“凸透鏡成像的規律”實驗中蠟燭光源的價值探討

【摘要】本文闡述在初中物理實驗“探究凸透鏡成像的規律”中運用蠟燭作為光源的價值，認為教師可以抓住蠟燭在燃燒過程中變短的實際，引導學生探究光源、凸透鏡、光屏在一條軸上的重要意義;抓住燭焰搖擺的實際，幫助學生對凸透鏡成像的規律建構更深層次的認知;抓住蠟燭燃燒產生污染的實際，引導學生對實驗裝置等進行反思，使得學生經歷真實、完整的探究過程，增強實驗探究能力，發展物理學科核心素養。

【關鍵詞】初中物理 凸透鏡成像的規律 蠟燭 實驗設計反思

【中圖分類號】G 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2020）05A-0103-02

《義務教育物理課程標準》（2011年版）把“探究凸透鏡成像規律”作為學生必須掌握的實驗之一。目前，各個版本的教材都把該實驗作為一個完整的科學探究范例。“探究凸透鏡成像的規律”實驗教學中，教師習慣的做法是：讓學生把光具座上的蠟燭點燃，移動凸透鏡來尋找另一側的光屏中的清晰的像，通過記錄相關數據來比較像與物的上下、左右關系和物距、像距關系，從而得出凸透鏡的成像規律。部分教師認為用蠟燭作為光源，雖然可以讓學生得出凸透鏡成像的規律，但是受光源各種劣勢的影響，圖像不穩定、不清晰和不對稱等，實驗效果不夠理想。部分教師對燭焰光源進行了改進，采用LED光源、手機屏幕光源、COB光源等代替燭光，以更準確地找到清晰的實像。但筆者認為，這樣的改進雖然重視實驗結論的準確性，但忽視了科學探究的過程，沒有通過實驗來挖掘光源的深層次價值，沒有進一步培養學生科學探究素養。筆者結合教學實際，探討核心素養下“探究凸透鏡成像的規律”實驗中蠟燭光源的深層價值。

一、抓住蠟燭變短的實際，引導學生探究“共軸”的意義

部分教師認為由于蠟燭的燃燒會導致蠟燭慢慢地變短，在實驗過程中，蠟燭燭焰的中心、凸透鏡中心和光屏中心不能時刻保持在同一高度上，部分教師就利用LED光源等替代蠟燭光源，使光源與凸透鏡中心、光屏中心始終保持在同一高度上，以便完成實驗。還有些教師往往在此時指導學生隨時調整三者的高度，保持共軸，學生手忙腳亂地調整高度，增加了實驗難度，往往影響學生的判斷。

以蠟燭作為探究凸透鏡成像規律的光源，雖然與LED光源等改進方案相比較，存在實驗過程中蠟燭慢慢燃燒變短的情況，會帶來觀察難度，但教師可以在蠟燭變短時引導學生進一步探究，激發學生的思維。

問題1：請同學們觀察蠟燭所成的像在光屏上的位置有什么變化？

問題2：蠟燭所成的像為什么不在屏幕的正中央？

問題3：蠟燭慢慢燃燒變短后，像的移動方向是什么？

教師通過提問學生，充分調動學生的積極性，使學生進一步觀察實驗現象，討論、猜想凸透鏡成像規律。學生帶著問題觀察實驗現象，發現當蠟燭慢慢燃燒變短，與凸透鏡、光屏沒有在同一高度上時，圖像不能完整地呈現在光屏上。蠟燭變短這個需要改進的實驗缺陷在教師的引導下變成更具有價值的教學探究，學生通過實驗進一步加深對凸透鏡成像規律的認識和理解。

二、抓住火焰搖擺的實際，幫助學生建構更深層次的認知

部分教師認為用蠟燭作為光源不易找準清晰的實像。一是因為蠟燭燭焰受不規律氣流影響，圖像不穩定，會出現往前、后、左、右不同方向搖擺的情況;二是因為蠟燭燭焰內焰比外焰要明亮許多，透過凸透鏡成像后，會在光屏上出現不清晰、不穩定的圖像。學生用肉眼很難判斷何時的圖像才是清晰的圖像，何時的圖像才是等大的圖像。雖然教師通過自制“F”字形的LED光源替代蠟燭燭焰，無論倒立還是正反、縮小還是放大，都可以完整地進行演示，效果非常明顯。但筆者認為這樣的實驗過程只是讓學生機械地得出實驗結論，并沒有讓學生親身經歷科學探究過程，沒有達到培養學生探究能力的目的。

建構主義教學理論認為，學生積極主動地建構的知識體系，比通過教師教學活動被動接受方法與程序所建立的知識體系，更具有穩定性和外延性。為此，教師可以抓住火焰搖擺的實際設置兩個小實驗，引導學生進行實驗探究，激發學生在不理想環境下對實驗現象做進一步的思考，使學生逐漸掌握研究物理問題的方法，促進學生主動建構與物理概念相關的知識體系，形成相關知識和技能，發展科學探究精神。

實驗1：一名學生向蠟燭吹氣，讓蠟燭前后搖擺，進一步感知物距與像距的變化規律?？梢缘贸觯何锞嘤绊懴窬?。

實驗2：一名學生向蠟燭吹氣，讓蠟燭左右搖擺，觀察燭焰傾斜的方向和燭焰的像之間的變化關系?？梢园l現：燭焰的像和燭焰傾斜的方向是相反的。

雖然學生之前學習了光的折射和凸透鏡的基礎知識，但是對于凸透鏡的成像規律缺乏深刻的認知，對于物距、焦距、像距之間的關系比較迷茫。如果用LED光源、COB光源等代替蠟燭進行探究實驗，雖然學生可以總結相關規律、掌握相關知識，但筆者認為這還是“填鴨”式的傳統教學，這本質上還是一種假探究，不屬于真探究。

通過這兩個實驗中的小實驗，改進實驗方案并動手做實驗，學生有更多發揮的空間，成為凸透鏡成像規律的“發現者”，成為課堂的“主人翁”，他們參與實驗的熱情會更高，能夠建構更深的認知。這樣教學雖然會花很多的時間，但通過教師創設的問題情境及學生之間的相互協助進行意義建構，學生深入分析實驗數據，歸納實驗結論，有效促進對新知識的同化、順應和遷移。

三、抓住蠟燭燃燒產生污染的實際，引導學生對實驗進行反思

部分教師認為燃燒的蠟燭在實驗過程中會產生液態的蠟流到實驗臺上，實驗結束后比較難清理，甚至有可能發生蠟燭傾倒在實驗臺上引發火災的現象，存在非常大的安全隱患。另外，實驗室多臺實驗桌同時進行實驗，蠟燭燃燒產生的煙霧較大，對空氣造成一定的污染。鑒于上述情況，教師在引導學生采用蠟燭作為光源進行實驗探究時，可以引導學生對實驗進行改進，減少上述情況帶來的負面影響。有學生提出如下改進方案。

改進方案1：在光具座下面放置一張草稿紙，收集滴落的蠟燭油。

改進方案2：改進光具座的結構，在蠟燭底座處設置一個可以移動的托盤，收集滴落的蠟燭油。

實驗室幾十臺實驗桌同時進行實驗，蠟燭的煙霧在教室中彌漫，空氣污染確實嚴重。教師引導學生提出解決方案，比較方案的優劣。

方案1：開窗通風。如果室外風較大，采用這個方案會加速教室內部的空氣流動，導致蠟燭燭焰更加不穩定，增加實驗的難度。

方案2：運用排風扇輔助換氣。相對于方案1，該方案更加符合實際需求。

教師抓住實驗污染的實際，在教學中給學生一些方向性的提示，引導學生提出解決方案，給學生營造寬松的思維空間和實踐空間，這是傳統的實驗教學中沒有的。學生在此過程中還會提出一些獨特的問題，避免探究活動的盲目性，迸發更多的思想火花。

在核心素養下，教師在教學中不僅僅是知識的傳播者，還要指導學生進行科學探究，引導學生經歷探究過程，尤其是讓學生形成探究的思路和找準探究的方向。核心素養理念下，物理實驗教學應該從理論出發，將理論與實踐相結合進行探究，以在實踐中培養學生的科學態度和科學思維。教師可以根據自身需要、學生的操作能力以及教學環境對方案進行合理選擇，引導學生經歷真正的科學探究過程，提升學生的綜合素質。與此同時，在物理實驗的設計過程中，教師要根據教材內容，對實驗器材的選擇、物理實驗方法的應用進行全面考慮，讓學生親自動手、親身經歷。

在“探究凸透鏡成像的規律”實驗中，教師可以巧妙運用以蠟燭作為光源存在的缺陷與不足，在實驗過程中放慢教學節奏，引導學生多次觀察實驗現象，分析、解決實驗中出現的問題，歸納實驗結論，變劣勢為優勢，培養學生的科學探究精神、實驗精神，提升學生的物理學科核心素養，為學生的成長、成才奠定堅實的基礎。

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作者簡介：黃秋妮（1979— ），女，廣西北流人，一級教師，大學本科學歷，研究方向：初中物理教學。

（責編 劉小瑗）