“凸透镜成像的规律”实验中蜡烛光源的价值探讨

【摘要】本文阐述在初中物理实验“探究凸透镜成像的规律”中运用蜡烛作为光源的价值，认为教师可以抓住蜡烛在燃烧过程中变短的实际，引导学生探究光源、凸透镜、光屏在一条轴上的重要意义;抓住烛焰摇摆的实际，帮助学生对凸透镜成像的规律建构更深层次的认知;抓住蜡烛燃烧产生污染的实际，引导学生对实验装置等进行反思，使得学生经历真实、完整的探究过程，增强实验探究能力，发展物理学科核心素养。

【关键词】初中物理 凸透镜成像的规律 蜡烛 实验设计反思

【中图分类号】G 【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2020）05A-0103-02

《义务教育物理课程标准》（2011年版）把“探究凸透镜成像规律”作为学生必须掌握的实验之一。目前，各个版本的教材都把该实验作为一个完整的科学探究范例。“探究凸透镜成像的规律”实验教学中，教师习惯的做法是：让学生把光具座上的蜡烛点燃，移动凸透镜来寻找另一侧的光屏中的清晰的像，通过记录相关数据来比较像与物的上下、左右关系和物距、像距关系，从而得出凸透镜的成像规律。部分教师认为用蜡烛作为光源，虽然可以让学生得出凸透镜成像的规律，但是受光源各种劣势的影响，图像不稳定、不清晰和不对称等，实验效果不够理想。部分教师对烛焰光源进行了改进，采用LED光源、手机屏幕光源、COB光源等代替烛光，以更准确地找到清晰的实像。但笔者认为，这样的改进虽然重视实验结论的准确性，但忽视了科学探究的过程，没有通过实验来挖掘光源的深层次价值，没有进一步培养学生科学探究素养。笔者结合教学实际，探讨核心素养下“探究凸透镜成像的规律”实验中蜡烛光源的深层价值。

一、抓住蜡烛变短的实际，引导学生探究“共轴”的意义

部分教师认为由于蜡烛的燃烧会导致蜡烛慢慢地变短，在实验过程中，蜡烛烛焰的中心、凸透镜中心和光屏中心不能时刻保持在同一高度上，部分教师就利用LED光源等替代蜡烛光源，使光源与凸透镜中心、光屏中心始终保持在同一高度上，以便完成实验。还有些教师往往在此时指导学生随时调整三者的高度，保持共轴，学生手忙脚乱地调整高度，增加了实验难度，往往影响学生的判断。

以蜡烛作为探究凸透镜成像规律的光源，虽然与LED光源等改进方案相比较，存在实验过程中蜡烛慢慢燃烧变短的情况，会带来观察难度，但教师可以在蜡烛变短时引导学生进一步探究，激发学生的思维。

问题1：请同学们观察蜡烛所成的像在光屏上的位置有什么变化？

问题2：蜡烛所成的像为什么不在屏幕的正中央？

问题3：蜡烛慢慢燃烧变短后，像的移动方向是什么？

教师通过提问学生，充分调动学生的积极性，使学生进一步观察实验现象，讨论、猜想凸透镜成像规律。学生带着问题观察实验现象，发现当蜡烛慢慢燃烧变短，与凸透镜、光屏没有在同一高度上时，图像不能完整地呈现在光屏上。蜡烛变短这个需要改进的实验缺陷在教师的引导下变成更具有价值的教学探究，学生通过实验进一步加深对凸透镜成像规律的认识和理解。

二、抓住火焰摇摆的实际，帮助学生建构更深层次的认知

部分教师认为用蜡烛作为光源不易找准清晰的实像。一是因为蜡烛烛焰受不规律气流影响，图像不稳定，会出现往前、后、左、右不同方向摇摆的情况;二是因为蜡烛烛焰内焰比外焰要明亮许多，透过凸透镜成像后，会在光屏上出现不清晰、不稳定的图像。学生用肉眼很难判断何时的图像才是清晰的图像，何时的图像才是等大的图像。虽然教师通过自制“F”字形的LED光源替代蜡烛烛焰，无论倒立还是正反、缩小还是放大，都可以完整地进行演示，效果非常明显。但笔者认为这样的实验过程只是让学生机械地得出实验结论，并没有让学生亲身经历科学探究过程，没有达到培养学生探究能力的目的。

建构主义教学理论认为，学生积极主动地建构的知识体系，比通过教师教学活动被动接受方法与程序所建立的知识体系，更具有稳定性和外延性。为此，教师可以抓住火焰摇摆的实际设置两个小实验，引导学生进行实验探究，激发学生在不理想环境下对实验现象做进一步的思考，使学生逐渐掌握研究物理问题的方法，促进学生主动建构与物理概念相关的知识体系，形成相关知识和技能，发展科学探究精神。

实验1：一名学生向蜡烛吹气，让蜡烛前后摇摆，进一步感知物距与像距的变化规律。可以得出：物距影响像距。

实验2：一名学生向蜡烛吹气，让蜡烛左右摇摆，观察烛焰倾斜的方向和烛焰的像之间的变化关系。可以发现：烛焰的像和烛焰倾斜的方向是相反的。

虽然学生之前学习了光的折射和凸透镜的基础知识，但是对于凸透镜的成像规律缺乏深刻的认知，对于物距、焦距、像距之间的关系比较迷茫。如果用LED光源、COB光源等代替蜡烛进行探究实验，虽然学生可以总结相关规律、掌握相关知识，但笔者认为这还是“填鸭”式的传统教学，这本质上还是一种假探究，不属于真探究。

通过这两个实验中的小实验，改进实验方案并动手做实验，学生有更多发挥的空间，成为凸透镜成像规律的“发现者”，成为课堂的“主人翁”，他们参与实验的热情会更高，能够建构更深的认知。这样教学虽然会花很多的时间，但通过教师创设的问题情境及学生之间的相互協助进行意义建构，学生深入分析实验数据，归纳实验结论，有效促进对新知识的同化、顺应和迁移。

三、抓住蜡烛燃烧产生污染的实际，引导学生对实验进行反思

部分教师认为燃烧的蜡烛在实验过程中会产生液态的蜡流到实验台上，实验结束后比较难清理，甚至有可能发生蜡烛倾倒在实验台上引发火灾的现象，存在非常大的安全隐患。另外，实验室多台实验桌同时进行实验，蜡烛燃烧产生的烟雾较大，对空气造成一定的污染。鉴于上述情况，教师在引导学生采用蜡烛作为光源进行实验探究时，可以引导学生对实验进行改进，减少上述情况带来的负面影响。有学生提出如下改进方案。

改进方案1：在光具座下面放置一张草稿纸，收集滴落的蜡烛油。

改进方案2：改进光具座的结构，在蜡烛底座处设置一个可以移动的托盘，收集滴落的蜡烛油。

实验室几十台实验桌同时进行实验，蜡烛的烟雾在教室中弥漫，空气污染确实严重。教师引导学生提出解决方案，比较方案的优劣。

方案1：开窗通风。如果室外风较大，采用这个方案会加速教室内部的空气流动，导致蜡烛烛焰更加不稳定，增加实验的难度。

方案2：运用排风扇辅助换气。相对于方案1，该方案更加符合实际需求。

教师抓住实验污染的实际，在教学中给学生一些方向性的提示，引导学生提出解决方案，给学生营造宽松的思维空间和实践空间，这是传统的实验教学中没有的。学生在此过程中还会提出一些独特的问题，避免探究活动的盲目性，迸发更多的思想火花。

在核心素养下，教师在教学中不仅仅是知识的传播者，还要指导学生进行科学探究，引导学生经历探究过程，尤其是让学生形成探究的思路和找准探究的方向。核心素养理念下，物理实验教学应该从理论出发，将理论与实践相结合进行探究，以在实践中培养学生的科学态度和科学思维。教师可以根据自身需要、学生的操作能力以及教学环境对方案进行合理选择，引导学生经历真正的科学探究过程，提升学生的综合素质。与此同时，在物理实验的设计过程中，教师要根据教材内容，对实验器材的选择、物理实验方法的应用进行全面考虑，让学生亲自动手、亲身经历。

在“探究凸透镜成像的规律”实验中，教师可以巧妙运用以蜡烛作为光源存在的缺陷与不足，在实验过程中放慢教学节奏，引导学生多次观察实验现象，分析、解决实验中出现的问题，归纳实验结论，变劣势为优势，培养学生的科学探究精神、实验精神，提升学生的物理学科核心素养，为学生的成长、成才奠定坚实的基础。

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作者简介：黄秋妮（1979— ），女，广西北流人，一级教师，大学本科学历，研究方向：初中物理教学。

（责编 刘小瑗）