精心設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)　助力概念學(xué)習(xí)
——以《透鏡》實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)為例

蘇　敏　袁海泉

(1. 鎮(zhèn)江科技新城實(shí)驗(yàn)學(xué)校,江蘇　鎮(zhèn)江　212000;2. 蘇州大學(xué)物理與光電能源學(xué)部,江蘇　蘇州　215000)

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精心設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)助力概念學(xué)習(xí)
——以《透鏡》實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)為例

蘇敏1袁海泉2

(1. 鎮(zhèn)江科技新城實(shí)驗(yàn)學(xué)校,江蘇鎮(zhèn)江212000;2. 蘇州大學(xué)物理與光電能源學(xué)部,江蘇蘇州215000)

本文以“透鏡”教學(xué)為例,利用學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)探究的濃厚興趣,抓好實(shí)驗(yàn)教學(xué),幫助學(xué)生形成清晰的物理概念,掌握準(zhǔn)確的物理規(guī)律.

透鏡;概念學(xué)習(xí);實(shí)驗(yàn)探究

1　物理實(shí)驗(yàn)是概念學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)

物理概念反映了物理現(xiàn)象和過(guò)程的本質(zhì)屬性,物理規(guī)律是物理現(xiàn)象或過(guò)程的本質(zhì)聯(lián)系在一定條件下必然發(fā)生、發(fā)展和變化的反映.形成概念、掌握規(guī)律往往都要經(jīng)歷一個(gè)由具體到抽象,再由抽象到具體的過(guò)程.很多時(shí)候,教師會(huì)選擇從具體情境引入,通過(guò)觀察、實(shí)驗(yàn)、討論等方法引導(dǎo)學(xué)生形成物理概念和規(guī)律,分析概念的內(nèi)涵和外延,再將規(guī)律應(yīng)用于實(shí)際,解釋蘊(yùn)藏在生活中的物理現(xiàn)象,最后通過(guò)練習(xí)強(qiáng)化和鞏固習(xí)得的概念和規(guī)律.但是概念和規(guī)律的學(xué)習(xí)并非一蹴而就,教師常常會(huì)發(fā)現(xiàn),對(duì)于某個(gè)知識(shí)點(diǎn)自己感覺(jué)講得很清楚,學(xué)生卻總是反復(fù)錯(cuò),原因在于概念的形成、規(guī)律的學(xué)習(xí)具有復(fù)雜性.首先,從注意的角度來(lái)說(shuō),Broadbent的過(guò)濾器理論指出：人的注意是有限的,在外界紛繁的刺激中,它總是選擇更強(qiáng)的刺激.在物理課堂中,反映事物本質(zhì)屬性的刺激卻并非都是最強(qiáng)的.其次,學(xué)生錯(cuò)誤的前概念會(huì)干擾概念的形成和規(guī)律的掌握,產(chǎn)生負(fù)遷移.此外,相類似的概念會(huì)使學(xué)生混淆不清,忽略它們?cè)诒举|(zhì)屬性上的差別.當(dāng)然,教材的編寫和教師的講解也會(huì)直接影響學(xué)生概念、規(guī)律的學(xué)習(xí).

要想形成清晰的概念，準(zhǔn)確地掌握規(guī)律,一個(gè)很重要的方法就是加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué).實(shí)驗(yàn)教學(xué)是物理教學(xué)中常用的方法,它既是物理教學(xué)的基礎(chǔ),又是物理教學(xué)的內(nèi)容,而不僅僅是一個(gè)工具.人們認(rèn)識(shí)世界往往是從感覺(jué)入手,實(shí)驗(yàn)操作可以對(duì)各個(gè)感官產(chǎn)生綜合的刺激,讓學(xué)生獲得豐富的感性認(rèn)識(shí).這些感性認(rèn)識(shí)是思維進(jìn)行信息加工的原材料,是概念形成的基礎(chǔ),準(zhǔn)確而深刻的感性認(rèn)識(shí)在進(jìn)一步學(xué)習(xí)中可以順利地上升為正確的理性認(rèn)識(shí),而模糊甚至有偏差的感性認(rèn)識(shí)只能帶給學(xué)生錯(cuò)誤的認(rèn)知,讓學(xué)生多走彎路.所以,雖說(shuō)在初中階段,機(jī)械記憶、反復(fù)做題也能夠使學(xué)生在考試中取得不錯(cuò)的成績(jī),但是經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)后的課堂與簡(jiǎn)單引入、粗略介紹、反復(fù)操練的課堂相比,學(xué)生的學(xué)習(xí)物理概念和規(guī)律的有效性是不一樣的.

2　基于實(shí)驗(yàn)探究的概念教學(xué)設(shè)計(jì)

本文以蘇科版《透鏡》一節(jié)為例,探討實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)形成概念和掌握規(guī)律的積極作用.

2.1對(duì)往屆學(xué)生的學(xué)情分析

在透鏡這一節(jié)中最大的難點(diǎn)就是兩種透鏡對(duì)光路的會(huì)聚或發(fā)散作用,說(shuō)起來(lái)很容易,圖畫起來(lái)也很清晰,但學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)常常會(huì)出現(xiàn)一種典型錯(cuò)誤——因?yàn)橥雇哥R是會(huì)聚透鏡,所以最終能使光線會(huì)聚到主光軸上的一定是凸透鏡,反之,因?yàn)榘纪哥R是發(fā)散透鏡,因此能使光線沿著主光軸的方向發(fā)散的透鏡就一定是凹透鏡,這種斷章取義的思維導(dǎo)致結(jié)果完全背離了真相.歸根結(jié)底,還是學(xué)生對(duì)會(huì)聚或發(fā)散這兩個(gè)概念的內(nèi)涵不甚清晰,他們把這里的會(huì)聚或發(fā)散作用看成了一種結(jié)果性的描述,以主光軸為參照物,凸透鏡的會(huì)聚作用一定可以使最終的折射光線會(huì)聚到主光軸,而凹透鏡的發(fā)散作用則必然會(huì)使最終的折射光線沿著主光軸發(fā)散.殊不知,這里的會(huì)聚或發(fā)散作用其實(shí)是一種過(guò)程性的描述,它強(qiáng)調(diào)的是光線通過(guò)透鏡這個(gè)過(guò)程,同樣是以主光軸為參照物,通過(guò)凸透鏡時(shí),折射光線一定會(huì)比原來(lái)的入射光線要會(huì)聚一點(diǎn),但是這種會(huì)聚的程度并不一定導(dǎo)致最終的折射光線一定會(huì)聚到主光軸,而通過(guò)凹透鏡時(shí),后來(lái)的折射光線也會(huì)比原來(lái)的入射光線要發(fā)散一點(diǎn),同樣這種發(fā)散并不是說(shuō)一定可以沿主光軸方向發(fā)散.因此在教學(xué)過(guò)程中,面對(duì)學(xué)生的這種錯(cuò)誤,筆者不厭其煩地強(qiáng)調(diào):這里的會(huì)聚(發(fā)散)作用,是后來(lái)的折射光線與原來(lái)的入射光線之間的對(duì)比,是整個(gè)折射過(guò)程的比較,而不是最終結(jié)果的會(huì)聚(發(fā)散).當(dāng)然,最終大部分學(xué)生總能通過(guò)理解或記憶接受這個(gè)結(jié)論,但是學(xué)習(xí)效果顯然是不高的.

2.2學(xué)情背后的原因反思

針對(duì)此現(xiàn)狀,筆者進(jìn)行了深刻的反思.記得在某次培訓(xùn)中,一位專家指出：我們?cè)诮虒W(xué)中忙于補(bǔ)漏,卻不知這些漏洞正是來(lái)源于課堂.這句話令筆者感觸頗深,那么對(duì)于這個(gè)知識(shí)點(diǎn)來(lái)說(shuō),漏洞出在哪里？筆者認(rèn)為是教師對(duì)書本內(nèi)容的簡(jiǎn)單挪用,書本中在透鏡對(duì)光路的作用這一活動(dòng)環(huán)節(jié)給出的提示是一束平行于主光軸的入射光線,考慮到平行光是三種特殊光線中的一種,又是作圖題的常考知識(shí)點(diǎn),而且對(duì)平行光的了解有助于后面焦點(diǎn)、焦距等術(shù)語(yǔ)的學(xué)習(xí),所以在教學(xué)過(guò)程中探究透鏡對(duì)光路的作用時(shí),教師往往傾向于引導(dǎo)學(xué)生使用平行于主光軸的一束光作為入射光線進(jìn)行實(shí)驗(yàn),因而折射光路總是會(huì)聚于主光軸或者沿著主光軸的方向發(fā)散.新授課上簡(jiǎn)單明了的光路給予學(xué)生直接而清晰的視覺(jué)刺激,后面關(guān)于特殊光線的反復(fù)作圖又頻繁地對(duì)學(xué)生進(jìn)行強(qiáng)化練習(xí),最終將學(xué)生腦中本是朦朧的意識(shí)上升到了穩(wěn)定的認(rèn)知層面.然而,在初識(shí)透鏡的過(guò)程中,便不斷地給學(xué)生以平行光的強(qiáng)化,如此一來(lái),我們要如何讓學(xué)生了解非特殊光路,又如何讓學(xué)生真正理解會(huì)聚和發(fā)散的本質(zhì)呢？

2.3重新編制的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

由于往年的教學(xué)設(shè)計(jì)給學(xué)生帶來(lái)不少困擾,筆者對(duì)這種常規(guī)的教學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行了改進(jìn).

活動(dòng)1:引入透鏡,辨別透鏡.

師:我們班上有很多同學(xué)都戴著眼鏡,老師今天也給大家準(zhǔn)備了副眼鏡(老花鏡),它們都屬于我們今天要學(xué)習(xí)的透鏡.但是,這兩種眼鏡有什么差別呢？摘下你們的眼鏡,大家動(dòng)手比一比,看看你們能找到哪些不同點(diǎn)？

生:小組合作,討論、思考、回答:① 可以用手摸,看厚薄；② 可以用來(lái)看東西,觀察像是放大還是縮小(追問(wèn)學(xué)生是怎么看的,提前滲透透鏡成像的多樣性).

師:根據(jù)外形的差別,我們可以把透鏡分成兩類,用凹凸透鏡來(lái)表示的話,中間厚邊緣薄的是什么透鏡？中間薄邊緣厚的是什么透鏡？

生:分別是凸透鏡、凹透鏡.

師:利用它們不同的外形特征我們來(lái)判斷幾種透鏡(PPT呈現(xiàn)).同學(xué)們面前還有一紅一白的兩個(gè)透鏡,大家再來(lái)判斷一下它們分別是什么透鏡？(學(xué)生活動(dòng)、思考.)

師:你們是通過(guò)什么方法來(lái)判斷的？(回顧辨別透鏡的方法.)

生:手摸、眼看.

師:透鏡在我們的生活中有著很廣泛的應(yīng)用,比如剛剛提到的眼鏡,同學(xué)們還能想到哪些關(guān)于透鏡的應(yīng)用？

設(shè)計(jì)目的:這個(gè)環(huán)節(jié)知識(shí)點(diǎn)比較簡(jiǎn)單,讓學(xué)生認(rèn)識(shí)透鏡,能夠根據(jù)兩種透鏡的差別辨別不同透鏡.因此,實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)也比較簡(jiǎn)單,引入單刀直入,活動(dòng)由學(xué)生自主操作,自行總結(jié).

活動(dòng)2:探究透鏡對(duì)光路的作用

師:凸透鏡為什么可以成放大的像,凹透鏡為什么可以成縮小的像？光線在通過(guò)透鏡的過(guò)程中發(fā)生了什么光學(xué)現(xiàn)象？

生:折射.

師:那光線在通過(guò)兩種不同的透鏡以后傳播路徑是否一樣呢？接下來(lái),我們共同探究?jī)煞N透鏡對(duì)光線的作用.首先請(qǐng)同學(xué)們拿出學(xué)案,各小組在圖中凸透鏡的左側(cè)任意畫兩條光線(考慮到學(xué)生會(huì)受到書本的干擾,筆者在展臺(tái)上大致比劃一下非特殊兩條光線,看似無(wú)心的手勢(shì)既是出于導(dǎo)向目的,更是期望在書本定勢(shì)的影響下能夠?qū)W(xué)生起到些許干擾作用),然后小組成員用兩只激光筆同時(shí)沿著所畫光線的方向入射,其他成員觀察并畫出通過(guò)透鏡以后的光路,注意分工合作.對(duì)凹透鏡的探究也提出了同樣的要求.

學(xué)生通過(guò)小組合作,實(shí)驗(yàn)、畫圖，大部分的小組還是使用了平行光進(jìn)行探究,因?yàn)閷W(xué)生在潛移默化中總是熱衷于相信課本,不善于質(zhì)疑.少數(shù)小組使用了非特殊的入射光線,畫出了另一種光路.

師:同學(xué)們看看投影上幾個(gè)小組的圖,它們大致相似,那我們來(lái)看看,和原來(lái)的傳播路徑相比,通過(guò)透鏡的光線是向中間會(huì)聚了，還是向兩邊發(fā)散了？(用實(shí)物展臺(tái)展示,同時(shí)在投影上用紅筆畫出原來(lái)的路徑，如圖1所示.)

圖1

生:會(huì)聚.

師:我們?cè)賮?lái)看看凹透鏡的光路圖,和原來(lái)的傳播路徑相比,通過(guò)透鏡的光線是向中間會(huì)聚了，還是向兩邊發(fā)散了？

生:發(fā)散.

師:老師這兒還有一幅和這些不怎么一樣的圖,請(qǐng)同學(xué)們還用這種方法判斷,從透鏡出來(lái)的光線是會(huì)聚了，還是發(fā)散了？

生:凸透鏡起會(huì)聚作用,凹透鏡起發(fā)散作用.

師:為什么老師要展示不同小組的圖,就一組不可以嗎？為什么？

生:不可以,多次實(shí)驗(yàn)可以避免偶然性,得出普遍規(guī)律.

設(shè)計(jì)目的:透鏡對(duì)光路的作用是本節(jié)的重點(diǎn)和易錯(cuò)點(diǎn),因此對(duì)于這個(gè)探究環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)筆者做了很多思考,目的就是為了打破學(xué)生對(duì)會(huì)聚和發(fā)散的誤解.因?yàn)檎麄€(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程除了器材提供受限定之外，其他都是開放的,所以學(xué)生的光路不盡相同.本節(jié)課實(shí)驗(yàn)中使用的透鏡也很有講究,鑒于本節(jié)課所有光路圖都需要在紙上繪出,所以實(shí)驗(yàn)室隨處可見(jiàn)的手持透鏡并不適合放置在紙面上,必須使用上下表面均為平面的柱透鏡.實(shí)驗(yàn)操作完后,筆者在引導(dǎo)學(xué)生得出結(jié)論時(shí),從特殊光線入手過(guò)渡到非特殊光線,由特殊到一般的思維過(guò)程最終使學(xué)生獲得了頓悟,對(duì)會(huì)聚和發(fā)散作用有了更加深刻和全面的認(rèn)識(shí),使學(xué)生對(duì)判斷方法更加游刃有余.除此之外,展示不同小組的圖像還幫助學(xué)生回顧了多次實(shí)驗(yàn)的目的.

活動(dòng)3:聚焦特殊光線,自學(xué)相關(guān)術(shù)語(yǔ)

師:為了使我們的結(jié)論更加完善,我們?cè)賮?lái)探究透鏡對(duì)特殊光線的作用.在學(xué)案上老師已經(jīng)分別作出了三條平行光線(如圖2),請(qǐng)用剛才實(shí)驗(yàn)的方法將激光筆沿著平行光射向透鏡,觀察并畫出通過(guò)兩種透鏡以后的光路(學(xué)生合作實(shí)驗(yàn)、畫圖).

圖2

師:我們來(lái)看看大家的光路(展臺(tái)展示,回顧透鏡對(duì)光路的作用).

師:剛剛我們完成了平行光通過(guò)兩種透鏡的特殊光路圖,下面請(qǐng)同學(xué)們利用這兩幅圖,閱讀書本P85,自學(xué)有關(guān)透鏡的名詞.

師:通過(guò)剛剛的閱讀,同學(xué)們學(xué)會(huì)了哪些知識(shí)？

生:主光軸、光心、焦點(diǎn)、焦距.

師:現(xiàn)在右邊也有一束平行光照向凸透鏡,經(jīng)過(guò)透鏡光路會(huì)怎樣？說(shuō)明凸透鏡有幾個(gè)焦點(diǎn)？凹透鏡有幾個(gè)虛焦點(diǎn)？(學(xué)生小組討論,得出答案:平行光照向凸透鏡時(shí)會(huì)聚到主光軸,凸透鏡有2個(gè)焦點(diǎn),凹透鏡有2個(gè)虛焦點(diǎn).)

設(shè)計(jì)目的:人類認(rèn)識(shí)世界總是由特殊到一般,再?gòu)囊话愕教厥?在這個(gè)半開放的環(huán)節(jié)，筆者由放到收,再次回歸對(duì)特殊光線的研究,之所以再次回歸特殊光線并且使用三條平行光,目的是為了和書本上“焦點(diǎn)與焦距”的圖片相匹配,學(xué)生若能通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)此光路了然于心,那么接下來(lái)通過(guò)閱讀書本，自主學(xué)習(xí)諸如焦點(diǎn)、焦距、光心等術(shù)語(yǔ)便是水到渠成.考慮到前一階段大多數(shù)小組已經(jīng)使用過(guò)這種特殊光線,那么這里再次做這個(gè)實(shí)驗(yàn)是不是對(duì)前面活動(dòng)的簡(jiǎn)單重復(fù)？筆者認(rèn)為并不是,因?yàn)樵谙惹暗幕顒?dòng)中依靠的是學(xué)生主體的自主探究,部分學(xué)生雖然會(huì)選擇特殊光線,但他們往往是無(wú)意識(shí)的,因此在自行摸索的過(guò)程中，學(xué)生要做到目的明確、思路清晰、操作得當(dāng)，在一幅圖上畫出這三條平行光并不容易.故筆者決定再次讓全體學(xué)生重溫特殊光線的作圖,為自主學(xué)習(xí)相關(guān)術(shù)語(yǔ)做好準(zhǔn)備.

活動(dòng)4:熟悉另外兩類特殊光線作圖

師:我們?cè)倩剡^(guò)頭來(lái)看看剛剛畫的圖,有一條光線非常特殊,大家發(fā)現(xiàn)了嗎？大家猜猜看,這條光線通過(guò)哪里？

生:發(fā)現(xiàn)了,通過(guò)光心.

師:是不是所有的過(guò)光心的光線方向都不變呢？同學(xué)們將光線沿任意方向射向光心試試.(學(xué)生合作實(shí)驗(yàn),畫圖驗(yàn)證猜想.)

師:現(xiàn)在,有一束光從凸透鏡、凹透鏡的焦點(diǎn)入射,通過(guò)透鏡后光路會(huì)怎么樣？

生:平行于主光軸.

設(shè)計(jì)目的:特殊光線的作圖是常考知識(shí)點(diǎn),為了順利過(guò)渡到此環(huán)節(jié),筆者在前面的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中埋下了一個(gè)伏筆,那就是為何使用三條平行光而非兩條,多的其實(shí)就是那條通過(guò)光心的光線.待學(xué)生自學(xué)后,筆者便提出問(wèn)題：在剛才的圖中有一條光線非常特殊,大家發(fā)現(xiàn)了嗎？熟悉術(shù)語(yǔ)以后的學(xué)生稍加觀察便可發(fā)現(xiàn),是過(guò)光心的光線,因?yàn)橥ㄟ^(guò)透鏡時(shí)傳播方向不變,而這種不變是偶然還是必然,自然要繼續(xù)實(shí)驗(yàn)的.因此,這一伏筆順利開啟了對(duì)過(guò)光心的特殊光線的研究.

活動(dòng)5:總結(jié)辨別透鏡的方法

師:通過(guò)前面的學(xué)習(xí),我們發(fā)現(xiàn)凸透鏡和凹透鏡在很多方面存在差異,同學(xué)們現(xiàn)在可以總結(jié)出哪些方法來(lái)辨別某一透鏡是凸透鏡還是凹透鏡呢？小組討論，并說(shuō)說(shuō)你們方法的優(yōu)點(diǎn)是什么？

生:摸、看、照.

設(shè)計(jì)目的:總結(jié)辨別透鏡的方法,在前面學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上,學(xué)生完全可以通過(guò)小組討論得出正確答案.

活動(dòng)6:自學(xué)透鏡對(duì)光會(huì)聚和發(fā)散的奧秘

師:關(guān)于透鏡對(duì)光線的作用是本節(jié)課的重點(diǎn)內(nèi)容,但是關(guān)于會(huì)聚和發(fā)散的奧秘其實(shí)用我們上一節(jié)的內(nèi)容就可以得到解釋,請(qǐng)各小組閱讀教材,并合作完成學(xué)案的最后兩幅圖,解釋一下透鏡的會(huì)聚和發(fā)散作用.(學(xué)生閱讀教材,完成光路.)

設(shè)計(jì)目的:將本節(jié)課所學(xué)內(nèi)容與已有認(rèn)知掛鉤,讓學(xué)生在新舊知識(shí)的雙向聯(lián)系中將新知識(shí)納入到已有的知識(shí)結(jié)構(gòu)中,加深對(duì)新知識(shí)的理解.

3　結(jié)束語(yǔ)

在以往的教學(xué)設(shè)計(jì)中,筆者照本宣科、按部就班,實(shí)驗(yàn)不到位，使部分學(xué)生步入誤區(qū),在個(gè)別知識(shí)點(diǎn)上反復(fù)出錯(cuò),而經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的教學(xué)令學(xué)生學(xué)習(xí)物理概念和規(guī)律的過(guò)程順暢了許多,這其中實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的處理至關(guān)重要.物理作為一門自然學(xué)科,理論和實(shí)驗(yàn)是它的重要組成部分.實(shí)驗(yàn)是理論的基礎(chǔ),理論則為實(shí)驗(yàn)提供支撐,二者相輔相成.學(xué)生的探究活動(dòng)雖不及物理學(xué)家的科學(xué)探究,卻也可以對(duì)物理知識(shí)的學(xué)習(xí)起到良好的作用，在教學(xué)過(guò)程中,學(xué)生對(duì)物理實(shí)驗(yàn)總是保有激情.作為教師,我們當(dāng)以此為立足點(diǎn),抓好實(shí)驗(yàn)教學(xué),幫助學(xué)生形成清晰的物理概念,準(zhǔn)確掌握物理規(guī)律.

[1] 許國(guó)梁.中學(xué)物理教學(xué)法[M].北京:高等教育出版社,1993.

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