科學探究：平面鏡成像教學實驗的改進與創新

鄧蒙++楊為民

摘 要：傳統的平面鏡成像實驗存在許多不足之處，在實驗教學中也未貫徹落實科學探究的原則，這就導致了學生對知識的理解不透。針對以上問題，本文從實驗裝置和實驗教學兩方面進行創新，不僅有助于學生探究平面鏡成像的實質和特點，而且培養了學生科學探究的思維與科學探究的能力。

關鍵詞：科學探究；平面鏡成像；光路圖

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2016）11-0030-3

平面鏡成像實驗是初中光學重要的實驗之一，這個實驗是必做實驗且適合學生進行科學探究，該實驗目的是通過平面鏡成像實驗讓學生親自體會平面鏡成像的規律和特點，在實驗的過程中掌握科學探究的要素和方法。然而，實際實驗教學效果往往差強人意，普遍存在學生虛假探究、探究不深、理解不透的現象。

1 平面鏡成像實驗教學存在的問題

學生之所以無法真正理解平面鏡成像的規律與特點，最主要的原因是傳統的實驗教學存在一些問題，主要表現在以下幾個方面：

1.1 實驗儀器的不足

傳統實驗首先放一個透明玻璃板在中間，然后在玻璃板前面放一根點燃的蠟燭作為物體，最后拿與前一根蠟燭完全相同的蠟燭在玻璃板后面移動使之與像重合。這個實驗中像的位置不易確定，存在較大的實驗誤差，還有隨著時間的流逝，點燃的蠟燭會越燒越短，此時說像與物體大小相同就變得很牽強。并且直接拿兩根完全相同的蠟燭進行實驗，相當于直接告訴學生像和物體的大小是相等的，這違背了科學探究原則，不利于學生科學探究能力的培養。

1.2 實驗原理的忽視

傳統教學中許多教師解釋平面鏡成像原理時，直接告訴學生是由于光的反射導致能夠在玻璃板后面看到一個虛像，那么這個像是怎樣形成的呢？教材上也未畫出平面鏡成像的光路圖來進行說明，這忽視了對作圖法等科學方法的顯性教育。并且在關于平面鏡成像的試題中，考察的幾乎都是畫一個物體所成的像，幾乎沒有考察畫這個物體在平面鏡上的光路圖，這就導致學生很難掌握平面鏡成像的根本原理。

2 實驗教學設計

針對以上問題，筆者對實驗器材進行了改進，旨在讓學生經歷科學探究的過程，在科學探究活動中，掌握科學探究活動的設計方法，學會采集實驗和探究的證據，并能進行科學的處理，從而真正理解平面鏡成像的根本原因以及像的特點。

2.1 實驗裝置準備

光的反射定律可以拿來解釋平面鏡成像和玻璃板成像，然而許多學生卻不理解為什么要用玻璃板來代替平面鏡做平面鏡成像實驗。他們認為平面鏡所成的像是在平面鏡里面，但是玻璃板所成的像在玻璃板的另一面，這個像似乎并非由光的反射所形成的。最主要的原因還是學生認為玻璃板能夠被看透，但是平面鏡不能，解決這個問題的關鍵是讓學生理解玻璃板成的像是怎樣形成的。為此，筆者設計了如圖1所示的實驗裝置，來幫助學生理解平面鏡成像的特點。首先，將茶色玻璃板和四塊紙板組合構成一個盒子，并把這個盒子放在一塊厚紙板上，使玻璃板與厚紙板垂直，接著將一張坐標紙插在玻璃板與厚紙板之間，并用夾子固定好。構成盒子的紙板內表面貼著黑色紙，目的是減少玻璃板周圍不必要的光的影響，因此平面鏡所成的像能夠清晰地被看到。在這里之所以選茶色玻璃板而不選透明玻璃板是因為透明玻璃板透光性強，虛像不夠清晰，并且要注意的是玻璃板必須與水平面完全垂直。黑色盒子的上方可以適當打一個洞，讓一部分光照射在盒子里，這樣物體所成的像更容易看到。

2.2 確定像的位置

把自制的紅色長方體（可以用積木代替）作為物體放在玻璃板前面，可以看到玻璃板后面物體所成的像。此時，教師應該讓學生比較玻璃板所成的像與平面鏡所成的像的異同。學生會發現此時玻璃板所成的像看起來就像是黑色盒子里的燈被關時平面鏡所成的像。教師應立刻提問學生黑色盒子和玻璃板組成的組合可以看作什么，學生們就立刻聯想到了平面鏡。只不過這里的平面鏡厚度比較厚，所成的像在平面鏡里，這符合學生的認知特點，感受到玻璃板代替平面鏡的科學性與可靠性，從而學生就很容易接受利用玻璃板來探究平面鏡成像。

本節課的另一個創新點是利用積木代替傳統的蠟燭，達到形狀、大小可變，安全的作用。紅色長方體作為物體所成的像是立體的，如圖2所示，讓學生以小組為單位，共同探究物體所成像的特點。學生從形狀、大小不同的積木里選擇一個積木放在所成的像的位置，經過幾次嘗試直到找到與像完全重合的積木，則這塊積木就代替像，稱為“標記物”，在這里運用到的科學探究方法是等效代替法。接著兩個物體一比較學生就會發現成像特點：像的形狀、大小與物體完全相同。同時，可以看到玻璃板所成的像在玻璃板后面，把物體往后移，遠離玻璃板，所成的像也遠離玻璃板。要求學生用刻度尺分別測量物體到玻璃板的距離和像到玻璃板的距離，再改變物體的位置多次實驗，學生會找出平面鏡成像的另一個特點：像距等于物距，像的位置由物體的位置所決定。

本節實驗教學中，把知識的學習和探究方法的學習放在同等重要的位置，注重讓學生自己去體驗探究的過程，感受探究的樂趣，做到在體驗中學習知識。

2.3 畫光路圖確定像的位置

在中學平面鏡成像的光路圖和確定像的位置是分開來教的，并且教材中沒有給出平面鏡成像作圖的步驟，對平面鏡成像的內涵亦未加以體現，這就導致學生不理解光路圖和平面鏡成像的位置之間的關系。為了解決這個問題，本節實驗教學中引入了作圖法從科學顯現的角度讓學生真正理解平面鏡成像的原理。

首先，調整“標記物”的位置，直到像與標記物完全重合，把黑色盒子拿開，讓學生用一支鉛筆緊貼物體的底邊在坐標紙上畫邊界線，畫的矩形表示物體的位置；接著，選取矩形邊上的任意一點為光源點，打開激光筆光源并使激光筆光線過這一點照射在玻璃板上的任意一點，此時學生可以看到從光源處產生的入射光和來自玻璃板的出射光；最后，學生沿著激光光線畫帶箭頭的線分別表示入射光路和出射光路，如圖3所示。接下來應該充分發揮學生的主觀能動性，讓他們改變入射光的路徑重復上述步驟，得到幾組光路圖。幾組光路圖畫下來，學生會發現入射光與出射光彼此對稱，他們就會提出猜想：出射光是不是反射光？此時，教師應鼓勵學生自己想辦法驗證，學生通過自己的驗證發現猜想是正確的，從而證明了該實驗裝置可以反射光并遵循反射定律。

從提出猜想到驗證猜想的探究過程中，教師不加以任何干涉，充分發揮學生的主觀能動性，學生不僅加深了對知識的理解，而且在一定程度上獲得成就感，這對提升其物理學習的興趣有一定的幫助。

上一步只是證明了玻璃板對光有反射作用，要確定像的位置還需進行下一步，用一根刻度尺沿著所有反射光線的延長線畫虛線，如圖4所示。顯然，所有虛線匯聚在像的某一點上，這一點就是前面所選取的物點的像點，可見通過這種方法不僅確定了像的位置，而且不需要光屏就可以證明平面鏡所成的像是虛像，因為這個像點并非由實際光線匯聚而成。為了進一步提升學生畫光路圖來確定像的位置的能力，教師可以用一支筆作為物體任意方式放在平面鏡前面，讓學生畫光路圖來確定像的位置并預測玻璃板后所成的像的特點。作圖法的引入直接展現了平面鏡成像的過程，為學生建構平面鏡成像的認知結構，從而不僅使學生真正理解平面鏡成像的內涵，并且培養了學生科學探究的思維與能力。

2.4 實驗教學總結

本實驗教學設計最主要是從實驗儀器上進行了修改與創新，不僅使教學變得有效率，而且科學探究方法也貫穿在整個教學設計中。從上文的闡述可以看出實驗儀器有以下幾個特點：

（1）通過畫光路圖來解釋像是怎樣形成的。

（2）從兩方面準確地確定像的位置，一個是實驗中直接觀察像的位置，另一個是通過光路圖確定。

（3）明確地看到物距和像距相等，并且證明了像的大小等于物體的大小。

本節關于平面鏡成像的實驗教學設計是以科學探究為中心，注重科學猜想和驗證，教師在整個實驗教學中只是起到引導作用，采用“半放”甚至“全放”的方式，讓學生自己去發現問題、解決問題。在探究的過程中注重對猜想的驗證，讓學生意識到任何一個結論的得到都是需要采用一定的方法來檢驗是否正確完善，并且所采取的方法要有科學性和可靠性。

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（欄目編輯 鄧 磊）