六種版本初中教材“探究凸透鏡成像規律”實驗的比較與啟示

彭 佳，許桂清，吳先球

華南師范大學物理與電信工程學院，廣州 510006

凸透鏡成像問題是中學光學教學的重點之一，各個版本教材由于編者教育理念的不同，在實驗設計思路、實驗內容編排和表格設計上有差異。本文在橫向比較各個版本教材的基礎上，縱向深入對“像物虛實、大小、正倒、左右顛倒”等難點問題提出了一些改進措施與建議，希望對教學有所啟示。

1 六種版本教材“探究凸透鏡成像規律”設計思路的比較與分析

通過對比分析，發現上述六種版本教材都基本滿足了新課標 “探究并知道凸透鏡成像的規律，了解凸透鏡成像規律的應用”的要求。由于編者教育理念的差異，設計思路上也有所不同。

1.1 設計思路的比較

設計思路大致有3種邏輯，如表1所示。

表1 3種設計思路

1.2 設計思路的分析

第1種思路，限制了成像性質，這種模式的優點是學生只要找到所需要成的像后記錄物距和像距，找到物距和像距有什么規律，分析物距與焦距之間的關系就可以了。簡化了實驗過程，指導性比較強，降低了教學難點，也達到了節約時間的目的。

第2種思路，限制了物距，這樣的探究方法，先給學生灌輸了一個固定的探究框架，即在某個規定的范圍內進行探究，雖然能讓學生容易得出想要的結論，但是學生可能會對為什么要在這個規定的范圍內探究產生疑問。學生的探究受到了一定的約束，不能在更大的范圍、更普遍的條件下探究、歸納、總結。

第3種思路，讓學生在沒有任何暗示的情況下進行自主探究學習，通過大量的實驗發現規律。學生通過探究活動，體驗科學探究的全過程和方法，學習從物理現象中歸納科學規律的方法。

那么上面3種設計思路哪一種較好呢?建構主義教學理論認為，學生要成為有意義學習的主動建構者，教師在教學中傳播的不僅是知識，還要幫助學生經歷探究的過程，更為重要的是要理解探究的思路和研究方法，讓學生經歷科學探究的完整過程。綜合比較分析認為，第3種思路最能提高學生科學思維和科學探究的物理核心素養。

2 六種版本教材“探究凸透鏡成像規律”實驗內容的比較與建議

不同的設計思路的指導下，各個版本教材在實驗的具體編排和內容上也有所差異，如表2所示。

表2 六種版本教材“探究凸透鏡成像規律”實驗內容的比較

各個版本教材實驗內容的編排各有優缺點，通過分析比較認為，最合理的設計是給學生提供2～3種不同焦距的凸透鏡，不預先規定好要測像距與物距有特殊關系點，而是先取較大物距進行觀察測量，然后逐漸減小物距進行觀察測量，然后換用不同焦距的凸透鏡重復實驗。在大量實驗的基礎上進行分析，采用同中求異、異中求同和同異綜合等物理科學方法尋找統一的凸透鏡成像規律。

這樣的做法，學生經歷了真正的探究過程，規律是學生在實驗的基礎上通過實驗數據總結出來的，印象比較深刻，避免了通過大量的“題海戰術”讓學生掌握成像規律。

3 六種版本教材“探究凸透鏡成像規律”實驗表格設計的比較與改進

3.1 實驗表格的比較

人教版使用一個凸透鏡對每種成像情況要求做2次實驗。

教科版和北師大版都缺少像距v的記錄，學生不好從表格中分析歸納出u、v之間的變化規律。

滬粵版實驗記錄表格中每種成像情況做1次。

蘇科版設計了兩個實驗表格，第一個表格探究成像“大小”“正倒”和焦距之間的關系。第二個表格用來探究像物等大的關鍵點，并且用了兩個不同焦距的凸透鏡，減少了實驗結果的偶然性，增加了結論的可靠性。

滬科版要求學生自己想方法測量凸透鏡的焦距，要求每組學生使用不同焦距的凸透鏡探究成像規律，對每種成像情況做1次實驗，并且缺少物距u與焦距f的關系的記錄。

3.2 實驗表格的改進方案

根據上面表格存在的問題，運用上文推薦的北師大版的開放式設計思路，結合實驗內容編排的改進建議，本文對實驗表格做了如下的改進，見表3。

表3 凸透鏡成像規律實驗記錄表（f=10 cm）

實驗前先讓學生自己想方法測量凸透鏡的焦距，并在實驗過程中讓學生從遠到近不斷地接近凸透鏡，在每個焦距之間至少進行3次的實驗，在觀察分析的基礎上歸納總結像物之間的大小、虛實、正倒在不同位置之間的關系，并要求學生換一個焦距的凸透鏡重復上述實驗，在大量實驗數據的基礎上進行分析，歸納總結出凸透鏡的成像規律。在一些重要的關鍵點上教師要做好引導工作，幫助學生發現、總結出2倍焦距點是成像大小的轉折點，1倍焦距點是成像虛實、正倒的轉折點。

4 關于重點、難點的比較與啟示

4.1 關于虛、實轉折點問題

人教版、滬粵版和滬科版在實驗表格和分析論證中探究了成像虛實的問題。

蘇科版在實驗的表格記錄數據中缺少對像的“虛實”性質的探究，僅在實驗步驟中提到了小于一倍焦距時，光屏是否成像。

北師大版在探究實驗開始之前就提出了實像和虛像的概念。

教科版在實驗過程中以提示的形式給出實像和虛像的概念定義，降低了探究的難度，有利于學生對兩個容易混淆的概念的辨析，幫助學生總結規律，更好地理解虛像、實像的概念和兩者轉化的關鍵點，方法值得借鑒。

4.2 關于像物的大小問題

各個版本的教材多是選用蠟燭作為光源，白屏成像，首先選擇蠟燭作為光源極不穩定，其次學生通常靠目測來判斷像的大小變化和比較像與物的大小關系，具有較大的不確定性。例如，當物體處于兩倍焦距時，由于像比較暗，學生往往會認為這時的像是縮小的，由此得出錯誤的實驗結論。

筆者認為，選用燭焰做為比較物體的像和物的大小關系時不是很合適，可以用圖1中的光源(在光屏上貼上坐標紙，方便通過數格子的方法測量像寬和像高）。

在探究2倍焦距時像物大小相等時，建議可以通過畫光路圖（圖2）來判斷物距等于2倍焦距時凸透鏡成的像和物體等大。

圖 1 “F”形 LED 燈

圖2 用圖像方法分析物距等于2倍焦距時凸透鏡成像的特點

4.3 關于像的“正倒”“左右”顛倒問題

北師大版在制訂計劃里提出了在成虛像和實像的兩種情況下，輕輕地吹蠟燭的火焰，使它向左側或右側偏斜，觀察火焰的像是向左側還是向右側偏斜？注意像與物的左右關系。

如果只是單純地研究像和物體的“左右”“正倒”顛倒的話，選用燭焰做光源還是比較合適的，人的視線從蠟燭的外側向著光屏的方向望去，沿一個方向可以同時觀察到物體和像，輕吹蠟燭很容易觀察到蠟燭的像和物偏斜的方向是相反的。

5結語

對六版教材的橫向比較分析的基礎上，運用開放式設計思路，實驗過程中為學生提供2～3種不同焦距的凸透鏡，不預先規定好要測像距與物距有特殊關系點，讓學生在沒有任何暗示的情況下進行自主探究學習，通過大量的實驗發現規律，更有利于提高學生的科學思維和科學探究的物理核心素養。