基于核心素养的初中物理低成本实验探索

林仲江

摘 要：核心素养的物理低成本實验开发要求老师具备良好的核心素养，通过言传身教，潜移默化地促进学生科学素养的提升.作为课堂教学的主导，教师应具备扎实的专业知识、不断更新的教育理念、熟练的研究问题的方法和“信手拈来”的低成本实验制作.以眼睛一课为例，追寻低成本实验的探索，寻求物理核心素养的培养.

关键词：核心素养；低成本实验；初中物理教学；液体透镜

每每想起“知识全都还给物理老师您了，学费能不能也还给我们”诸如此类的戏言，笔者不禁陷入深思：中学物理课程的价值是什么呢？大教育家冯·劳厄说过：所谓教育给予我们的就是当所有学过的都忘记后所留下来的那些东西[1].物理研究的内容、规律和结论都极有可能随着时间而遗忘，然而研究物理课程的思想与方法、问题解决能力、科学情感、态度与价值观、科学精神等都将长期支持着学生终身发展与适应社会发展的人格品质和关键能力的物理学科素养以及动手能力、协作能力、集体精神、自主探究、竞争与创新的物理能力素养，是永远不会还给物理老师的.本文以沪科版八年级物理第四章“多彩的光”第六节“神奇的‘眼睛”为例，谈谈低成本实验的研究和开发，延伸凸透镜成像知识，推进学生核心素养的提升.

1 变废为宝，知识贴近生活，化抽象为直观

物理课程是一门以实验为主的科学，中学生对科学探究的专注度直接影响到物理知识体系的构建[2].尤其是初中物理课程中的很多知识与概念的建构，需要学生在动手实验设计探究活动中获得.现如今，手持技术、掌上技术或传感器DIS等高大上的数字化实验为实验教学增色不少，与成本较高且操作技术难度大的它们相较之下，低成本物理实验就体现出了成本低与高智慧的优点[3].它贴近学习者、源于日常生活、，让学习者真实地体会到物理与日常生活的密切联系，高于生活.低成本实验器具是指利用生活中废弃的、低廉的材料自行制作的用于实验探究的实验器具.朱正元教授提倡“瓶瓶罐罐当器材，拼拼凑凑真实验”、李政道博士指出：“师生自己动手设计制作的教具，比买来的用得顺手、实在”.

例如：眼睛的成像原理及调节方式等知识教材是以图片方式呈现，如图1a所示视力正常时，眼睛看远处时，相当于凸透镜的晶状体折光能力变差，焦距增长，远处的光经折射后成像在视网膜上，人便看清物体.图1b正常眼看近处时，晶状体要凸起程度变大，聚光能力变强，焦距变短.本节课是凸透镜成像规律的应用，教材利用固体凸透镜模拟眼球的晶状体，然而在探究眼球视物的原理时，由于实验室配备的都是固定焦距的凸透镜，难以模仿人眼变焦调节的作用.目前有些老师采用两个不同焦距的凸透镜，演示远处的光（平行光）经凸透镜折射后，会聚距离不同.也有些老师简单取来装有半瓶矿泉水的透明水瓶，通过挤压实现变焦，以上两种各有缺陷，前者无法连续变焦，后者成像模糊且难以收集.

为了模拟正常眼睛视物，笔者采用液体透镜实现连续变焦调节，具体做法如下：

拾取透明可乐瓶或者衬衫衣领定型透明塑料片，用美工刀取下长、宽分别为16厘米、3厘米的长方形透明塑料片，对折、头尾用502胶水胶好定型成凸起程度可变的形似凸透镜的两端开口的容器，再其地下铺放一张弹性好的薄膜做底，用胶水胶好压牢，再用美工刀减去多余的薄膜（如图2a）.将三线平行光（模拟远处的光）照到水透镜上，通过拉伸使水透镜凸起程度变小，三线平行光会聚于“视网膜”上，模拟正常眼看远处的物体（如图2b）；将三线光调成微发散光（模拟近处的光）挤压使水透镜凸起程度变大，观察光线会聚于“视网膜”上，模拟正常眼看近处物体.得出结论，凸透镜曲率变大时，对光的会聚能力变强，焦距变短，适合看近处；反之，会聚能力变弱，焦距变长，适合看远处.

如图2c，由于青少年用眼不卫生，长时间看手机、电视、电脑或书籍，晶状体长时间处于凸起状态，看远处时，对远处的光线会聚能力强，焦距短，导致成像（会聚）在视网膜前，看不清远处，这是近视眼.远处平行光束经睫状体调节放松的晶状体折射后，成像于会聚视网膜的后面的一种屈光状态称为远视眼.当晶状体的折射率较弱或其眼轴长度太差时就形成远视（如图2d）.远视眼疾病人可通过一定的调节让平行光会聚处适当往前靠近到视网膜上，以便获得相对清晰的长距离视力，不过看近处时，它要付出更大的视力调节度，确切的说远视眼远近都是看不清的，观看远处所要付出的调节量较小，患者在感觉上较看近处更舒适、轻松.由于屈光度不够，近处光无法会聚成像在视网膜上.

教师通过与同学合作制作变焦液体透镜，它可以模拟近视时的晶状体屈光力太强，也可以说明远视患者屈光力不足致使成像在视网膜后，极大方便学生的最近学习发展区域，培养学生利用低成本实验解释疑问，消除学生畏难心理，在仿真情境中建构知识，让学生未来自我发展、人与人之间的协作及应变能力、创造、创新力的养成奠定了坚实的能力基础.学生在探究前基本知道了结论，探究过程中既不可能也没有时间思考“可能存在的问题”，长期这样的重复训练永远达不到发展学生问题意识和探究能力的目的，不能促进学生真正理解科学探究的精髓，可见物理核心素养要求学生做真探究.

2 师生互补，能力起于自主，变被动为主动

低成本自制实验器具浓缩了制作者的精华，是无可替代的.纵观近些年的中考以及我市实验技能竞赛试题，自主设计的实验探究越来越多，要是教师在课堂中适当利用低成本自制实验器材进行课堂教学或者师生共同开发实验器具，学生的问题解决能力、创新与竞争能力、自主探究能力将有效提高.由此可见，低成本实验优化了广大一线教师的课堂教学实效及提升学生核心素养.

在实际课堂教学中，教师常用凸透镜模拟眼睛的晶状体，改变烛焰（光源）到凸透镜的距离模拟远近不同的物体，要使这些像成在白屏上，需要更换不同焦距的凸透镜才有可能，而且移动光屏（视网膜）到透镜（晶状体）的距离，探究操作的难度大，实效差，且此种凸透镜的焦距不可能连续可变，对实际教与学带来麻烦.因而笔者与学生共同查阅资料，变焦液体透镜替代玻璃透镜，通过改变液体透镜的曲率来改变折光效果，从而改变焦距，它改进了原有的器材不足，实现连续变焦的作用，以学生为主体，在活动中学习，乐中学，教师引导、参谋，不再包办.

可变焦液体透镜的制作：

（1）制作材料：废弃凸透镜外框如图3（或PVC水管），透明橡胶弹性薄膜，502胶水，美工刀，剪刀，注射器及自行车气门芯及胶管，酒精灯及火柴.

（2）制作过程：用钳子夹住气门芯在酒精灯上加热，然后钻进透镜外框正上方（手柄正上方）气门芯只透过一小点，再用502胶水将它们胶牢封闭.事先用刀剪好二块等大的圆形薄膜，然后如图3所示放置凸透镜，在透镜边沿均匀涂上胶水，再将圆形薄膜正压在它上方5秒钟.随后同样方法胶牢另一面.注意橡胶薄膜应在自然（不受力）状态下粘贴，不可用力拉伸，以免两面的拉伸程度不一样，产生不一样的效果，随后减去多余橡胶薄膜.接着将注射器、胶管、气门芯组装好，往里面注水，同时注意排除里面的空气，确保水透镜充满水，没有气泡.通过适当注水或吸水，变焦水透镜制作完成.本实验器材的设计，学生参与度高，变被动填鸭接受为主动探究，获取实验结论的渠道有别于以往的假探究，高分低能，真正发展学生核心素养.

3 分工合作，复习源于平时，转迷茫为明朗

物理实验要深入，需要大量时间和精力，在短暂的复习时间内，高效实验复习必然是师生共同的追求.在复习期间，开放实验室，让学生亲自动手实验，再现知识来源，深化知识理解.较之于背实验、囫囵吞枣定是强于百倍.教学过程中主动收集平时的低成本实验，学生自制的实验及探究过程有意拍录，按知识点整理分类，在实验复习中必然有大作为.低成本自制探究实验过程对于唤醒学生淡忘知识将发挥重要作用.如：学生利用自制照相机装置，有助于高效复习神奇的眼睛一课中放大镜、照相机、投影仪的工作原理.让学生分组探究投影仪的镜头让物体成放大倒立实像，只要将光源放置讲台桌上，让自制投影仪靠近光源，天花板上将有物体放大的像，在用一面平面镜改变光路，投影在白墙上.将它远离光源，将在照相机底片（半透明薄膜）上呈现倒立缩小的实像.在平日操作中，学生小组分工合作，将探究过程拍录下来，分类整理，复习过程回放唤醒沉睡的知识，变迷茫的炒冷饭复习为明朗的知识唤醒.它提升了学生的物理学科素养，是物理课程的价值所趋.

核心素养的物理低成本实验开发要求老师具备良好的核心素养，通过言传身教，潜移默化地促进学生科学素养的提升.在学生求索未知世界、建构知识、能力发展等过程中，离不开物理教师对事物的解析、引领示范；离不开适时的活动启发和引导，在这个过程中无不融入教师对事物发展的理解、教师个人的情感、态度、核心价值观.作为课堂教学的主导，一线教师必备扎实高超的理论专业知识、并要不断自我更新的教育教学理念、熟练的研究问题的方法、和信手拈来的低成本实验制作.平时在常见不过的坛坛罐罐瓶瓶，都可能带给学生极大的冲击.这种出自老师与学生之手共同制作的教具，研究的物理问题，如此的教学研究思路，对学生的科学素养提升、未来自我追求和发展将有大裨益.低成本物理实验主要利用了日常生活常见材料，既贴近生活、废弃物再利用，有利于激发中学生的好奇心和延长物理学习兴趣持久度[4].如此一来，学生就不会说：知识都还给老师了.物理核心素养的低成本实验探索要求教师要更新教学观，以学生的物理核心素养的提升作为目标，关注学生知识的建构形成和应用，创设有助于科学能力发展的学习和研究情景，言传身教提升学生的物理学科核心素养.参考文献：

[1]林钦.关于核心素养导向的中学物理教学的思考[J].课程·教材·教法，2015（12）90-95.

[2]王較过，李明.对中学物理实验教学进行改革的尝试[J].物理教学探讨（中学教学教研专辑），2008（3）.

[3]王晨宇.低成本物理实验的自动化电路设计[J].物理实验，2014（4）

[4]林钦.基于探究能力发展的探究水平研究 [J].教育评论，2014（8）

[5]曹蕴瑞.学生实验用可变焦水透镜的设计及制作[J].物理教学探讨，2014（9）.

[6]柳华.探究性教学过程的组织与学习兴趣的激发[J].物理与工程，2005，15（5）.