一道光學實驗題引發(fā)的思考

軒洪波

一、問題的引出

棲霞區(qū)八年級期末調(diào)研中一道光學題目的部分內(nèi)容：探究凸透鏡成像規(guī)律時如圖1左所示，光源“F”放在距凸透鏡15 cm處的光具座上，凸透鏡固定在光具座零刻度線上，如果用遮光罩將凸透鏡的上半部分罩住，則光屏上所成的像

出題者想通過這道題考查學生在“探究凸透鏡的成像規(guī)律” 過程中看到不透明的光屏上所成像的情況，以及遮擋部分后的凸透鏡能否形成完整的像.可能是圖1中沒有很好體現(xiàn)出實驗者所在的位置，所以絕大多數(shù)的老師和學生解答這個題目時，所選答案是C選項.

區(qū)物理教研員在一次教師業(yè)務培訓時，又讓受訓教師做了這道題，教研員將圖1改成了圖2，確定實驗者在光具座中間看向光屏，考查結(jié)果大多數(shù)教師的答案依然是C選項.

學生實驗時，看到不透明光屏上的像如圖3樣子，所以學生在光屏上看到像是D選項，為什么絕對多數(shù)老師和學生選C選項呢？

二、引發(fā)的思考

1.實驗器材的改變，使實驗考察的問題難度提高.探究凸透鏡成像規(guī)律的實驗是初中學生必做的學生實驗，常規(guī)實驗器材中所用的發(fā)光體是蠟燭，蠟燭的好處是取材方便、亮度高，在光屏上成的像清晰，由于燭焰左右對稱，實驗所成的像，學生只要觀察形成的像的實虛、大小、正倒即可.缺點是當25組學生同時實驗時，燃燒的燭焰使空氣變得很渾濁，影響學生身體健康.現(xiàn)在有條件的學校已將蠟燭換成由發(fā)光二極管拼成“F”型字樣的發(fā)光體，實驗時沒有了污染，但這樣的光源在帶來方便的同時，也使得學生觀察凸透鏡成像的特點的難度提高了，使用蠟燭實驗時，學生主要觀察像的“正立”還是“倒立”問題，而改進后的實驗中，增加了成像的“左右”問題，從而增加了學生對實驗現(xiàn)象觀察分析的難度.

2.學生做實驗的時間不足，使實驗討論深度和細度不夠.教學大綱中規(guī)定“探究凸透鏡成像的規(guī)律”是學生必須做的實驗.學生做這個實驗，需要對實驗進行充分地觀察和分析，但是教師因為教學進度和課時的限制，往往設計只安排一個課時，學生實驗時，教師為了完成教學目標，除去課堂引入，實驗操作講解等，學生實驗操作的實際時間不足30分鐘，實驗中觀察重點往往被教師引導，像的特點集中在“大小”“倒立、正立”“實像、虛像”以及像的大小變化等方面，學生在實驗過程中，對物體經(jīng)過凸透鏡成像特點缺少觀察、分析、討論和交流，實驗的許多細節(jié)不是由學生親自實驗得知的，而是通過后來的多次習題訓練完成的，加上教師很少引導學生直接透過凸透鏡看物體的實像，學生以為實像只能用光屏承接，對知識建構(gòu)過程不夠充分.

探究時，如果學生用遮光板遮擋凸透鏡的一部分，就能在光屏上看到稍微變暗的物體完整的像，如果教師引導學生對觀察的現(xiàn)象進行充分討論和交流，結(jié)論是經(jīng)過學生討論、歸納、總結(jié)出來的，那么學生就能分辨出什么是看到的現(xiàn)象，什么是總結(jié)的規(guī)律，就不會將結(jié)論性答案替代過程性答案了.

3.教師自身對成像特點了解深度不夠.實驗器材的改變，對教師的備課提出更高的要求.首先教師自己要明確平面鏡和凸透鏡成像的特點本質(zhì)，包括成像中的左右問題，如果教師自己對物體所成像的左右問題不清楚，就不可能期望學生能夠清楚.

什么是“上下、前后、左右”，有一部分教師對這個問題了解深度是不夠的，人類在認識世界的過程中，為了定位方向，以自身為參考建立了一個三維坐標系，這個坐標系是以人的面部朝向為Z軸正向，以背部朝向為Z軸負向，分別代表方位“前”和“后”；以人的軀干（從眉心到肚臍的連線）為Y軸，頭部和腳分別為Y軸正向和負向，代表方位“上”和“下”；而與兩肩連線平行的方向為則為X軸，左的定義是：伸出你的右手，拇指與四指在一個平面上，并呈垂直狀.若四指所指的方向為前，拇指所指的方向為上，那么掌心所對的方向就向左了，符合右手系法則.如圖4，Y正方向是從下到上，Z正方向是從后到前.上和下、前和后的定義是絕對的（或者說先被定義），而左和右的定義則是相對的（或者說后被定義），左和右的定義依賴于上和下、前和后的定義.

人在平面鏡中所成的像，按照以上的左右定義法，“像”的左邊是平面鏡前人的右邊形成的，如果平面鏡前的人符合右手系，它在平面鏡中的“像”則符合左手系.用數(shù)學語言是軸對稱圖形.發(fā)光體相對平面鏡成軸對稱的“”.因為平面鏡成虛像，所以只能用眼睛看平面鏡所成像.

凸透鏡成像可以通過光路分析得到，發(fā)光物體通過凸透鏡光心的光線傳播方向不發(fā)生改變，“像”相對于物體發(fā)生了180度的旋轉(zhuǎn)，所成實像相當于幾何的中心對稱圖形.如果凸透鏡前的物體符合右手系，它通過凸透鏡所成的“像”仍然符合右手系.發(fā)光體相對凸透鏡成“”.

因為凸透鏡可以成實像和虛像，成實像時可以用眼睛看，也可以用光屏承接像，學生實驗時一般是站在光具座的中間，光屏使用也多是不透明的接受屏，所以他們看到的像是“”.如果光屏是透明的，學生所在的位置不同（如圖5所示）看到的又是“”，如果去掉光屏，用眼睛直接看物體，看到的是“”.這道題目出題者想考察學生實驗操作過程中觀察到的現(xiàn)象，這是一道過程性的考題.在觀察過程中就出現(xiàn)了看到的和分析的情況不同.

有教師說“這個題考察的目的是什么” ？“這不是故意擾亂 學生的思維嗎” ？我們要培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)，學生在試驗中必須“實事求是”，筆者認為這是一道有待完善的考查實驗過程的好題，由于題圖中，光屏的放置立體感不夠強，學生不能確定觀察者所在的位置，凸透鏡所成像，在實際觀察過程中像的左右和觀察者站的角度有關；如果出題者將題目中的光屏改成“不透明”的，學生就能確定實驗時所處光具座的中間位置，寫出實驗中看到的實際情況.

教師教學中追求教學目標的達成，使學生對觀察到的現(xiàn)象缺少分析和質(zhì)疑，學生的知識建構(gòu)缺少討論和交流，雖然學生親歷知識的建構(gòu)過程與所掌握的教學內(nèi)容和通過練習記憶的知識內(nèi)容，在考試中成績的區(qū)別不大，但對提高學生的科學素養(yǎng)，過程比結(jié)果對學生的發(fā)展更重要.筆者建議在光學凸透鏡成像的教學中，用兩節(jié)課進行實驗探究，設計以小項目為板塊的導學案引領學生有目的、有方向的進行探究，學生在實驗過程中，邊觀察、邊分析、邊討論、邊交流，同時歸納總結(jié)得出實驗結(jié)論，這樣就留給學生知識建構(gòu)的時間和空間.