凸透镜成像的规律
2019-12-20刁传玲
刁传玲
摘 要：现代社会是大数据的社会，初中物理是社会中的物理，因此将大数据的思维贯彻到物理教学中势在必行.本文以“凸透镜成像规律”为例，不仅以让学生掌握科学知识为目标，更培养了学生利用大数据的思维处理数据的能力.本文充分发挥了学生的主体地位，有效提升了学生的探究性学习能力和创造性思维能力.
关键词：大数据思维;做中学;探究性教学
文章编号：1008-4134（2019）22-0021 中图分类号：G633.7 文献标识码：B
1 什么是大数据教学
大数据是对大量的数据，运用各种手段、方式进行分析、挖掘，从而获得具有洞察力和新价值的东西的一种信息资产，是高科技时代的产物.大数据具有数据量大、数据种类多、 要求实时性强、数据所蕴藏的价值大等特点.随着科技的快速发展，大数据已在各行各业中得到应用，在物理教学中，亦可引入大数据的思维，以提高学生在众多的信息中搜索、处理、分析、归纳和总结其深层次的规律的能力.
2 现行教材教法的不足——大数据教学的必要性
初中物理是生活中的物理，是社会中的物理，因此，初中物理教师应该坚定从生活走向物理，从物理走向社会的理念[1]，大数据在现在的生活、社会中产生了暴风雨般的影响，但现行教材对“凸透镜成像规律”的教学方法依然以实验为主，通过教师进一步引导，学生做实验得到凸透镜成像的基本规律，在此活动中，学生缺乏思维上的主动性和积极性，本文先通过实验得到大量实验数据，再依据大数据的思维对所得数据进行分析、整合和补充，极大地调动了学生主动思考，提高学生发现问题、解决问题的能力.凸透镜成像规律在本节课中已经不是最重要的了，最主要的是学生利用大数据的思维解决问题的能力.
3 大数据教学的开展
针对现行教育及高科技的突飞猛进，如何找准“最近发展区”[2]，开展有效的教学活动是历代教师探讨和研究的重要课题.本文以“凸透镜成像规律”为例，借助大数据的处理思维，以期捕捉到学生的敏感期.根据初中生的身心发展特点，课题的引入可以调动学生的兴趣，引起他们的有意注意，瞬间集中注意力，因此课题的引入非常关键.在物理教学中，课题的引入应以实物、实验和视频等为优，这里以放大镜分别观察远近不同的物体引入新课，让学生初步意识到放大镜所成的像不一定是放大的，其成像的大小与像距有关，为后面的数据分析和处理埋下伏笔.
初中生的心理发展特点是：对自己听到的知识有很大的排斥心理，或者说他们这个阶段以难倒教师、反驳教师为荣，因此，他们不会轻易相信教师告诉他们的知识点，但他们对自己看到的，自己做的、归纳出的知识点会深信不疑并留下深刻的印象.基于此，本节课的教学设计以充分体现学生的主体地位为主，
探究性实验贯穿始终，逻辑性结论层层递进;
教师引导为辅，将课堂交给学生，深入贯彻“做中学”[3].本文以大数据教学为依托，按照“观察现象——提出假设——探究实验——分析数据——得出结论——进一步分析——完善结论”的流程，采用新的教学思路，重新审视“凸透镜成像规律”的教学过程.
3.1 觀察现象——突破潜意识
放大镜是学生从小熟识的一种工具，探究性实验贯穿始终，逻辑性结论层层递进，放大镜的镜片其实就是一个凸透镜，大部分人都只是应用了放大镜的放大功能，课程开始以放大镜观察远近不同的物体引入，发现看到的像，不仅有放大的，也有缩小的，推翻了学生认为放大镜一定是放大的潜意识，与生活中得到的知识产生了冲击，更易抓住学生的学习兴趣，提高学生的探究欲望.
3.2 提出假设——物距的建立
提出问题：凸透镜所成像的大小与什么有关？学生很容易猜到凸透镜所成像的特征可能与物体到凸透镜的距离有关，进而引出像距、物距及焦距等概念（如图1所示）.
焦点（F）——平行于主光轴的光线，通过凸透镜后在主光轴上会聚的点叫焦点F;
焦距（f）——焦点到光心的距离叫焦距;
物距（u）——物体到凸透镜光心的距离叫物距;
像距（v）——凸透镜成的像到凸透镜光心的距离叫像距.
即得出凸透镜成像的特征应该与物距有关.
3.3 探究实验
在光具座上调节“F”光源、光屏，使其中心在凸透镜的主光轴上（或在同一高度上），不断改变物距的大小，在光屏上找到相应的最清晰的像，并将测得的数据及成像性质记录在表格中.具体实验步骤如下：
（1）保持凸透镜在50cm刻度处不动;
（2）改变物距的大小;
（3）移动光屏直到在光屏上找到清晰的像;
（4）记录物距、像距、成像性质.
3.4 数据分析
合理地进行数据分析是大数据解决问题的关键所在，本文中选用将数据填在Excel表格中，对排序及规律的发现有较好的直观性和便捷性.
在本次实验中所使用的凸透镜的焦距为10cm，通过实验，学生得到的数据见表1，该数据的处理关键在于选取哪一物理量进行排序，在引入阶段已潜意识地引导了成像性质与物距有关，故大部分学生会想到要按照物距的大小顺序进行排序，个别学生可能会坚持自己的想法—用像距排序，正如之前说的，他们不愿意接受教师给自己预设好的知识，针对这种情况，可先按学生的想法以像距大小排序见表2，学生自己便会发现成像性质虽有规律可循，但与物距的关系却错综复杂，故我们考虑用物距的大小进行排序，本文中采用物距从小到大的排序方法见表3，发现“凸透镜成像规律”较为明显.
根据排好序的表格，学生通过对数据的分析和整合，可初步得到以下结论：（1）在光屏上所成的像都是倒立的实像;（2）当物距小于像距时成倒立放大的实像.很容易联想到当物距等于像距时，凸透镜成像性质是否会比较特殊？猜测所成的像应是等大的.通过实验发现，当物距等于像距时，
凸透镜所成的像确实是倒立等大的实像.教师对结论进一步引导：将物距、像距与焦距相联系，进一步得到较完善结论：（1）当物距大于2f时（u>2f），像距在1f和2f之间（f
分析所得数据发现，缺少u≤f的数据，再让学生通过实验探究此范围的成像性质，发现，当u≤f时，不论怎样移动光屏，都不能在光屏上找到清晰的像，教师适时地告诉学生寻找像的方法：撤去光屏，在光屏一侧观察，发现了正立放大的虚像（非真实光线会聚而成），细心的学生还会发现，当u=f时，不论采取何种措施都不能观察到像，这是因为此时经凸透镜后的光束无法会聚，即为平行光，所以不能成像，这也是获得平行光的一种方法.
在处理表格数据时，有些数据可能存在问题，比如：第1、2组数据，物距都为13cm，但像距一个是40cm，一个却是38cm，同样的，第3、4组，5、6组也存在这样的问题，这主要是因为没有在光屏上找到最清晰的像就读数了;观察第一组数据和最后一组数据发现，它们的物距和像距互换了，成像的性质也发生了改变，可用光路可逆的原理解释.
至此，“凸透镜成像规律”基本全部得出，为了方便观察和记忆，还可将该规律完善到横轴上（如图2所示）.
图中清楚地发现，在一倍焦距处将实像与虚像区分开，在二倍焦距处将放大的像和缩小的像分开，可以简单记忆：一倍焦距分虚实，二倍焦距分大小.
综上所述，本节课通过实验探究及数据分析主要得到了以下结论：
（1）在光屏上所成的像都是倒立的实像;（2）当物距大于2f时（u>2f），像距在1f和2f之间（f
4 教学启示
物理是一门以实验为基础的自然科学，但我们不应为做实验而做实验，验证性的实验无异于灌输性教学，学生学起来会味同嚼蜡，索然无味.实验应充分体现探究性，将课堂还给学生，让学生在实验中感受物理的魅力.杜威认为：探究性教学可以建立新旧知识的非任意性和实质性联系，充满探究性教学的课堂才是高效的课堂.回顾“凸透镜成像规律”整个实验探究及结论的获得过程均发挥了学生的主体地位，学生在实验中得出结论，在结论中发现问题，并带着问题完善实验.整个学习过程是学生自己探究、反复实验、解决问题的过程。探究性学习让学生明白，科学知识就是在不断地发现问题和解决问题中进步的.整个教学过程不仅引领学生逐步得到了“凸透镜成像规律”，还丰富了学生利用大数据的思维对获得的实验数据进行处理整合的能力，更激起了学生对学习物理的兴趣.在探究“凸透镜成像规律”的过程中，在教师的主导作用下，充分发挥了学生自主学习的主体地位，有效提升了学生的科学思维能力、实验探究能力以及数据处理能力.
参考文献：
[1]中华人民共和国教育部.义务教育课程标准[M].北京：北京师范大学出版社，2012.
[2]Vygotsky L. Interaction between learning and development[J]. Readings on the development of children， 1978， 23（3）： 34-41.
[3][美]约翰.杜威.民主主义与教育[M].北京：人民教育出版社，1990.
[4]李明.“探究凸透镜成像规律”实验光源的改进[J].科学咨询（科技·管理），2019（08）：140.
[5]唐建华.物理复习课中开展基于项目的STEM教育——以凸透镜成像规律复习为例[J].物理教学，2019，41（06）：77-79.
[6]濮晨香，袁海泉.初中物理课堂融入SPOC模式的实践研究——以“凸透镜成像的规律”教学为例[J].物理之友，2019，35（06）：7-9+12.
（收稿日期：2019-06-14）
