从基于经验到基于证据的物理可视化教学实践研究——以“探究凸透镜成像规律”为例

宋 勇

（安徽省蚌埠市教育科学研究所，安徽 蚌埠 233000）

“探究凸透镜成像规律”是初中物理一节重要的实验探究课，在《义务教育物理课程标准》（2011年版）“科学内容”中的要求是：“探究并知道凸透镜成像的规律”.该实验在实际教学中往往有不同的设计方案，以下具体分析3种方案.

方案1：非开放环境下给定物距的分组探究.

该方案将学生分成若干组，所用透镜的焦距均相同，每组探究一组条件相同的物距，如第1组探究物距都是大于2倍焦距的情况，第2组探究物距都是大于1倍焦距小于2倍焦距的情况，第3组探究物距都是小于1倍焦距的情况，还可以让另两组分别探究物距等于2倍焦距或1倍焦距，每组学生在探究之后，教师将各组数据放在一起进行归纳总结，得出在不同物距下成像的不同结论.这种方案在常规教学中被经常使用，是因为这种教学比较简单快速，在有限的教学时间内，比较容易得出实验的结论.

然而，这种教学的问题在于：学生如何知道1倍焦距和2倍焦距是凸透镜成像的重要分界点？也就是说，1倍焦距和2倍焦距是教师基于自己的“经验”给学生的两个特殊值，这两个特殊值对学生来说不是通过探究发现的.因此，这种方案其实是在一种非开放环境下的基于教师经验的探究，是一种伪探究.长期以来，这种探究模式一直在一些课堂出现，这种教学不仅不能提高学生的探究能力，更会让学生觉得，找几个特殊值就可以得到普遍的规律，显然，这种设计违背了科学探究的实质.安徽省2008年的中考实验题就是针对这种教学进行的一种纠偏.

例题.（2008年安徽省中考物理试题）我们都做过“探究凸透镜成像规律”的实验，图1所示为该实验的装置图.实验时首先利用太阳光测出所使用的凸透镜的焦距f.请你认真思考下面的4种实验设计方案后，回答问题：

图1

（甲）分别把点燃的蜡烛放在1倍焦距f和2倍焦距2f处，调整光屏到凸透镜的距离，观察并记录在屏上能否成像以及所成像的特点，分析总结得出凸透镜成像的规律.

（乙）除甲中的做法外，还应该把蜡烛放在大于2f的某一位置和大于f、小于2f的某一位置，观察并记录对应的成像情况，才能总结得出凸透镜成像的规律.

（丙）把点燃的蜡烛从距凸透镜较远的位置逐渐移近（或从较近的位置逐渐远离），通过不断调整光屏到凸透镜的距离，观察并记录在屏上能否成像，以及所成像的特点，包括观察所成像随烛焰位置变化而变化的趋势，尤其是在f和2f处所成像的情况，从而总结得出凸透镜成像的规律.

（丁）与丙不同的是，将蜡烛从靠近凸透镜的位置逐渐远离，其它步骤相同.

以上4种方案中，哪些是科学合理的：________（选填“甲”、“乙”、“丙”、“丁”）.

评析：本题的甲、乙两个选项提供了两种通过特殊物距值的成像特点得到一般成像规律的错误做法.显然，本题所要倡导的是在比较开放的环境下，让学生从尽可能多的实验数据中主动发现规律，而通过试题考查的形式，不仅能甄别学生科学探究能力的强弱，更能折射出在实际教学中是否存在基于经验的伪探究模式.

方案2：传统的数据收集方式下的开放式探究.

该方案采用开放探究的方式，即不对物距大小做要求，实验之前布置学生利用提供的实验器材进行一次实验，物距由学生自己任意选择，实验中观察得到一次凸透镜成像的结论，记录物距和像距，观察像的特点.由于没有对物距作出要求，故该探究是一种相对开放的环境，全班学生在各自选取的物距条件下完成成像实验，得到的数据也包含了各种物距下的成像规律.教师通过学生汇报和数据展示，将全体学生的结论进行归纳总结，从而得出凸透镜成像的规律.

这种方案是在一种比较开放的环境下进行的，由于全班学生都参与了实验，得到的数据也较为完整.该方案没有采用经验主义下对2倍焦距和1倍焦距的提前设置，学生通过分析整个数据得到1倍焦距和2倍焦距是凸透镜成像的两个重要分界点，进而得到凸透镜成像的规律.然而，这种方案也存在一些问题，比如，每位学生只进行了1次或2次实验，没有完整地进行凸透镜成像的多次实验，故对实验规律的认识是相对片面的.只有将所有学生的结论综合起来，才可以发现规律，因此，本方案更侧重小组间在数据上的共享，在共享中发现规律.

在《义务教育物理课程标准》（2011年版）的“科学探究实例”中，也给出了一种类似的探究方案：课堂上，全班学生分成了12个实验小组，每个小组配一套实验器材，各小组凸透镜的焦距都是15cm，教师让全班学生共同探究凸透镜成像的规律，物距从6cm开始，每增加3cm取一组实验数据，直到39cm，共12组不同物距的数据（见表1）.教师规定每个小组只测两组数据，不同小组测量不同的物距，使得每组物距的数据都有2个小组测量.表格中所有数据对各小组来说都是共享的，教师要求学生从这些数据中总结出凸透镜成像的规律，这是本次探究活动的重点.

表1

对以上方案，笔者觉得，其中仍渗透了教师的经验主义，比如物距从6cm开始，每增加3cm取一组实验数据，直到39cm.这种对物距的规定，限制了学生的探究空间，学生会思考为什么不能是小于6cm的物距，为什么要增加3cm取一组数据.这些都使本方案的探究环境不是完全的开放，又因为是采用传统手段对学生的实验数据进行收集和整理，故也影响了实验数据的完整性.

方案3：大数据背景下基于证据的全面探究.

本方案是在智慧课堂模式下基于大数据的一种探究，具体方案是：将全班学生每两人作为一组，每组所用凸透镜的焦距有所不同，每组学生利用本组透镜进行多组物距下凸透镜成像的实验，记录物距、像距及成像的特点，各组学生将本组实验的数据通过PAD发送到教师所用的终端设备，教师在终端设备上收集全班同学的实验数据，形成本次实验探究的“大数据”，并运用Excel软件将所有实验数据进行分类处理，帮助学生主动发现凸透镜成像的规律.

从表2中的数据可知，该组同学使用的凸透镜焦距是8cm，共进行了6次成像实验的数据记录，表3为另一组同学使用焦距为10cm的凸透镜实验的结果.

表2 利用焦距为8cm的凸透镜记录的实验数据

表3 利用焦距为10cm的凸透镜所记录的实验数据

各组同学将本组的实验数据都发送到教师使用的终端后，就形成了不同焦距的凸透镜在各种物距下的成像记录“大数据”（约300组），表4为其中的一部分数据.

表4 全体学生利用不同焦距的凸透镜所记录的实验数据（部分）

教师运用Excel表格里的排序功能进行不同的处理，可以更完整地呈现凸透镜成像的规律，在实际操作中，笔者重点做了以下两种分析：（1）分析焦距相同的成像数据，引导学生发现规律，而且，学生发现不同焦距的凸透镜都有相同的规律，使探究更具一般性；（2）物距相同时，随着焦距的不同，成像特点也会有所不同（部分数据见表5），帮助学生理解物距并不是决定成像特点的因素，物距与焦距的关系才是决定成像特点的因素.这些数据还可以提供给学生深度学习，比如可以探究相同焦距的凸透镜成像时，物距与像距的关系，不同焦距的凸透镜成像时，该关系有何变化，利用Excel软件还可以作出图像进行比较（如图2）.

表5 将全体学生的数据按物距排序后的实验数据（部分）

图2 不同焦距下物距与像距的关系图像

以上探究方案的优点是：（1）学生所用的凸透镜焦距不是唯一的，使实验更具普遍性；（2）每组学生都利用本组凸透镜进行了多次实验，使每组的探究更全面；（3）全班学生的所有实验数据形成本次实验探究的“大数据”，使实验的样本更全面，通过对大数据的处理，便于学生发现普遍规律.显然，这是一种基于证据的实验探究，在大数据的支持下，也培养了学生的数据意识和证据意识.

通过第3种方案可以看出，运用智慧教学设备可以将学生的实验数据形成课堂教学的“大数据”，通过信息技术的手段将“大数据”进行处理，可以让规律更全面地呈现出来，从而实现科学探究的可视化.物理是一门以实验为主的学科，实验教学一定是要是可见的，规律的呈现也一定是能“看得见”的，在信息技术手段的支持下，物理教学应该更具有可视性，基于证据的物理教学也必将取代基于经验的物理教学.