(gè)凸透鏡．教師的每一個(gè)指導(dǎo)之后，都要求學(xué)生去嘗試、體會(huì)，并交流自己的感受和收獲，或者同桌二人配合完成一些操作練習(xí)．

指導(dǎo)1：大家平時(shí)都習(xí)慣了用兩只眼睛看物體．如果只使用一只眼睛看物體，你會(huì)有什么樣的感受？

指導(dǎo)2：把食指放于眼前，頭不要晃動(dòng)，用兩只眼睛分別看食指，你有什么感覺(jué)？

分別用兩只眼睛看的時(shí)候，學(xué)生感受到手指在晃動(dòng)．教師繼續(xù)問(wèn)學(xué)生，兩只眼睛分別觀看手指的時(shí)候，你感覺(jué)手指晃動(dòng)的方向什么特點(diǎn)？經(jīng)過(guò)觀察體驗(yàn)，學(xué)生感受到，使用左眼看手指感覺(jué)手指向右移動(dòng)，使用右眼看手指感覺(jué)手指向左移動(dòng)．

指導(dǎo)3：教師展示《時(shí)間簡(jiǎn)史》中的一段話和圖片，以使學(xué)生有更廣闊的知識(shí)背景，從而更好地理解視差法的應(yīng)用．

指導(dǎo)4：能否利用一只眼睛看東西時(shí)的視差來(lái)確定物體經(jīng)凸透鏡所成像的位置呢？

學(xué)生紛紛嘗試使用一只眼睛通過(guò)凸透鏡看物體，但還是不得其解．教師提出問(wèn)題，用一只眼睛通過(guò)凸透鏡看物體為什么不能確定像的位置呢？教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行分析，這樣使用一只眼睛通過(guò)凸透鏡看物體的時(shí)候，物體、像和凸透鏡在一條直線上，你根本沒(méi)有什么作為像位置參考的東西，故還不能確定像的位置．能否使用一個(gè)我們看得見(jiàn)摸得住的物體來(lái)做參照呢？

指導(dǎo)5：讓你的同桌在你面前約1 m處豎舉兩支鉛筆，使一支豎立在另一支上面．然后讓你同伴把一支鉛筆向你移近約15 cm．閉上一只眼睛，上下移動(dòng)頭以便使一支鉛筆看起來(lái)剛好在另一支的正上方．現(xiàn)在左右移動(dòng)你的頭，描述你觀察到的現(xiàn)象．

指導(dǎo)6：再換另一只眼閉上，然后上下移動(dòng)頭以便使一支鉛筆看起來(lái)剛好在另一支的正上方．如果你向右移動(dòng)頭，哪一支鉛筆看起來(lái)出現(xiàn)在右側(cè)？是靠近的還是遠(yuǎn)離你的那支？如果你向左移動(dòng)頭，哪一支鉛筆看起來(lái)出現(xiàn)在左側(cè)？是靠近的還是遠(yuǎn)離你的那支？

指導(dǎo)7：讓你的同桌把兩支鉛筆都向靠近你的方向移動(dòng)．當(dāng)你將頭從一側(cè)移到另一側(cè)時(shí)，這種改變?nèi)绾斡绊懩阌^察到的現(xiàn)象？讓你的同伴把一支鉛筆豎放在另一個(gè)上面．當(dāng)你將頭從一側(cè)移到另一側(cè)時(shí)，這種改變?nèi)绾斡绊懩阌^察到的現(xiàn)象？

指導(dǎo)8：同桌二人交換角色，重新進(jìn)行上面的實(shí)驗(yàn)，并交流討論自己的收獲．

指導(dǎo)9：在上面的實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)你將頭從一側(cè)移到另一側(cè)時(shí)，原來(lái)一只眼睛看起來(lái)連在一起的兩支鉛筆的相對(duì)位置有明顯改變．這種效果就是所謂的由于視差．如果一支鉛筆確實(shí)豎放在另一個(gè)上面，還會(huì)有視差么？

指導(dǎo)10：一旦沒(méi)有視差的時(shí)候，我們就可以判斷，兩個(gè)鉛筆真連在一起了，此時(shí)可以借助其中一根鉛筆來(lái)確定另外一根鉛筆的位置．能否把這樣的方法運(yùn)用到尋找物體經(jīng)凸透鏡后成像的位置？

3.3第三課時(shí) 借助視差法研究凸透鏡成像規(guī)律

在前面兩節(jié)課的基礎(chǔ)上，學(xué)生們已經(jīng)明確，為了研究凸透鏡成像規(guī)律，需要確定物體經(jīng)凸透鏡成像后的位置．但物體經(jīng)凸透鏡所成像的特點(diǎn)是看得見(jiàn)、摸不著．借鑒并改進(jìn)研究平面鏡成像時(shí)采用的方法，學(xué)生們學(xué)習(xí)了視差法．故本節(jié)課就是學(xué)生應(yīng)用視差法通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究凸透鏡的成像規(guī)律．根據(jù)學(xué)生思維發(fā)展特點(diǎn)，教師設(shè)計(jì)了以下5個(gè)系列實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生在完成每一個(gè)實(shí)驗(yàn)之后都要進(jìn)行思考和討論，并確定下一步研究重點(diǎn)，以期學(xué)生在初步歸納出凸透鏡成像特點(diǎn)的同時(shí)體會(huì)科學(xué)研究的過(guò)程．

實(shí)驗(yàn)1：一人手持一根釘子放在焦距10 cm的凸透鏡前約30 cm處，另外一人手持細(xì)金屬棒在透鏡另外一側(cè)確定釘子經(jīng)凸透鏡所成像的位置．

教師請(qǐng)學(xué)生交流運(yùn)用視差法找釘子像的收獲、技巧和困難．經(jīng)過(guò)討論之后，學(xué)生們完全理解上節(jié)課所學(xué)的視差法．關(guān)于操作之中的困難，大家認(rèn)為是兩個(gè)人之間的配合，因?yàn)閮蓚€(gè)人拿3樣?xùn)|西且需要這3樣?xùn)|西在一條直線上，而兩人之間這樣的協(xié)調(diào)和配合很難完美實(shí)現(xiàn)．

實(shí)驗(yàn)2：將釘子和凸透鏡放在桌面上相距約30cm，重新持金屬棒確定釘子經(jīng)凸透鏡所成像的位置．

實(shí)驗(yàn)3：如圖1所示，將釘子、凸透鏡依次放在直尺上，重新持金屬棒確定釘子經(jīng)凸透鏡所成像的位置．

圖1

教師帶領(lǐng)學(xué)生回顧上述3個(gè)實(shí)驗(yàn)，感受科學(xué)研究過(guò)程之中由難到易的解決問(wèn)題過(guò)程，給學(xué)生介紹光具座的使用方法并從科學(xué)儀器發(fā)明和使用的角度使學(xué)生感悟到光具座的實(shí)用價(jià)值：使物體、凸透鏡和釘子在一條直線上，可以直接讀出物距和像距．

實(shí)驗(yàn)4：如圖2所示，在光具座上重新進(jìn)行上述實(shí)驗(yàn)．

圖2

實(shí)驗(yàn)5：在光具座上改變物距，同桌二人分別尋找出不同物距下釘子的像距，并各自記錄至少6組相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)．

學(xué)生們很快完成實(shí)驗(yàn)操作的過(guò)程并記錄下相關(guān)數(shù)據(jù)．經(jīng)過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，他們意識(shí)到當(dāng)物距改變的時(shí)候像距也在改變，物距變小的時(shí)候像距變大，物距變大的時(shí)候像距變小．

3.4第四課時(shí) 繼續(xù)探究凸透鏡成像規(guī)律

通過(guò)視差法研究凸透鏡成像規(guī)律，學(xué)生們已經(jīng)初步感知到當(dāng)物距變化時(shí)像距的變化規(guī)律．但視差法本身的誤差很大，且不能準(zhǔn)確研究像與物的大小、左右、正立與否的關(guān)系；再者學(xué)生們?nèi)庋塾^察、確定不發(fā)光的釘子所成的像時(shí)也有很大偏差．當(dāng)教師引導(dǎo)學(xué)生們明確這樣的認(rèn)識(shí)之后，就要繼續(xù)研究改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法．學(xué)生們認(rèn)識(shí)到，使用點(diǎn)燃的蠟燭代替釘子便于更好地形成像，利用光屏接收蠟燭的像比人眼睛看要精確許多．結(jié)合如圖3所示實(shí)驗(yàn)器材，學(xué)生們順利探究得出凸透鏡成像的所有規(guī)律．故在本節(jié)課中，教師引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)更可準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，準(zhǔn)確建構(gòu)起凸透鏡成像的規(guī)律．

圖3

4教學(xué)反思

以視差法在凸透鏡成像中的應(yīng)用為核心，我們進(jìn)行了如上所述的教學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)踐．我們欣喜地觀察到，在第四課時(shí)結(jié)束時(shí)，學(xué)生們?nèi)苊鞔_、清晰地認(rèn)識(shí)并掌握凸透鏡成像規(guī)律．在這樣的教學(xué)之中，他們經(jīng)歷了一個(gè)完整的科學(xué)探究過(guò)程，在這樣的過(guò)程中他們體驗(yàn)了科學(xué)探究之中克服各種困難層層深入的思維樂(lè)趣，在探究的過(guò)程之中他們建構(gòu)起了基于自己研究所得的正確物理概念．回首這樣的學(xué)習(xí)過(guò)程，在教學(xué)實(shí)踐后的訪談中，90%以上的學(xué)生很認(rèn)可這樣的學(xué)習(xí)過(guò)程和學(xué)習(xí)方式，更有學(xué)生用一個(gè)“爽”字來(lái)概括自己的奇妙感受！從后期的習(xí)題測(cè)試之中我們看到100%的學(xué)生能準(zhǔn)確作答出凸透鏡成像規(guī)律的習(xí)題．

當(dāng)然這樣的教學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)踐也并非盡善盡美．首先這樣的教學(xué)設(shè)計(jì)需要4個(gè)課時(shí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出常態(tài)教學(xué)之中的時(shí)間安排．從我們教學(xué)實(shí)踐來(lái)看，學(xué)生們首先要在教師的指導(dǎo)下學(xué)會(huì)視差法，而學(xué)習(xí)這個(gè)方法的過(guò)程就需要一節(jié)課的時(shí)間；再者，在第三課時(shí)的實(shí)驗(yàn)之中，我們首先是使用鐵釘做為物體來(lái)研究凸透鏡成像規(guī)律，由于鐵釘自身不發(fā)光的原因，學(xué)生們?cè)诘谝淮未_定像位置的時(shí)候，走了一些彎路．其次，教學(xué)實(shí)踐中，教師的角色特征和語(yǔ)言把握很難，因此在教學(xué)實(shí)踐中我們也走了一些彎路．當(dāng)面對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)視差法的種種困惑時(shí)，我們感受到了巨大壓力：是放棄我們的嘗試還是繼續(xù)下去？再者，從教學(xué)實(shí)踐之后的訪談中我們也看到，也有學(xué)生對(duì)這樣“繞彎子”式的教學(xué)設(shè)計(jì)持懷疑態(tài)度，至于學(xué)生對(duì)習(xí)題的準(zhǔn)確作答我們也不能完全歸結(jié)為實(shí)驗(yàn)的巨大作用．最后，這樣的教學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)踐結(jié)果是否如我們所期待的那樣能對(duì)學(xué)生產(chǎn)生影響，也有待我們?cè)诤笃诠ぷ髦欣^續(xù)研究．

參 考 文 獻(xiàn)

1中華人民共和國(guó)教育部.全日制義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn). 北京：北京師范大學(xué)出版社.2001.11

2Lillian C. McDermott. Physics by InquiryⅠ，Ⅱ. Washington:John Wiley & Sons.1996

3(英)史蒂芬·霍金著.時(shí)間簡(jiǎn)史(普及版).吳忠超譯.長(zhǎng)沙:湖南科學(xué)技術(shù)出版社，2006.8