深度备课:初中物理实验教学中发展学生核心素养的策略——以“探究凸透镜成像的规律”教学设计为例

陈培凤 季卫新

(1. 南京市雨花台中学，江苏 南京 210012；2. 南京市雨花台区教师发展中心，江苏 南京 210012)

物理课程是一门注重实验的自然科学基础课程．初中物理应注意让学生通过观察、操作、体验等方式经历实验探究过程,学习科学知识和科学探究方法．实验是科学探究的重要方式之一,是提高学生科学素养的重要途径．教师应该根据教学内容、学生情况及实验条件等预设探究过程,弄清实验的重、难点；精心思考优化实验器材,科学组织探究过程；重视实验现象的观察和数据的处理；组织学生进行交流与评价，培养学生的探究能力,提高学生的科学素养．

“探究凸透镜成像的规律”是苏科版物理8年级的光学教学中综合能力要求较高的内容．课标要求是:探究凸透镜成像的规律,了解凸透镜成像的应用；要求学生经历完整的探究过程,观察实验现象并收集实验数据,通过交流与合作评价探究结果；归纳凸透镜成像的一般规律．根据平时教学情况,学生在探究中存在以下难点:(1) 为什么要调节3心等高?怎么调3心等高?(2) 什么才是最清晰的像?像的放大、缩小如何判断?(3) 如何归纳凸透镜成像的一般规律?(4) 虚像的观察和理解.(5) 观察并归纳凸透镜成像的动态变化规律．以下基于这些难点问题对本节课的教学作了一些研究．

1 实验教学目标设定

根据课程标准相关内容的要求,结合学生学情,对本节课的实验教学目标设定如下: (1) 初步学会用光具座、光源、凸透镜和光屏等器材进行实验;(2) 经历探究凸透镜成像规律全过程,观察成像性质和收集实验数据;(3) 能从观察到的现象和收集到的数据中归纳凸透镜成像规律并能用语言描述;(4) 通过探究、合作学习,体验感悟方法,培养学生交流合作、评价探究结果的能力．在教学目标实施过程中,侧重发展学生“进行实验与收集证据”和“分析与论证”的科学探究能力,最后据此总结出凸透镜成像的一般规律．

实验教学中具体操作目标细化为:(1) 会调节3心等高、理解调节3心等高的目的;(2) 会找到清晰的实像,会比较像与物的大小关系;(3) 会正确读取物距与像距;(4) 能比较准确地找到等大的像,并掌握快速调节的方法;(5) 能根据光路可逆理解1倍焦距不成像并能找到证据;(6) 会判断像的虚实并掌握观察虚像的方法．

2 实验资源选择及方案设计

2.1 光源的选择

教材上选择的光源是蜡烛,主要存在的问题有:(1)蜡烛是立体光源且容易晃动,不便于准确测量物距和像距．(2) 无法保证光源全部处于1倍焦距上,故当焰心处于1倍焦距上时,烛焰仍有其他部分成实像,部分成虚像,成像情况比较复杂,不便于理解1倍焦距不成像的问题．(3) 蜡烛越来越短也影响到3心等高的调节,导致烛焰的像可能偏离到光屏以外,增加了找像的难度．(4) 用蜡烛做实验时,整个室内充满烛蜡燃烧的气味,蜡烛倾倒还会引燃其他物品,存在一定的环境污染和安全隐患．

从另一个角度讲,蜡烛作为光源也有很大好处：(1) 在室内较暗(拉上窗帘)的情况下,成像效果应该来说还是很清晰的,连焰心都能看得很清晰．(2) 作为一个点光源,当蜡烛处于1倍焦距上时(尽量全部在1倍焦距上和内),光屏上很明显成一个与透镜等大的光斑,对于理解出射光线是平行光很方便,与平行光聚焦法正好是逆向光路,便于进一步理解光路可逆．(3) 因为烛焰一般小于透镜平面,所以成像不易受外围光线影响，并且烛焰的晃动方向还能观察凸透镜成实像的左右也是相反的．(4) 蜡烛越烧越短,实像越来越高,这个生成的现象恰好成为促进学生思维的载体,有效促进学生的再思考．实像是倒立的,越低的点成像越高,可能高于光屏的接收范围,变得难以观察．所以,蜡烛上调,像向下移动,蜡烛变短,像向上移动,像与物的上下移动方向正好是倒着的．这也能让学生更清晰地理解实验前为什么要调节3心等高．烛焰作为光源所带来的生成性问题,有助于发散学生思维,激发学生的探究兴趣,促进学生科学素养的发展,为进一步研究提供了更多素材,可在第2课时深入研究时选用．

如图1所示是现在比较常见的用二极管制成的F形光源,亮度和形状都比较稳定,在光具座上使用比较方便．但是其看起来是个面光源,其实还是立体的，对于找到最清晰的像比较困难．

图1

还有一种利用LED贴片光源制成的F形光源,其改进的初衷应该是将原来的点光源改成面光源相对好一点,但成像时,最清晰的位置仍然不太好判断．最关键的是这两种光源都是由多个点光源组成,于是在1倍焦距时就出现了一种很尴尬的情况．F形光源上的每一个点光源都分别通过透镜成一个与凸透镜等大的圆形光斑,而这些圆形光斑居然又组成了一个放大的倒F形，这是因为每一个点的位置不同,通过凸透镜虽然没有成像,但形成的光斑位置不同．对学生的认知产生了严重的混淆,教师再想解释1倍焦距不成像是无法被学生接受的．而且,由于这样的光源通常比较大,很多光线从透镜的边缘直射到光屏上,对成像产生干扰．

通过研究,笔者认为,光源应该选择尽量小一点,小于凸透镜镜面尺寸,光线不易发散为好,在LED贴片光源上装一层磨砂罩效果较好,类似于数码管，最好是由一个点光源扩散成的面光源,再进行遮挡造型．

2.2 实验方案设计及数据收集

难点突破1：为什么要调节“3心等高”?

在高中物理教学中进行探究式教学的应用，教师应该适当的减弱教材对学生的暗示作用，让学生能够从不同的角度和层面进行知识的探究和发现，增强学生的探究体验，提高学生的探究能力.

实验前不要刻意调节3心等高,在学生改变物距后,移动光屏找不到像的时候,用更大的白纸在周边找到像,体验像不在光屏上的可能,意识到3心等高对于简化找像操作难度的作用，并在透镜不动的情况下体验并掌握调节3心等高的技巧(调到透镜的主光轴上)，如图2所示．

图2

难点突破2：如何才算最清晰的像?如何判断像的放大、缩小?

最清晰显然是通过对比才能发现的,所以在固定一个较大物距时,左右移动光屏进行对比,找到相对更清晰的像,让学生体验最清晰的像其实是很难准确确定的,所以像距的测量其实是存在误差的,因为不同的人对最清晰的感觉是不一样的．

关于像的放大与缩小也是通过对比判断的,所以需要测量．先测量物的大小(如物高3 cm),在光屏上作出标记,成像时将像与物进行对比，或者在光屏上标上刻度或网格,都能够比较方便地比较像与物的大小关系，并且在改变物距的过程中,更加便于理解像的放大和变大、缩小和变小的区别．

难点突破3：如何有效进行实验数据记录与初步分析?

实验数据记录与初步分析,应按符合学生认知规律的次序进行,从不同类型的像到物距、像距的测量分析．可以选用物由远及近的移动方法找像,也可以根据学生实验前的成像体验将全班分为两组,分别找放大的像和缩小的像,并记录物距和像距，按成像特点分别整理归纳(如表1)．

表1

学生很容易发现，缩小的像,像距<物距;放大的像,像距>物距．隐约感觉到其中存在某种相似关系．在此基础上,再寻找临界点,猜测等大的像肯定存在,且像距应该等于物距．于是找这个像时,物体与光屏以透镜为对称轴向两侧移动,很容易找到2倍焦距成等大像，避免了反复移动找不到等大像的情况,而且能有效避免由于测量误差导致的像距不等于物距的现象．

难点突破4：虚像的观察和理解．

图3

再使u

3 实验数据处理及结论归纳

难点突破5：如何归纳成像规律?

实验数据记录表格中集中了全班各组的实验数据,样本比较普遍．如何从众多数据中直观地获取凸透镜成像的规律,需要将表格变成图像．

投影片是很好的数据叠加的载体,可以事先在投影片上打印好光具座的标尺、凸透镜的位置及焦点、2倍焦距的位置．由各组学生在上面记录本组的物距、像距．物的大小统一,像的大小根据光屏上的刻度读出,按比例描在投影片上，得到缩小的像的小组在投影片上画出物与像的位置、大小;得到放大像的小组同样在投影片上画示，然后将两组投影片分别叠加,描出成像范围如图4，图5所示.

图4

图5

难点突破6：观察并归纳凸透镜成像的动态变化规律．

在每组图像上标上序号,物1、像1,物2、像2,以此类推,叠加后观察物体移动时,由物1-物6,像1-像6随之移动的动态变化趋势,结合学生动手操作,体验物近像远像变大的动态过程和像与物移动方向一致的规律,并进一步体会移动范围的大小变化,为下一课时的深入研究打下基础．最后辅助动画演示,帮助学生完善这一过程的认知．

4 交流、合作与评价

以问题串的形式回顾总结实验中的重点和结论,并对本节课的学习活动进行评价(如表2)．

表2

问题1:凸透镜在什么条件下成正立的像?在什么条件下成倒立的像?

问题2:凸透镜在什么条件下成缩小的实像?在什么条件下成放大的实像?

问题3:光屏的作用是什么?若将光屏拿走,凸透镜还能成实像吗?

问题4:实验时为什么要调节3心等高?

问题5:实验中,光屏上找不到像的原因可能是什么?

问题6:实验中,若将凸透镜遮挡一部分,光屏上的像会有什么变化?为什么会有这种变化?

5 小结

当前初中物理课堂实验教学的不足主要存在于学生缺少自主实验的机会．教师对实验教学的重视不够,教学过程缺乏创新,把实验步骤列在黑板上,学生按部就班进行实验,能得出结论,却不理解其中的原理,导致学生的实验能力较差．

物理实验教学应具有真实性、生动性,教师应努力创设情境、为学生搭建自主实验的平台,让学生自己发现问题,寻找解决问题的方法,通过亲自动手完成探究,加深对物理现象的感知和对知识的理解．

另外,传统的物理实验教学中由于实验条件的限制和实验方法的老化,存在很多学生难以理解的问题,教师应不断学习新的方法,在实验教学中不断创新,优选实验器材,优化实验方法,加强对学生实验观察和数据处理能力的培养,真正实现提高学生科学素养的目标．