基于物理观念的初中物理母题设计

黄葛鸿

摘   要：初中物理习题中，透镜对光线的两个作用分别为：凸透镜是会聚作用，凹透镜是发散作用。其可提炼出的物理观念分别为“会聚”和“发散”。通过去情境的方法提炼物理观念，加情境化提升能力促进思维提升，变情境化强化知识的应用提升学生核心素养。基于物理观念所设计而成的母题和变式训练可实现减负增效促思维。

关键词：母题；情境化；变式训练；会聚；发散

引言

市面上教辅采用知识点堆积的方式设计习题，较少有递进关系，各题目间主线不明晰，知识点分散，学生不容易自行通过习题感悟具体解题方法或模型，不容易实现用作业使学生形成物理观念。新课标围绕学生核心素养的发展设计的教学目标中要求努力让学生学习的内容结构化、系统化[ 1 ]。而采用母题教学可使学生理解掌握基本规律，入门更为容易，又能激发思维、拓宽思维空间、掌握知识点间的联系，起到举一反三的效果[ 2 ]。初中物理习题中，透镜的两个作用分别为：凸透镜是会聚作用，凹透镜是发散作用。其可提炼出的物理观念分别为“会聚”和“发散”。可基于此观念设计几道递进式的习题，以基础题目为母题，层层递进，最终实现学生自主内化物理观念。

1  去情境化——理解概念、落实物理观念

去情境化是指将知识从具体的情境中分离抽象出来，从而超越情境，成为概括性的知识。物理问题的去情境化的主要目的是从具体情境中抽象出物理模型，提炼重点知识，在知识训练过程中让学生理解物理概念、最终落实物理观念。设计的母题有知识简单、方法明确的特点。在母题的使用过程中，重点训练方法，弱化思维的训练。根据两个透镜作用观念可设计母题如下。

母题：在图1、图2方框中填入合适的透镜。

知识点：凸透镜和凹透镜对光线的作用。

题目立意分析：

根据凸透镜对光线具有会聚作用的特点，当光线射入凸透镜时，两边的折射光线相对于未经过透镜的入射光线为靠近主光轴，此时成像的清晰位置相对于原先靠近透镜；反之，根据凹透镜对光线具有发散作用的特点，当光线射入凹透镜时，两边的折射光线相对于未经过透镜的入射光线为远离主光轴，此时成像的清晰位置相对于原先远离透镜。

解题方法分析：

（1）先画上主光轴，图1中从入射光线的本质出发，假设无透镜放入两条光线都沿直线传播，将入射光线用虚线延长，此时两条光线相交于如图3中A点；

（2）实际放入透镜后，两条光线相交于B点，折射光路相对于原先光线的延长线（虚线部分）往两边张开，此时放入的透镜对于原先的光线起到发散作用。故图1的方框中放入的透镜为凹透镜；

（3）同理可知，图2中光线的分析图形为图4，图2方框中放入的透镜为凸透镜。

母题的评估与分析：

本题两道小题，虽答案不同，所蕴含的物理知识的科学分析方法是相同的。在实际教学中可先引导学生一起分析图1，使学生形成基本的分析能力，理解分散作用和会聚作用的本质特征。随后学生自主分析图2并完成图4，训练分析方法、落实学生的两个物理观念。所形成的物理观念以及相关的分析方法可解决光路的動态问题。该母题可基于物理观念提炼出相应的动态光路分析方法为：（1）使用凹透镜将光线发散，物体成清晰像的位置后移，像远离透镜，像距变大；（2）使用凸透镜将光线发散，物体成清晰像的位置前移，像靠近透镜，像距变小。

2  加情境化——训练能力、培养学科思维

在学生初步形成物理观念后，利用变式训练题相应的解题方法并自主分析解答新情境题，此时的变式题可在情境和思维上进行加深。

2.1  变式一：近视视、远视眼的矫正策略

如图5，图甲为其成像图，在图乙所示方框内填上的透镜为_________透镜，该图是___________眼及其矫正的原理。

答案：凹  近视

解题方法分析：

像要远离，光线要发散，故填凹透镜。物体成像在视网膜前方，所以填近视眼。

题目分析：

本题为发散观念在身边实际应用的习题，学生充分理解后正确理解相应的物理观念，脱离死记硬背的学习误区，让物理知识更加贴近生活。变式一还可以增加远视眼成像原理的矫正。但学生若在母题中已形成观念，增加的远视眼成像原理题意义不大，但若是有个别学生理解速度慢，此时可增加，实现分层巩固教学，实现变式训练的多个作用。

2.2  变式二：在“探究凸透镜成像的规律”实验中物体成像位置的动态分析

（1）当蜡烛、透镜、光屏的位置如图6所示位置时，在光屏上恰好观察到一个清晰的像。将蜡烛稍远离凸透镜，光屏上的像变模糊。要再次在光屏上得到清晰的像，可在蜡烛和凸透镜之间再放上一个焦距合适的_______________；

（2）在实验中获得清晰的像后，小明取了一副远视眼镜放在凸透镜前（如图7所示），要使光屏上还能成清晰的像，可将光屏向_____移。

答案：（1）凹透镜   （2）左（或前）

解题方法分析：

（1） 根据凸透镜成像规律特点，当蜡烛远离透镜时，像靠近透镜，成像清晰的点靠近透镜，需要佩戴合适的凹透镜，将光路发散，使成像清晰点远离透镜一些；

（2）远视眼镜为凸透镜，能将光线会聚，能使成像清晰的点靠近透镜，故应将光屏向左靠近透镜。

题目分析：

在实际应用中，结合具体的实验规律考察，两小题为动态成像分析。第一小题为思维的顺过程，第二小题为基于透镜特点的思维逆过程，前后配合提升学生思维的敏捷度。本变式的最后一题还可扩展成小明将一副近视眼镜放在凸透镜前，调节光屏的位置，获得清晰的像后，将近视眼镜拿开，要使光屏上还能成清晰的像，可将光屏向哪里移。

3  变情境化——强化应用、提升学生素养

变式三：小金制作了一个焦距可调节的水透镜，如图8甲所示，在一个圆环支架上安装一个进出水口，在圆环支架的两侧密封上透明的橡皮膜，用注射器通过软管连接进出水口，并向圆环与橡皮膜所围成的空间内注水，使其呈中间厚、边缘薄的形状，便制成了一个焦距可调节的水透镜，如图8乙所示。请回答：

图8丙从水透镜中抽水时，水透镜的焦距变大，若不改变蜡烛和水透镜的位置，光屏应向_________移动，光屏上仍能呈现出烛焰清晰的像。当向水透镜中注水时，若不改变蜡烛、光屏和水透镜的位置，则在蜡烛和水透镜之间放_________光屏上仍能呈现出烛焰清晰的像。

答案：右   凹透镜（或近视眼镜）

解题方法分析：

根据水透镜厚度对其聚光能力的关系，透镜厚度越厚时聚光能力越强焦距越小，透镜厚度越薄聚光能力越弱焦距越小。（1）当从水透镜中抽水时，透镜变薄，聚光能力变弱，焦距变大。导致光线相对原先发散，成像遠离透镜，故往右移动。（2）当注水时透镜变厚，聚光能力变强，成像清晰位置靠近透镜，需要放置一个发散的透镜将清晰位置远离，故填凹透镜。

题目分析：

此变式考察的是基于焦距改变导致的成像位置变化，核心知识为透镜的聚光能力强弱引起的成像位置变化和调整。从水透镜中抽水时，水透镜的中间变薄些，焦距变大，会聚光线能力变弱，光线被往主光轴方向偏折程度减小，相对原先变发散些，成像清晰点远离透镜，故光屏应将向右运动。当向水透镜中注水时，会聚光线能力变强，光线被往主光轴方向偏折程度增强，相对原先更加会聚，成像清晰点靠近透镜。若不改变蜡烛、光屏和水透镜的位置，需将更会聚的光线往偏离主光轴方向发散，方可成像。故需放置凹透镜（或近视眼镜）

4  结语

在物理教学中，通过去情境化和再情境化生成物理母题促进学生对真实物理问题的理解，从而顺利解决问题，同时可激发兴趣、增强创新意识，促进物理观念形成[ 3 ]。通过以上习题的设计，将透镜对光路的作用形成基于主要概念的习题主线，实现单元知识的提取和训练，从大单元的角度训练学生某一特定模块的知识和方法，让学生经历理解、训练、应用的过程，在思维和能力不断深入的过程中实现相关的物理知识的学习以及观念的形成。

参考文献：

［1］ 中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准（2022年版）[S].北京：北京师范大学出版社，2022：42.

［2］  李琳玲. 巧变善拓 用好母题[J]. 物理教师，2011，32（12）：72-74.

［3］ 张江宁. 例谈物理问题的“去情境化”与“再情境化”：以2019年高考全国卷Ⅰ第21题为例[J]. 物理教学，2019，41（11）：70-71.