基于發展學生物理核心素養的實驗創新設計
—— 以“探究凸透鏡的成像規律”為例

文∣李卉晶

“學生發展核心素養”的提出，是全面貫徹黨的教育方針、落實立德樹人根本任務的一項重要舉措。要發展學生的核心素養，除了要豐富課程內容以滿足學生個性發展的需求外，更要設計合理的教學方案;教師是課堂的主導者，教師的教學方式很大程度上影響著學生的學習方式，從而影響學生各方面能力與思維的培養。因此，教師需要不斷地將教學方法進行改進與創新，更好地發揮引導作用，進而培養學生的核心素養。

物理學科核心素養是學生科學核心素養的重要構成，為學生的終身發展奠定基礎，是學生在接受物理教育過程中逐步形成的適應個人終身發展和社會發展需要的必備品格和關鍵能力。[1]“如何發展學生的物理學科核心素養”是每一名物理教師必須學習的課題，其中物理實驗在物理教學中有著不可或缺的地位，對于培養學生物理核心素養有著重要作用。因此，如何在物理實驗課中落實核心素養的培養也是我們要研究的重要課題。

目前教師在物理實驗教學方面面臨著諸多難題。由于很多物理實驗“難”,實驗現象不明顯或實驗不易成功，學生對物理實驗興趣不高，出現畏難心理；由于應試教育的影響，以往很多教師用“練習”代替“學生實驗操作”，用“播放實驗視頻”代替“演示實驗”，導致學生動手能力差，缺乏科學探究的方法。筆者認為，解決這些問題的最有效途徑就是對傳統的物理實驗進行創新設計，加強物理實驗與生活的聯系，培養學生對物理實驗的興趣；設計創新實驗器材，有效降低實驗難度，合理制訂實驗計劃有利于學生在實驗中培養科學思維，掌握科學探究的方法，發展物理核心素養。

下面筆者以粵教滬科版初中物理八年級上冊“探究凸透鏡的成像規律”實驗教學為例，從科學探究的幾個步驟，即“提出問題”“猜想與假設”“設計實驗與制訂計劃”“進行實驗與收集證據”和“分析與論證”五個方面來探究在實驗教學中進行創新的具體方法。

一、提出問題

以往很多教師在講授“探究凸透鏡的成像規律”一課時，課堂引入都是讓學生用凸透鏡觀察物體，分別找到正立放大的像(如圖1所示)、倒立放大的像(如圖2所示)和倒立縮小的像(如圖3所示)，進而引導學生提出問題“凸透鏡成像情況與哪些因素有關”。這個引入設計很合理自然，但在實際課堂中很多學生只能找到正立放大的像。因為實驗室的凸透鏡直徑較小且焦距較長，需要比較準確地同時調節好合適物距和像距才能看到相應的像，且學生對凸透鏡成像比較陌生，只對放大鏡的使用比較熟悉，因此不容易找到倒立放大的像，要找到倒立縮小的像就更難了。

圖1

圖2

圖3

也有一些教師利用實驗室的凸透鏡進行演示實驗，但是由于成像太小而無法讓全班學生看清楚這三種成像的情況，不能很自然地引導學生提出問題并進行合理的猜想。

為解決此問題，筆者用廢舊的水晶球音樂盒簡單改造后得到一個透明水球(如圖4所示)，用于代替實驗室的凸透鏡進行演示實驗。制作一個雙色箭頭圖案作為被觀察物體(如圖4所示)，教師通過由大到小改變物距，進行演示實驗，讓學生清晰地觀察倒立縮小的像(如圖5所示)、倒立放大的像(如圖6所示)和正立放大的像(如圖7所示)。

圖4

圖5

圖6

圖7

這樣設計課堂引入將生活中的常見物品進行改造利用，做法新奇有趣，成功引起學生的注意。教學現象清晰明顯，便于學生觀察，合理自然地讓學生產生疑問：“為什么會出現這么多不同的像？”然后教師提出問題：“凸透鏡成像情況與哪些因素有關？”學生還可以通過觀察教師具體操作(由大到小改變了物距)合理地作出猜想：“凸透鏡的成像情況與物距有關”，自然銜接下一個實驗步驟。

二、猜想與假設

凸透鏡的成像情況不僅與物距有關，還與凸透鏡的焦距有關。但對于“凸透鏡的成像情況可能與凸透鏡的焦距有關”這一猜想，若教師不利用實驗現象啟發學生，學生很難作出這一猜想。對此，以往很多教師的做法是讓學生用兩個焦距不同的凸透鏡并排放置(如圖8所示)，然后學生透過兩個凸透鏡分別去觀察同一物體，但實驗現象并不明顯。

圖8

筆者采用兩個大小不同的透明水球代替兩個凸透鏡，在課堂上進行演示實驗：保持物距不變時，學生透過大水球看到的是倒立放大的像(如圖9所示)，透過小水球看到的是倒立縮小的像(如圖10所示)，現象十分明顯，啟發學生作出猜想：“凸透鏡的成像情況可能與凸透鏡的焦距有關?！?/p>

三、設計實驗與制訂計劃

對實驗計劃進行創新能有效降低實驗難度，激發學生對實驗的探究興趣，使學生形成積極主動的探究態度；讓學生更加順利地進行實驗并得出正確的結論，更好地培養學生的實驗操作能力和團結合作的精神?！疤骄客雇哥R的成像規律”實驗計劃的創新包括以下兩個方面。

(一)實驗裝置創新

1.光源的改進

圖11

2.光具座標尺的改進

以中間位置為零刻度線，實驗時使凸透鏡對準零刻度線，就可以直接讀出物距與像距，不僅大大縮短實驗時間，而且能夠啟發學生實驗時應該記錄哪些實驗數據。另外，把教師用的光具座做成雙面標尺并把字體放大，方便用于演示實驗(如圖12所示)。

3.光屏的改進

光屏用印有格子的白紙做成，且格子大小與光源板上的格子大小一致(如圖12所示)，便于觀察對比像的大小(放大/等大/縮小)。

圖12

(二)實驗計劃創新

教材中直接給出三種成像情況，讓學生按照圖片所示完成實驗；記錄數據時只要求記錄物距u與焦距f的關系(如圖13所示)，實驗操作較單一，缺少了探究性和趣味性，學生沒有經歷科學探究的過程，不能很好地接受最終得出的凸透鏡成像規律，也不能通過實驗探究知道：當凸透鏡成像時，像距、像的大小隨物距變化的定性關系。

(a)u>2f b)2f>u>f (c)u

物距u跟焦距f的關系像的大小像的正倒像的虛實

在進行創新實驗教學時，不指定光源位置，根據前面的演示實驗啟發學生從大到小改變物距，分別找出演示實驗中的三種成像情況并記錄下來。教師把全班學生分成10個小組，5個小組用焦距為10 cm的凸透鏡進行探究實驗，其余5個小組用焦距為15 cm的凸透鏡進行探究實驗。學生不在實驗表格中不直接記錄物距與焦距的關系，而是改為記錄具體的焦距和物距。通過這樣引導學生設計實驗，讓學生明白實驗研究什么和怎樣研究，實驗時該觀察什么、測量什么、記錄什么，[2]進而培養學生的科學思維和科學探究能力。

四、進行實驗與收集證據

由于課堂時間有限，以往學生實驗一般會進行3—5次，但在“探究凸透鏡的成像規律”的實驗中，3—5組的實驗數據并不能體現規律，學生無法順利地從中總結出實驗規律。

筆者利用金山文檔的協作功能在線收集全部小組的數據(在線收集數據適用于平板班，普通班級可以派小組長將數據輸入電腦)，收集大量的實驗數據能使結論更具有說服力，而且還將信息技術融入實驗課堂中，使實驗準確高效，同時還培養了學生的團隊合作精神。

五、分析與論證

教師通過在線Excel表格收集得到的數據量大(如表1所示)，學生不容易分析得出規律。

表1 利用金山文檔的協作功能在線收集到的全部小組的實驗數據

所以，教師要利用Excel表格的排序功能，將數據分成兩組按照物距從大到小重新排序，得到如表2所示的表格。

表2 排序后的實驗數據

學生通過小組討論交流，能夠很容易發現“當物距在一定的范圍內時，所成的像的性質是相同的”，進而總結出每一種像對應的物距范圍和像距范圍，得到初步的凸透鏡成像規律，如表3所示。

表3 初步的凸透鏡成像規律

然后教師再引導學生觀察表3，發現問題，進一步探究，得到完整的凸透鏡成像規律，如表4所示。

表4 完整的凸透鏡成像規律