通过实验寻找规律的课堂教学设计——以“探究凸透镜成像规律”实验课为例

(南京师范大学物理科学与技术学院，江苏 南京 210023)

2013年《教学新时空》直播了张爱美老师的“探究凸透镜成像规律”的课堂教学录像，笔者听了她的介绍，并对该课进行点评，本文根据当时的发言整理而成.

1 课题分析

探究凸透镜成像的规律是光的折射中的一个重要课题，但对初中学生来说，它又是一个困难的课题.其原因是：①规律本身比较复杂，成像的性质可能有放大、缩小、等大、倒立、正立、实像、虚像的多种组合；像的性质随物距的变化分为多个区间，且有突变点.②学生在学习该课题前没有很多经验，也缺少相关的理论知识，课程标准也不要求介绍几何光学的光路图(只介绍平行光会聚及其可逆的光路)，此外，对虚像也是难以捉摸的.因此，该课题对初中学生是比较困难的.如果让学生完全独立自主地进行探究，常常会以毫无结果而告终.

面对这一困难，通常有如下的一些处理模式：

(1)将探索性实验改为验证性实验，即直接介绍物理学家探究得到的凸透镜成像的规律，然后用实验来加以验证.这样，学生实验的思路很明确，预期的结果也很清楚，按部就班地操作不困难.但是，除了体验了知识的事实基础和训练了一些实验技能外，学生探究的动机不强，探究的能力也难以得到更多的培养.在一些情况下，学生的认知水平与要求相距较远时，可以采用这种模式.

(2)采用教师指导下的学生自主探究模式，像张爱美老师所进行的课堂教学可以归为此种模式.老师首先设置了一个趣味性很强的水缸中金鱼的观察实验，引入成像的课题，再以投影仪为例演示，引入成像性质及与哪些因素有关的问题，同时对学生将要进行的实验给予技能指导.通过开始阶段的教学，可见学生探究的问题及初步猜想已经形成，探究的思路也初步明确.在探究过程中，老师引导学生首先探究成倒立、放大像的条件，通过在数轴上记录数据，给出了采集数据的区域，再逐步地找出u>2f,u

可见，由于老师的设计，分散了学生实验探究的难点，手脑并用，使学生有序地、逐渐地认识了凸透镜成像的规律，并得到科学方法和思维的训练.

在教师指导下学生自主探究的模式中，特别是在以归纳为主的探究中，如何设计使探究过程既贴近学生的认知水平，激发学生的探究动机，又体现科学探究的本质特征？这里谈一点个人的看法，其中包含这节课的成功经验.

2 教学策略

本节课采用教师指导下的学生自主探究模式，教师的指导作用反映在如下方面：

(1)创设能使学生发现问题的情景，从而让学生围绕问题进行探究.

(2)在规划学生探究过程中，向学生提出有挑战性且逐步深入的任务，抓住几个关键点，引发思维冲突，引导学生边操作、边获取信息、边思考.

(3)及时地给学生实验技能指导，使他们能顺利地进行实验探究.

(4)组织学生交流讨论，分析所获得的事实和数据，归纳、表述成像的规律，并从静态、动态、空间的角度来使学生理解规律的内涵，充分发挥学生的思维想象力.

3 过程设计

在对此类课题的教学过程设计中，教师最重要的是要跳出“有学问者”的身份，站在“未学者”的立场上思考问题.因为教师对所学知识太熟悉了，往往会自觉或不自觉地要求学生按自己的思路来学习知识，所以给学生的探究不能成为学生的真探究.

探究凸透镜成像的规律是一个全程性的探究，涉及探究的所有要素，让学生经历全过程，并不是形式上的经历全过程，而应当让学生在过程中有重点地体验和领会某些要素的本质内涵.

(1)从学生的认知现状出发，激发思维冲突，让学生提出需要解决的问题.

上课后，老师们常常要引入课题，引入的思路多种多样，选择什么好呢？这节课中，张老师选用“观察球形鱼缸中的金鱼”引入，它能够激发学生的兴趣，也可以用该放大正立的虚像与凸透镜所成的像比较，发挥启发性的作用.但学生所看到的鱼缸中金鱼的像并不是凸透镜成像，它是光经过两种介质一次折射所产生的现象，用它来引导凸透镜成像规律的探究是有一定局限性的.我认为像这样的课题，选择能激发学生特定的认知冲突的情景为好，它应当是贴近实验目的的.例如：

如何区分凸透镜和凹透镜？

用透镜看字，放大的就是凸透镜.生活经验中的放大镜就是凸透镜.

那么，是否凸透镜所成的像就是放大和正立的呢？

可插入“小明小华的意外发现”，再让学生试一试，或进行下面的演示.

演示：将书写投影仪横倒放置，把幻灯片直接投影到墙上，所成的像是怎样的？让学生观察.

看来凸透镜所成像的性质不只是“正立、放大”，猜一猜，还可能有哪些？

可能有“正立、放大”，“倒立、缩小”，“倒立、放大”，“正立、缩小”等.

如何才能获得不同性质的像呢？改变物距，寻找像的位置和观察像的性质.

这就是我们今天要研究的课题—探究凸透镜成像的规律.

在此前，学生对放大镜是比较熟悉的，而且对其放大的印象是深刻的，也许在序言课的活动中和在初识透镜的活动中，有少数学生会有意外的发现，因此，宜创设容易激发认知冲突的情景，提出问题和猜想.这样的设计，既有利激发探究动机，又有利明确探究的目的和思路.

(2)给学生必要的技能指导，为探究提供实验技能的支撑.

科学探究需要技能的支撑，该探究课题也是如此.例如：

介绍实验器材：…….

本实验的技能关键是寻找发光物体的像，请同学们把发光物、凸透镜、屏安装在光具座上，凸透镜置于光具座中间位置，发光物放在靠近左端的某一位置，移动光屏，尝试在光屏上显示清晰的像.

谈谈寻找清晰像的体会.①调整好“光具共轴”：除了“中心等高”以外，透镜面与主轴垂直十分重要；②移动光屏，从模糊到清晰，再从清晰到模糊，反向移动，逐渐减小幅度.

此步骤也许会耽误一点时间，但“磨刀不误砍柴工”，它会使后继操作更顺利.

(3)逐步向学生提出一系列具有挑战性的任务，使获取事实(数据)的操作过程成为积极的手脑并用的过程，让学生感悟如何用归纳法寻找规律.

通常，人们把实验过程分为四个阶段，即将物距分别调至u>2f、u=2f、f

①调整物距，使烛焰在光屏上成倒立、缩小的像，多做几次，测量并记录物距和像距.

②再调整物距，使光屏上成倒立放大的像，多做几次，测量并记录物距和像距.

③分析以上两步骤观察到的实验现象和测量数据，你认为在何种情况下可以得到倒立、等大的像？试一试，成倒立、等大像时物距、像距各是多少？与焦距有什么关系？(此时，也只找到了倒立、放大和缩小的分界点.)

④至此，你已经找到了倒立、缩小的像，倒立、等大的像，倒立、放大的像，你认为凸透镜还可能成什么性质的像？试一试，能在屏上找到吗？(将发光物向凸透镜方向推进，到焦点以内后，就找不到像了，新的问题产生了).

想一想，用放大镜观察到正立、放大像时，你是怎么观察的？再试一试，记录你观察到的现象.

由于实验设计为学生提供寻找发现的机会，使学生积极思维，获得了深层次的探究技能的训练.

(4)通过积极的交流讨论，把看似平淡的规律形成过程变为理解规律和发展思维想象的过程.如：

交流讨论：

①试一试，如果将发光物从光具座左端逐渐向凸透镜方向移动，所成的像的性质是如何变化的？

②用自己的语言阐述凸透镜成像的规律.区分成像的性质，有两个关键位置，你认为是哪两个位置？它们分别是哪些性质像的分界点？

③比较用不同焦距的透镜进行实验所得到的实验数据和现象，看看有什么相同点和不同点.

④在整个实验过程中，你有哪些意外的发现？对于探究规律，你有什么体会？

对规律的总结，不只是记住了一段结论，应当引导学生与探究过程相联系，并且从不同的角度和用不同的方式加深对规律的理解.另外，通过学生亲身的体验，交流一下体会，这对提升学生科学素养是有益的.

可以看到，在本方案的探究过程中，学生可能的意外发现有：

①跳出放大镜的思维定势，发现凸透镜不总是成正立、放大的像.这一次意外，使探究的动机更强，目标更明确.

②从倒立、缩小像和倒立、放大像的数据中，还可以提出成倒立、等大像的猜想.原来二倍焦距点可以从推理得到，有了这一发现，下面的操作更有方向.科学探究过程并不就是从头到尾的归纳，常常是多种思维的参与，这对不完全归纳的探究是重要的.

③当上述三种性质的像

找到以后，学生改变物距、移动光屏，再也找不到像了，似乎凸透镜就只能成倒立的像，为什么用放大镜看时，可以看到正立放大的像？这一发现，将探究引入到又一层面.

教学设计是富有创造性的，探究是在发现问题的基础上、围绕问题进行的；操作是眼、手、脑并用的过程，积极的思维是核心；小结的思路与实验的思路可以完全不同，如本实验中，实验操作是“找不同性质的像”，而小结过程是“以物距的变化来阐述像的性质的变化”，除了形成系统的认识，还要回顾这些认识是怎么来的，从而获得一些难以用语言表达的收获.

以上提出的具体步骤，不是绝对的，老师们可以根据实际情况而改变，仅供参考.

参考文献：

[1]刘炳昇，李容.义务教育课程标准教科书 物理八年级上册[M].南京：江苏科学技术出版社，2013.

[2]刘炳昇.继承与创新—初中物理新课程建设的理论与实践研究[M].南京：江苏科学技术出版社，2006.

[3]刘炳昇.关注探究教学过程设计[J].物理教学，2008，(2).