基于STEAM教育解決照相機成像實驗難點*

翟晶敏

(淄博市淄川區(qū)雙溝中學(xué) 山東 淄博 255100)

1 照相機成像實驗在教學(xué)中存在的問題

照相機成像是凸透鏡的一個難點實驗.難點在于沒有合適的演示器材和適合學(xué)生分組的器材來展現(xiàn)成像效果.山東科學(xué)技術(shù)出版社八年級上冊透鏡一章中“生活中的透鏡”一節(jié)中的照相機部分內(nèi)容與學(xué)生的前概念有認知沖突[1].課本內(nèi)容中介紹的照相機所呈現(xiàn)的是倒立縮小的實像，也僅僅是動畫圖片的形式展現(xiàn)，沒有成像實物圖的展現(xiàn).學(xué)生現(xiàn)在接觸的照相機主要包括手機相機和數(shù)碼相機，都是數(shù)字成像，所觀察到的像都是正立的，這形成了學(xué)生對照相機成像的前概念認識，因此課本中的成倒立像與學(xué)生前概念有認知沖突[2].

照相機成像性質(zhì)與學(xué)生的生活認知不符，因此會造成學(xué)生有疑惑而且理解困難，從而導(dǎo)致知識理解不到位，只能死記硬背來做題，不利于培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)[3].物理原理與生活脫軌，不符合生活實際，不止學(xué)生沒有見過真正的成像，也有很多教師沒有真正觀察過倒立的成像.有些教師講到照相機成像時只是口頭描述一下成像性質(zhì)就過去了，也有些教師關(guān)注實驗現(xiàn)象從而加以改進，利用多媒體展現(xiàn)一些圖片或者視頻資料，在成像上讓學(xué)生認識到了這一現(xiàn)象.但觀看完照相機、投影儀和放大鏡的成像資料后，學(xué)生對成像性質(zhì)記憶顛倒、現(xiàn)象混亂且容易遺忘，從而導(dǎo)致應(yīng)用知識時會感到迷惑，無從下手.主要原因是學(xué)生對成像現(xiàn)象的印象不深刻，快節(jié)奏地觀看視頻雖然當(dāng)時很清楚，但是轉(zhuǎn)眼即忘，想想昨天看過的朋友圈，現(xiàn)在還能記住什么呢？道理是相通的.

2 照相機成像實驗難開展的原因

利用大數(shù)據(jù)可視化來分析照相機成像實驗難開展原因的研究.中國知網(wǎng)是世界上全文信息量規(guī)模最大的“CNKI數(shù)字圖書館”[4].在中國知網(wǎng)的文獻搜索功能中輸入關(guān)鍵詞“照相機”和“物理”，共檢索到63篇文獻，其中包括“照相機”和“物理”共同關(guān)鍵詞的只有2篇，這兩篇文獻也不是探究實驗現(xiàn)象的，其他的都只包含一個關(guān)鍵詞，且研究機構(gòu)為基礎(chǔ)科學(xué)的只占18.9%,如圖1所示.

圖1 知網(wǎng)篩選63篇文獻中的學(xué)科分布

從數(shù)據(jù)分析上我們可以看出，作為學(xué)術(shù)界前沿的中國知網(wǎng)沒有找到相關(guān)研究論文，可見照相機成像這個難點實驗還沒有很好的解決辦法，反映出一線教師對本實驗重視程度不夠.這是一線教師沒有演示照相機成像實驗的原因之一：沒有可參考的研究文獻.

很多教師也想制作照相機成倒立的像，但是限于材料難找、模型難以制作的原因，有心但無力實施，這是原因之二.

原因之三：現(xiàn)在的照相機所呈現(xiàn)的像是正立的，是科技發(fā)展的結(jié)果.數(shù)碼照相機利用CCD或CMOS將光信號轉(zhuǎn)化成電信號然后結(jié)合相應(yīng)數(shù)字電路板將倒立的像轉(zhuǎn)變成正立的像，從而方便人們觀看成片效果.傳統(tǒng)的膠片相機已經(jīng)退出歷史舞臺，生活中很難再見.因此解決的關(guān)鍵是重現(xiàn)光學(xué)成片的照相機，讓學(xué)生觀察光學(xué)照相機的成像特點，有了實踐的支持，原理的理解更加容易一些，符合學(xué)生的認知過程.

3 解決辦法

課程標(biāo)準(zhǔn)要求提高全體學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng),課程標(biāo)準(zhǔn)倡導(dǎo)的教學(xué)方式是體驗式教學(xué)[5].STEAM教育的理念跨學(xué)科整合教學(xué)模式也大力倡導(dǎo)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中加入動手操作體驗，從而鍛煉學(xué)生解決問題的能力.物理來源于生活，因此解決的辦法是學(xué)生親見照相機的成像，從而自制一臺照相機，展現(xiàn)最原始的照相機模型，觀看照相機的成像，親眼見到所成像的真實情況，學(xué)生才能真切的明白原理.但是，只是觀察，沒有動手實驗，記憶效果轉(zhuǎn)瞬即逝.因此，開發(fā)學(xué)生實驗，親身制作照相機，觀察成像，才能加深學(xué)生印象，有助于理解成像原理.基于此開發(fā)了教師教具和學(xué)生教具.

4 自制教具創(chuàng)新實驗

4.1 教師教學(xué)用的自制照相機

需要的器材有：3張硬紙板，凸透鏡(焦距10 cm，直徑4 cm)，半透明紙(學(xué)生鋼筆字字帖臨摹用的描寫紙)，刻度尺，小刀，鉛筆，剪刀，雙面膠，如圖2所示.

圖2 需要的器材

步驟一：照相機后箱體的制作

(1)將一張硬紙板裁剪成長20 cm,寬18 cm的矩形.

(2)距離各邊均為5 cm處畫直線形成“井”字形狀，用小刀的刀背沿著“井”字劃出痕跡以便于折疊，如圖3所示.

圖3 紙片尺寸

(3)在中間挖掉一個矩形長7 cm,寬6 cm，如圖4所示.

圖4 在中間挖矩形孔

(4)將橫著的線段AB,CD,EF,GH剪開，如圖5所示.

圖5 沿線段剪開

(5)將半透明紙用雙面膠粘在矩形孔上，如圖6所示.

圖6 粘貼光屏

(6)折疊成盒型并粘好，如圖7所示.

照相機后箱體的成型圖 照相機后箱體的正面圖

步驟二：照相機前箱體的制作

(1)將一張硬紙板裁剪成長20 cm，寬18 cm的矩形.

(2)距離各邊均為5.1 cm處畫直線形成“井”字形狀，方便前箱體能套入后箱體中，用小刀的刀背沿著“井”字劃出痕跡以便于折疊.

(3)在中間挖掉一個圓形，圓的直徑要比凸透鏡直徑(4 cm)大一點，以方便圓筒套入(可以將凸透鏡放在中間，用筆貼著圓邊畫圈)，如圖8所示.

圖8 在中間挖出圓形孔

(4)將橫著的線段AB,CD,EF,GH剪開，如圖9所示.

圖9 沿線段剪開

(5)折疊成盒型并粘好，如圖10所示.

圖10 照相機前箱體的成型圖

步驟三：照相機伸縮鏡頭的制作

(1)將第三張紙板裁剪成兩張長15 cm,寬5 cm的矩形.

(2)將其中一張紙板的一條長邊留出0.5 cm寬的長度并剪成齒形，將長邊卷成圓筒，用雙面膠粘住短邊使其大小恰好能套入照相機前箱體圓孔中，然后用雙面膠固定齒形圓環(huán),起固定作用，如圖11所示.

圖11 照相機固定鏡頭的制作

(3)在另一張矩形的長邊用雙面膠粘兩層，為了卡住凸透鏡起到固定位置的作用.然后長邊卷成圓筒用雙面膠粘住短邊使其正好能包住凸透鏡，如圖12所示.

圖12 照相機伸縮鏡頭的制作

(4)將伸縮鏡頭套到固定圓筒中，可實現(xiàn)鏡頭的拉伸，如圖13所示.

圖13 照相機鏡頭的伸縮

(5)將照相機前箱體套入后箱體中，亦可實現(xiàn)暗箱長度的變化，如圖14所示.

圖14 照相機暗箱的伸縮

(6)成像效果，用照相機觀察窗外的景象，可以在光屏上觀察到藍天在下樓房在上的倒立清晰的像，如圖15所示.

圖15 照相機拍攝的樓房倒立的像

4.2 學(xué)生實驗用的簡易照相機

實驗器材：凸透鏡(焦距為10 cm)，矩形硬紙片長20 cm,寬11 cm，半透明紙長5 cm,寬5 cm(學(xué)生鋼筆字帖中的臨摹練字紙).

步驟：用長邊的一端繞凸透鏡一圈形成圓筒，則暗箱的長度正好是短邊的長度.除去包裹凸透鏡的紙板長度，暗箱長度將比焦距10 cm稍長一點，正好符合照相機成像的像距范圍，在圓筒另一端放置半透明紙，用于成像，如圖16所示.

圖16 學(xué)生版簡易照相機

成像效果：用簡易照相機觀察窗外的景象，可以觀察到倒立的景象，如圖17所示.

圖17 簡易照相機成樓房倒立的像

5 實踐課堂的效果反饋

課上拿出自制照相機時，學(xué)生的熱情已經(jīng)被點燃了，非常佩服教師能自制一臺照相機.當(dāng)照相機對準(zhǔn)教室外面的景色時，在照相機上能成倒立的景象，學(xué)生感受到大大的驚喜，紛紛觀看成像，驚訝于這臺照相機不是模型而是真的能成像.進而提出問題，你能自己制作一臺簡易照相機么？學(xué)生興趣大增，紛紛動手嘗試.在教師的提點下，小組成員都成功地制作出簡易照相機，并成功地觀察到倒立的景色.在此過程中，學(xué)生興趣高漲，熱情洋溢，為自己制作成功同時觀察成像清晰而感到無比自豪和驕傲，有強烈的成功感.這體現(xiàn)了STEAM教育中工程、藝術(shù)與科學(xué)的結(jié)合[6].在課堂練習(xí)環(huán)節(jié)中反饋的結(jié)果是，照相機成像問題都答對了，學(xué)生印象深刻，對現(xiàn)象的描繪非常清晰，表述也非常到位.因此，實驗的開展不光利于學(xué)生生活聯(lián)系理論，也利于學(xué)生應(yīng)用理論來解決生活中的問題.

6 自制實驗裝置適合推廣的優(yōu)點

(1)器材簡單.取材容易，材料來源于生活，非常便利.

(2)制作容易.操作過程簡單且精巧，不屬于消耗類物品，不易損壞，下次實驗或下屆學(xué)生還可以繼續(xù)循環(huán)反復(fù)使用，學(xué)生動手操作，印象深刻.

(3)效果明顯.陽光下觀察窗外的景色，成像非常清晰，還原照相機成像的本來面貌.現(xiàn)象直觀，符合學(xué)生的認知階段，利于理解照相機成像原理.

(4)動態(tài)調(diào)節(jié).鏡頭可以伸縮，暗箱也可以拉長縮短.對于習(xí)題中經(jīng)常出現(xiàn)的半身照、全身照的拍照問題可以很好地操作演示.