精心设计实验 助力概念学习——以《透镜》实验探究教学为例

苏　敏　袁海泉

(1. 镇江科技新城实验学校,江苏　镇江　212000;2. 苏州大学物理与光电能源学部,江苏　苏州　215000)



精心设计实验助力概念学习
——以《透镜》实验探究教学为例

苏敏1袁海泉2

(1. 镇江科技新城实验学校,江苏镇江212000;2. 苏州大学物理与光电能源学部,江苏苏州215000)

本文以“透镜”教学为例,利用学生对实验探究的浓厚兴趣,抓好实验教学,帮助学生形成清晰的物理概念,掌握准确的物理规律.

透镜;概念学习;实验探究

1　物理实验是概念学习的基础

物理概念反映了物理现象和过程的本质属性,物理规律是物理现象或过程的本质联系在一定条件下必然发生、发展和变化的反映.形成概念、掌握规律往往都要经历一个由具体到抽象,再由抽象到具体的过程.很多时候,教师会选择从具体情境引入,通过观察、实验、讨论等方法引导学生形成物理概念和规律,分析概念的内涵和外延,再将规律应用于实际,解释蕴藏在生活中的物理现象,最后通过练习强化和巩固习得的概念和规律.但是概念和规律的学习并非一蹴而就,教师常常会发现,对于某个知识点自己感觉讲得很清楚,学生却总是反复错,原因在于概念的形成、规律的学习具有复杂性.首先,从注意的角度来说,Broadbent的过滤器理论指出：人的注意是有限的,在外界纷繁的刺激中,它总是选择更强的刺激.在物理课堂中,反映事物本质属性的刺激却并非都是最强的.其次,学生错误的前概念会干扰概念的形成和规律的掌握,产生负迁移.此外,相类似的概念会使学生混淆不清,忽略它们在本质属性上的差别.当然,教材的编写和教师的讲解也会直接影响学生概念、规律的学习.

要想形成清晰的概念，准确地掌握规律,一个很重要的方法就是加强实验教学.实验教学是物理教学中常用的方法,它既是物理教学的基础,又是物理教学的内容,而不仅仅是一个工具.人们认识世界往往是从感觉入手,实验操作可以对各个感官产生综合的刺激,让学生获得丰富的感性认识.这些感性认识是思维进行信息加工的原材料,是概念形成的基础,准确而深刻的感性认识在进一步学习中可以顺利地上升为正确的理性认识,而模糊甚至有偏差的感性认识只能带给学生错误的认知,让学生多走弯路.所以,虽说在初中阶段,机械记忆、反复做题也能够使学生在考试中取得不错的成绩,但是经过精心设计后的课堂与简单引入、粗略介绍、反复操练的课堂相比,学生的学习物理概念和规律的有效性是不一样的.

2　基于实验探究的概念教学设计

本文以苏科版《透镜》一节为例,探讨实验设计对形成概念和掌握规律的积极作用.

2.1对往届学生的学情分析

在透镜这一节中最大的难点就是两种透镜对光路的会聚或发散作用,说起来很容易,图画起来也很清晰,但学生学习时常常会出现一种典型错误——因为凸透镜是会聚透镜,所以最终能使光线会聚到主光轴上的一定是凸透镜,反之,因为凹透镜是发散透镜,因此能使光线沿着主光轴的方向发散的透镜就一定是凹透镜,这种断章取义的思维导致结果完全背离了真相.归根结底,还是学生对会聚或发散这两个概念的内涵不甚清晰,他们把这里的会聚或发散作用看成了一种结果性的描述,以主光轴为参照物,凸透镜的会聚作用一定可以使最终的折射光线会聚到主光轴,而凹透镜的发散作用则必然会使最终的折射光线沿着主光轴发散.殊不知,这里的会聚或发散作用其实是一种过程性的描述,它强调的是光线通过透镜这个过程,同样是以主光轴为参照物,通过凸透镜时,折射光线一定会比原来的入射光线要会聚一点,但是这种会聚的程度并不一定导致最终的折射光线一定会聚到主光轴,而通过凹透镜时,后来的折射光线也会比原来的入射光线要发散一点,同样这种发散并不是说一定可以沿主光轴方向发散.因此在教学过程中,面对学生的这种错误,笔者不厌其烦地强调:这里的会聚(发散)作用,是后来的折射光线与原来的入射光线之间的对比,是整个折射过程的比较,而不是最终结果的会聚(发散).当然,最终大部分学生总能通过理解或记忆接受这个结论,但是学习效果显然是不高的.

2.2学情背后的原因反思

针对此现状,笔者进行了深刻的反思.记得在某次培训中,一位专家指出：我们在教学中忙于补漏,却不知这些漏洞正是来源于课堂.这句话令笔者感触颇深,那么对于这个知识点来说,漏洞出在哪里？笔者认为是教师对书本内容的简单挪用,书本中在透镜对光路的作用这一活动环节给出的提示是一束平行于主光轴的入射光线,考虑到平行光是三种特殊光线中的一种,又是作图题的常考知识点,而且对平行光的了解有助于后面焦点、焦距等术语的学习,所以在教学过程中探究透镜对光路的作用时,教师往往倾向于引导学生使用平行于主光轴的一束光作为入射光线进行实验,因而折射光路总是会聚于主光轴或者沿着主光轴的方向发散.新授课上简单明了的光路给予学生直接而清晰的视觉刺激,后面关于特殊光线的反复作图又频繁地对学生进行强化练习,最终将学生脑中本是朦胧的意识上升到了稳定的认知层面.然而,在初识透镜的过程中,便不断地给学生以平行光的强化,如此一来,我们要如何让学生了解非特殊光路,又如何让学生真正理解会聚和发散的本质呢？

2.3重新编制的实验设计

由于往年的教学设计给学生带来不少困扰,笔者对这种常规的教学设计进行了改进.

活动1:引入透镜,辨别透镜.

师:我们班上有很多同学都戴着眼镜,老师今天也给大家准备了副眼镜(老花镜),它们都属于我们今天要学习的透镜.但是,这两种眼镜有什么差别呢？摘下你们的眼镜,大家动手比一比,看看你们能找到哪些不同点？

生:小组合作,讨论、思考、回答:① 可以用手摸,看厚薄；② 可以用来看东西,观察像是放大还是缩小(追问学生是怎么看的,提前渗透透镜成像的多样性).

师:根据外形的差别,我们可以把透镜分成两类,用凹凸透镜来表示的话,中间厚边缘薄的是什么透镜？中间薄边缘厚的是什么透镜？

生:分别是凸透镜、凹透镜.

师:利用它们不同的外形特征我们来判断几种透镜(PPT呈现).同学们面前还有一红一白的两个透镜,大家再来判断一下它们分别是什么透镜？(学生活动、思考.)

师:你们是通过什么方法来判断的？(回顾辨别透镜的方法.)

生:手摸、眼看.

师:透镜在我们的生活中有着很广泛的应用,比如刚刚提到的眼镜,同学们还能想到哪些关于透镜的应用？

设计目的:这个环节知识点比较简单,让学生认识透镜,能够根据两种透镜的差别辨别不同透镜.因此,实验的设计也比较简单,引入单刀直入,活动由学生自主操作,自行总结.

活动2:探究透镜对光路的作用

师:凸透镜为什么可以成放大的像,凹透镜为什么可以成缩小的像？光线在通过透镜的过程中发生了什么光学现象？

生:折射.

师:那光线在通过两种不同的透镜以后传播路径是否一样呢？接下来,我们共同探究两种透镜对光线的作用.首先请同学们拿出学案,各小组在图中凸透镜的左侧任意画两条光线(考虑到学生会受到书本的干扰,笔者在展台上大致比划一下非特殊两条光线,看似无心的手势既是出于导向目的,更是期望在书本定势的影响下能够对学生起到些许干扰作用),然后小组成员用两只激光笔同时沿着所画光线的方向入射,其他成员观察并画出通过透镜以后的光路,注意分工合作.对凹透镜的探究也提出了同样的要求.

学生通过小组合作,实验、画图，大部分的小组还是使用了平行光进行探究,因为学生在潜移默化中总是热衷于相信课本,不善于质疑.少数小组使用了非特殊的入射光线,画出了另一种光路.

师:同学们看看投影上几个小组的图,它们大致相似,那我们来看看,和原来的传播路径相比,通过透镜的光线是向中间会聚了，还是向两边发散了？(用实物展台展示,同时在投影上用红笔画出原来的路径，如图1所示.)

图1

生:会聚.

师:我们再来看看凹透镜的光路图,和原来的传播路径相比,通过透镜的光线是向中间会聚了，还是向两边发散了？

生:发散.

师:老师这儿还有一幅和这些不怎么一样的图,请同学们还用这种方法判断,从透镜出来的光线是会聚了，还是发散了？

生:凸透镜起会聚作用,凹透镜起发散作用.

师:为什么老师要展示不同小组的图,就一组不可以吗？为什么？

生:不可以,多次实验可以避免偶然性,得出普遍规律.

设计目的:透镜对光路的作用是本节的重点和易错点,因此对于这个探究环节的设计笔者做了很多思考,目的就是为了打破学生对会聚和发散的误解.因为整个实验过程除了器材提供受限定之外，其他都是开放的,所以学生的光路不尽相同.本节课实验中使用的透镜也很有讲究,鉴于本节课所有光路图都需要在纸上绘出,所以实验室随处可见的手持透镜并不适合放置在纸面上,必须使用上下表面均为平面的柱透镜.实验操作完后,笔者在引导学生得出结论时,从特殊光线入手过渡到非特殊光线,由特殊到一般的思维过程最终使学生获得了顿悟,对会聚和发散作用有了更加深刻和全面的认识,使学生对判断方法更加游刃有余.除此之外,展示不同小组的图像还帮助学生回顾了多次实验的目的.

活动3:聚焦特殊光线,自学相关术语

师:为了使我们的结论更加完善,我们再来探究透镜对特殊光线的作用.在学案上老师已经分别作出了三条平行光线(如图2),请用刚才实验的方法将激光笔沿着平行光射向透镜,观察并画出通过两种透镜以后的光路(学生合作实验、画图).

图2

师:我们来看看大家的光路(展台展示,回顾透镜对光路的作用).

师:刚刚我们完成了平行光通过两种透镜的特殊光路图,下面请同学们利用这两幅图,阅读书本P85,自学有关透镜的名词.

师:通过刚刚的阅读,同学们学会了哪些知识？

生:主光轴、光心、焦点、焦距.

师:现在右边也有一束平行光照向凸透镜,经过透镜光路会怎样？说明凸透镜有几个焦点？凹透镜有几个虚焦点？(学生小组讨论,得出答案:平行光照向凸透镜时会聚到主光轴,凸透镜有2个焦点,凹透镜有2个虚焦点.)

设计目的:人类认识世界总是由特殊到一般,再从一般到特殊.在这个半开放的环节，笔者由放到收,再次回归对特殊光线的研究,之所以再次回归特殊光线并且使用三条平行光,目的是为了和书本上“焦点与焦距”的图片相匹配,学生若能通过实验对此光路了然于心,那么接下来通过阅读书本，自主学习诸如焦点、焦距、光心等术语便是水到渠成.考虑到前一阶段大多数小组已经使用过这种特殊光线,那么这里再次做这个实验是不是对前面活动的简单重复？笔者认为并不是,因为在先前的活动中依靠的是学生主体的自主探究,部分学生虽然会选择特殊光线,但他们往往是无意识的,因此在自行摸索的过程中，学生要做到目的明确、思路清晰、操作得当，在一幅图上画出这三条平行光并不容易.故笔者决定再次让全体学生重温特殊光线的作图,为自主学习相关术语做好准备.

活动4:熟悉另外两类特殊光线作图

师:我们再回过头来看看刚刚画的图,有一条光线非常特殊,大家发现了吗？大家猜猜看,这条光线通过哪里？

生:发现了,通过光心.

师:是不是所有的过光心的光线方向都不变呢？同学们将光线沿任意方向射向光心试试.(学生合作实验,画图验证猜想.)

师:现在,有一束光从凸透镜、凹透镜的焦点入射,通过透镜后光路会怎么样？

生:平行于主光轴.

设计目的:特殊光线的作图是常考知识点,为了顺利过渡到此环节,笔者在前面的实验环节中埋下了一个伏笔,那就是为何使用三条平行光而非两条,多的其实就是那条通过光心的光线.待学生自学后,笔者便提出问题：在刚才的图中有一条光线非常特殊,大家发现了吗？熟悉术语以后的学生稍加观察便可发现,是过光心的光线,因为通过透镜时传播方向不变,而这种不变是偶然还是必然,自然要继续实验的.因此,这一伏笔顺利开启了对过光心的特殊光线的研究.

活动5:总结辨别透镜的方法

师:通过前面的学习,我们发现凸透镜和凹透镜在很多方面存在差异,同学们现在可以总结出哪些方法来辨别某一透镜是凸透镜还是凹透镜呢？小组讨论，并说说你们方法的优点是什么？

生:摸、看、照.

设计目的:总结辨别透镜的方法,在前面学习的基础上,学生完全可以通过小组讨论得出正确答案.

活动6:自学透镜对光会聚和发散的奥秘

师:关于透镜对光线的作用是本节课的重点内容,但是关于会聚和发散的奥秘其实用我们上一节的内容就可以得到解释,请各小组阅读教材,并合作完成学案的最后两幅图,解释一下透镜的会聚和发散作用.(学生阅读教材,完成光路.)

设计目的:将本节课所学内容与已有认知挂钩,让学生在新旧知识的双向联系中将新知识纳入到已有的知识结构中,加深对新知识的理解.

3　结束语

在以往的教学设计中,笔者照本宣科、按部就班,实验不到位，使部分学生步入误区,在个别知识点上反复出错,而经过改进后的教学令学生学习物理概念和规律的过程顺畅了许多,这其中实验环节的处理至关重要.物理作为一门自然学科,理论和实验是它的重要组成部分.实验是理论的基础,理论则为实验提供支撑,二者相辅相成.学生的探究活动虽不及物理学家的科学探究,却也可以对物理知识的学习起到良好的作用，在教学过程中,学生对物理实验总是保有激情.作为教师,我们当以此为立足点,抓好实验教学,帮助学生形成清晰的物理概念,准确掌握物理规律.

[1] 许国梁.中学物理教学法[M].北京:高等教育出版社,1993.

[2] 谢丽.关于部分中学物理概念的定义及教学误区的案例分析研究[D].芜湖：安徽师范大学,2012.

[3] 毛金华.非常规实验提高初中物理概念教学有效性的行动研究[D].上海：华东师范大学,2011.

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[5] 王建新.初中物理概念教学和“实验—探究”模式[D].上海：华东师范大学,2006.