凸透鏡成像的規(guī)律

刁傳玲

摘 要：現(xiàn)代社會是大數(shù)據(jù)的社會，初中物理是社會中的物理，因此將大數(shù)據(jù)的思維貫徹到物理教學(xué)中勢在必行.本文以“凸透鏡成像規(guī)律”為例，不僅以讓學(xué)生掌握科學(xué)知識為目標(biāo)，更培養(yǎng)了學(xué)生利用大數(shù)據(jù)的思維處理數(shù)據(jù)的能力.本文充分發(fā)揮了學(xué)生的主體地位，有效提升了學(xué)生的探究性學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)造性思維能力.

關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù)思維;做中學(xué);探究性教學(xué)

文章編號：1008-4134（2019）22-0021 中圖分類號：G633.7 文獻標(biāo)識碼：B

1 什么是大數(shù)據(jù)教學(xué)

大數(shù)據(jù)是對大量的數(shù)據(jù)，運用各種手段、方式進行分析、挖掘，從而獲得具有洞察力和新價值的東西的一種信息資產(chǎn)，是高科技時代的產(chǎn)物.大數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)種類多、 要求實時性強、數(shù)據(jù)所蘊藏的價值大等特點.隨著科技的快速發(fā)展，大數(shù)據(jù)已在各行各業(yè)中得到應(yīng)用，在物理教學(xué)中，亦可引入大數(shù)據(jù)的思維，以提高學(xué)生在眾多的信息中搜索、處理、分析、歸納和總結(jié)其深層次的規(guī)律的能力.

2 現(xiàn)行教材教法的不足——大數(shù)據(jù)教學(xué)的必要性

初中物理是生活中的物理，是社會中的物理，因此，初中物理教師應(yīng)該堅定從生活走向物理，從物理走向社會的理念[1]，大數(shù)據(jù)在現(xiàn)在的生活、社會中產(chǎn)生了暴風(fēng)雨般的影響，但現(xiàn)行教材對“凸透鏡成像規(guī)律”的教學(xué)方法依然以實驗為主，通過教師進一步引導(dǎo)，學(xué)生做實驗得到凸透鏡成像的基本規(guī)律，在此活動中，學(xué)生缺乏思維上的主動性和積極性，本文先通過實驗得到大量實驗數(shù)據(jù)，再依據(jù)大數(shù)據(jù)的思維對所得數(shù)據(jù)進行分析、整合和補充，極大地調(diào)動了學(xué)生主動思考，提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力.凸透鏡成像規(guī)律在本節(jié)課中已經(jīng)不是最重要的了，最主要的是學(xué)生利用大數(shù)據(jù)的思維解決問題的能力.

3 大數(shù)據(jù)教學(xué)的開展

針對現(xiàn)行教育及高科技的突飛猛進，如何找準(zhǔn)“最近發(fā)展區(qū)”[2]，開展有效的教學(xué)活動是歷代教師探討和研究的重要課題.本文以“凸透鏡成像規(guī)律”為例，借助大數(shù)據(jù)的處理思維，以期捕捉到學(xué)生的敏感期.根據(jù)初中生的身心發(fā)展特點，課題的引入可以調(diào)動學(xué)生的興趣，引起他們的有意注意，瞬間集中注意力，因此課題的引入非常關(guān)鍵.在物理教學(xué)中，課題的引入應(yīng)以實物、實驗和視頻等為優(yōu)，這里以放大鏡分別觀察遠近不同的物體引入新課，讓學(xué)生初步意識到放大鏡所成的像不一定是放大的，其成像的大小與像距有關(guān)，為后面的數(shù)據(jù)分析和處理埋下伏筆.

初中生的心理發(fā)展特點是：對自己聽到的知識有很大的排斥心理，或者說他們這個階段以難倒教師、反駁教師為榮，因此，他們不會輕易相信教師告訴他們的知識點，但他們對自己看到的，自己做的、歸納出的知識點會深信不疑并留下深刻的印象.基于此，本節(jié)課的教學(xué)設(shè)計以充分體現(xiàn)學(xué)生的主體地位為主，

探究性實驗貫穿始終，邏輯性結(jié)論層層遞進;

教師引導(dǎo)為輔，將課堂交給學(xué)生，深入貫徹“做中學(xué)”[3].本文以大數(shù)據(jù)教學(xué)為依托，按照“觀察現(xiàn)象——提出假設(shè)——探究實驗——分析數(shù)據(jù)——得出結(jié)論——進一步分析——完善結(jié)論”的流程，采用新的教學(xué)思路，重新審視“凸透鏡成像規(guī)律”的教學(xué)過程.

3.1 觀察現(xiàn)象——突破潛意識

放大鏡是學(xué)生從小熟識的一種工具，探究性實驗貫穿始終，邏輯性結(jié)論層層遞進，放大鏡的鏡片其實就是一個凸透鏡，大部分人都只是應(yīng)用了放大鏡的放大功能，課程開始以放大鏡觀察遠近不同的物體引入，發(fā)現(xiàn)看到的像，不僅有放大的，也有縮小的，推翻了學(xué)生認(rèn)為放大鏡一定是放大的潛意識，與生活中得到的知識產(chǎn)生了沖擊，更易抓住學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的探究欲望.

3.2 提出假設(shè)——物距的建立

提出問題：凸透鏡所成像的大小與什么有關(guān)？學(xué)生很容易猜到凸透鏡所成像的特征可能與物體到凸透鏡的距離有關(guān)，進而引出像距、物距及焦距等概念（如圖1所示）.

焦點（F）——平行于主光軸的光線，通過凸透鏡后在主光軸上會聚的點叫焦點F;

焦距（f）——焦點到光心的距離叫焦距;

物距（u）——物體到凸透鏡光心的距離叫物距;

像距（v）——凸透鏡成的像到凸透鏡光心的距離叫像距.

即得出凸透鏡成像的特征應(yīng)該與物距有關(guān).

3.3 探究實驗

在光具座上調(diào)節(jié)“F”光源、光屏，使其中心在凸透鏡的主光軸上（或在同一高度上），不斷改變物距的大小，在光屏上找到相應(yīng)的最清晰的像，并將測得的數(shù)據(jù)及成像性質(zhì)記錄在表格中.具體實驗步驟如下：

（1）保持凸透鏡在50cm刻度處不動;

（2）改變物距的大小;

（3）移動光屏直到在光屏上找到清晰的像;

（4）記錄物距、像距、成像性質(zhì).

3.4 數(shù)據(jù)分析

合理地進行數(shù)據(jù)分析是大數(shù)據(jù)解決問題的關(guān)鍵所在，本文中選用將數(shù)據(jù)填在Excel表格中，對排序及規(guī)律的發(fā)現(xiàn)有較好的直觀性和便捷性.

在本次實驗中所使用的凸透鏡的焦距為10cm，通過實驗，學(xué)生得到的數(shù)據(jù)見表1，該數(shù)據(jù)的處理關(guān)鍵在于選取哪一物理量進行排序，在引入階段已潛意識地引導(dǎo)了成像性質(zhì)與物距有關(guān)，故大部分學(xué)生會想到要按照物距的大小順序進行排序，個別學(xué)生可能會堅持自己的想法—用像距排序，正如之前說的，他們不愿意接受教師給自己預(yù)設(shè)好的知識，針對這種情況，可先按學(xué)生的想法以像距大小排序見表2，學(xué)生自己便會發(fā)現(xiàn)成像性質(zhì)雖有規(guī)律可循，但與物距的關(guān)系卻錯綜復(fù)雜，故我們考慮用物距的大小進行排序，本文中采用物距從小到大的排序方法見表3，發(fā)現(xiàn)“凸透鏡成像規(guī)律”較為明顯.

根據(jù)排好序的表格，學(xué)生通過對數(shù)據(jù)的分析和整合，可初步得到以下結(jié)論：（1）在光屏上所成的像都是倒立的實像;（2）當(dāng)物距小于像距時成倒立放大的實像.很容易聯(lián)想到當(dāng)物距等于像距時，凸透鏡成像性質(zhì)是否會比較特殊？猜測所成的像應(yīng)是等大的.通過實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)物距等于像距時，

凸透鏡所成的像確實是倒立等大的實像.教師對結(jié)論進一步引導(dǎo)：將物距、像距與焦距相聯(lián)系，進一步得到較完善結(jié)論：（1）當(dāng)物距大于2f時（u>2f），像距在1f和2f之間（f2f），成倒立放大的實像.

分析所得數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，缺少u≤f的數(shù)據(jù)，再讓學(xué)生通過實驗探究此范圍的成像性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)，當(dāng)u≤f時，不論怎樣移動光屏，都不能在光屏上找到清晰的像，教師適時地告訴學(xué)生尋找像的方法：撤去光屏，在光屏一側(cè)觀察，發(fā)現(xiàn)了正立放大的虛像（非真實光線會聚而成），細心的學(xué)生還會發(fā)現(xiàn)，當(dāng)u=f時，不論采取何種措施都不能觀察到像，這是因為此時經(jīng)凸透鏡后的光束無法會聚，即為平行光，所以不能成像，這也是獲得平行光的一種方法.

在處理表格數(shù)據(jù)時，有些數(shù)據(jù)可能存在問題，比如：第1、2組數(shù)據(jù)，物距都為13cm，但像距一個是40cm，一個卻是38cm，同樣的，第3、4組，5、6組也存在這樣的問題，這主要是因為沒有在光屏上找到最清晰的像就讀數(shù)了;觀察第一組數(shù)據(jù)和最后一組數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，它們的物距和像距互換了，成像的性質(zhì)也發(fā)生了改變，可用光路可逆的原理解釋.

至此，“凸透鏡成像規(guī)律”基本全部得出，為了方便觀察和記憶，還可將該規(guī)律完善到橫軸上（如圖2所示）.

圖中清楚地發(fā)現(xiàn)，在一倍焦距處將實像與虛像區(qū)分開，在二倍焦距處將放大的像和縮小的像分開，可以簡單記憶：一倍焦距分虛實，二倍焦距分大小.

綜上所述，本節(jié)課通過實驗探究及數(shù)據(jù)分析主要得到了以下結(jié)論：

（1）在光屏上所成的像都是倒立的實像;（2）當(dāng)物距大于2f時（u>2f），像距在1f和2f之間（f2f），成倒立放大的實像;（5）一倍焦距分虛實，二倍焦距分大小.

4 教學(xué)啟示

物理是一門以實驗為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，但我們不應(yīng)為做實驗而做實驗，驗證性的實驗無異于灌輸性教學(xué)，學(xué)生學(xué)起來會味同嚼蠟，索然無味.實驗應(yīng)充分體現(xiàn)探究性，將課堂還給學(xué)生，讓學(xué)生在實驗中感受物理的魅力.杜威認(rèn)為：探究性教學(xué)可以建立新舊知識的非任意性和實質(zhì)性聯(lián)系，充滿探究性教學(xué)的課堂才是高效的課堂.回顧“凸透鏡成像規(guī)律”整個實驗探究及結(jié)論的獲得過程均發(fā)揮了學(xué)生的主體地位，學(xué)生在實驗中得出結(jié)論，在結(jié)論中發(fā)現(xiàn)問題，并帶著問題完善實驗.整個學(xué)習(xí)過程是學(xué)生自己探究、反復(fù)實驗、解決問題的過程。探究性學(xué)習(xí)讓學(xué)生明白，科學(xué)知識就是在不斷地發(fā)現(xiàn)問題和解決問題中進步的.整個教學(xué)過程不僅引領(lǐng)學(xué)生逐步得到了“凸透鏡成像規(guī)律”，還豐富了學(xué)生利用大數(shù)據(jù)的思維對獲得的實驗數(shù)據(jù)進行處理整合的能力，更激起了學(xué)生對學(xué)習(xí)物理的興趣.在探究“凸透鏡成像規(guī)律”的過程中，在教師的主導(dǎo)作用下，充分發(fā)揮了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的主體地位，有效提升了學(xué)生的科學(xué)思維能力、實驗探究能力以及數(shù)據(jù)處理能力.

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（收稿日期：2019-06-14）