從基于經驗到基于證據的物理可視化教學實踐研究
——以“探究凸透鏡成像規律”為例

宋 勇

（安徽省蚌埠市教育科學研究所，安徽 蚌埠 233000）

“探究凸透鏡成像規律”是初中物理一節重要的實驗探究課，在《義務教育物理課程標準》（2011年版）“科學內容”中的要求是：“探究并知道凸透鏡成像的規律”.該實驗在實際教學中往往有不同的設計方案，以下具體分析3種方案.

方案1：非開放環境下給定物距的分組探究.

該方案將學生分成若干組，所用透鏡的焦距均相同，每組探究一組條件相同的物距，如第1組探究物距都是大于2倍焦距的情況，第2組探究物距都是大于1倍焦距小于2倍焦距的情況，第3組探究物距都是小于1倍焦距的情況，還可以讓另兩組分別探究物距等于2倍焦距或1倍焦距，每組學生在探究之后，教師將各組數據放在一起進行歸納總結，得出在不同物距下成像的不同結論.這種方案在常規教學中被經常使用，是因為這種教學比較簡單快速，在有限的教學時間內，比較容易得出實驗的結論.

然而，這種教學的問題在于：學生如何知道1倍焦距和2倍焦距是凸透鏡成像的重要分界點？也就是說，1倍焦距和2倍焦距是教師基于自己的“經驗”給學生的兩個特殊值，這兩個特殊值對學生來說不是通過探究發現的.因此，這種方案其實是在一種非開放環境下的基于教師經驗的探究，是一種偽探究.長期以來，這種探究模式一直在一些課堂出現，這種教學不僅不能提高學生的探究能力，更會讓學生覺得，找幾個特殊值就可以得到普遍的規律，顯然，這種設計違背了科學探究的實質.安徽省2008年的中考實驗題就是針對這種教學進行的一種糾偏.

例題.（2008年安徽省中考物理試題）我們都做過“探究凸透鏡成像規律”的實驗，圖1所示為該實驗的裝置圖.實驗時首先利用太陽光測出所使用的凸透鏡的焦距f.請你認真思考下面的4種實驗設計方案后，回答問題：

圖1

（甲）分別把點燃的蠟燭放在1倍焦距f和2倍焦距2f處，調整光屏到凸透鏡的距離，觀察并記錄在屏上能否成像以及所成像的特點，分析總結得出凸透鏡成像的規律.

（乙）除甲中的做法外，還應該把蠟燭放在大于2f的某一位置和大于f、小于2f的某一位置，觀察并記錄對應的成像情況，才能總結得出凸透鏡成像的規律.

（丙）把點燃的蠟燭從距凸透鏡較遠的位置逐漸移近（或從較近的位置逐漸遠離），通過不斷調整光屏到凸透鏡的距離，觀察并記錄在屏上能否成像，以及所成像的特點，包括觀察所成像隨燭焰位置變化而變化的趨勢，尤其是在f和2f處所成像的情況，從而總結得出凸透鏡成像的規律.

（丁）與丙不同的是，將蠟燭從靠近凸透鏡的位置逐漸遠離，其它步驟相同.

以上4種方案中，哪些是科學合理的：________（選填“甲”、“乙”、“丙”、“丁”）.

評析：本題的甲、乙兩個選項提供了兩種通過特殊物距值的成像特點得到一般成像規律的錯誤做法.顯然，本題所要倡導的是在比較開放的環境下，讓學生從盡可能多的實驗數據中主動發現規律，而通過試題考查的形式，不僅能甄別學生科學探究能力的強弱，更能折射出在實際教學中是否存在基于經驗的偽探究模式.

方案2：傳統的數據收集方式下的開放式探究.

該方案采用開放探究的方式，即不對物距大小做要求，實驗之前布置學生利用提供的實驗器材進行一次實驗，物距由學生自己任意選擇，實驗中觀察得到一次凸透鏡成像的結論，記錄物距和像距，觀察像的特點.由于沒有對物距作出要求，故該探究是一種相對開放的環境，全班學生在各自選取的物距條件下完成成像實驗，得到的數據也包含了各種物距下的成像規律.教師通過學生匯報和數據展示，將全體學生的結論進行歸納總結，從而得出凸透鏡成像的規律.

這種方案是在一種比較開放的環境下進行的，由于全班學生都參與了實驗，得到的數據也較為完整.該方案沒有采用經驗主義下對2倍焦距和1倍焦距的提前設置，學生通過分析整個數據得到1倍焦距和2倍焦距是凸透鏡成像的兩個重要分界點，進而得到凸透鏡成像的規律.然而，這種方案也存在一些問題，比如，每位學生只進行了1次或2次實驗，沒有完整地進行凸透鏡成像的多次實驗，故對實驗規律的認識是相對片面的.只有將所有學生的結論綜合起來，才可以發現規律，因此，本方案更側重小組間在數據上的共享，在共享中發現規律.

在《義務教育物理課程標準》（2011年版）的“科學探究實例”中，也給出了一種類似的探究方案：課堂上，全班學生分成了12個實驗小組，每個小組配一套實驗器材，各小組凸透鏡的焦距都是15cm，教師讓全班學生共同探究凸透鏡成像的規律，物距從6cm開始，每增加3cm取一組實驗數據，直到39cm，共12組不同物距的數據（見表1）.教師規定每個小組只測兩組數據，不同小組測量不同的物距，使得每組物距的數據都有2個小組測量.表格中所有數據對各小組來說都是共享的，教師要求學生從這些數據中總結出凸透鏡成像的規律，這是本次探究活動的重點.

表1

對以上方案，筆者覺得，其中仍滲透了教師的經驗主義，比如物距從6cm開始，每增加3cm取一組實驗數據，直到39cm.這種對物距的規定，限制了學生的探究空間，學生會思考為什么不能是小于6cm的物距，為什么要增加3cm取一組數據.這些都使本方案的探究環境不是完全的開放，又因為是采用傳統手段對學生的實驗數據進行收集和整理，故也影響了實驗數據的完整性.

方案3：大數據背景下基于證據的全面探究.

本方案是在智慧課堂模式下基于大數據的一種探究，具體方案是：將全班學生每兩人作為一組，每組所用凸透鏡的焦距有所不同，每組學生利用本組透鏡進行多組物距下凸透鏡成像的實驗，記錄物距、像距及成像的特點，各組學生將本組實驗的數據通過PAD發送到教師所用的終端設備，教師在終端設備上收集全班同學的實驗數據，形成本次實驗探究的“大數據”，并運用Excel軟件將所有實驗數據進行分類處理，幫助學生主動發現凸透鏡成像的規律.

從表2中的數據可知，該組同學使用的凸透鏡焦距是8cm，共進行了6次成像實驗的數據記錄，表3為另一組同學使用焦距為10cm的凸透鏡實驗的結果.

表2 利用焦距為8cm的凸透鏡記錄的實驗數據

表3 利用焦距為10cm的凸透鏡所記錄的實驗數據

各組同學將本組的實驗數據都發送到教師使用的終端后，就形成了不同焦距的凸透鏡在各種物距下的成像記錄“大數據”（約300組），表4為其中的一部分數據.

表4 全體學生利用不同焦距的凸透鏡所記錄的實驗數據（部分）

教師運用Excel表格里的排序功能進行不同的處理，可以更完整地呈現凸透鏡成像的規律，在實際操作中，筆者重點做了以下兩種分析：（1）分析焦距相同的成像數據，引導學生發現規律，而且，學生發現不同焦距的凸透鏡都有相同的規律，使探究更具一般性；（2）物距相同時，隨著焦距的不同，成像特點也會有所不同（部分數據見表5），幫助學生理解物距并不是決定成像特點的因素，物距與焦距的關系才是決定成像特點的因素.這些數據還可以提供給學生深度學習，比如可以探究相同焦距的凸透鏡成像時，物距與像距的關系，不同焦距的凸透鏡成像時，該關系有何變化，利用Excel軟件還可以作出圖像進行比較（如圖2）.

表5 將全體學生的數據按物距排序后的實驗數據（部分）

圖2 不同焦距下物距與像距的關系圖像

以上探究方案的優點是：（1）學生所用的凸透鏡焦距不是唯一的，使實驗更具普遍性；（2）每組學生都利用本組凸透鏡進行了多次實驗，使每組的探究更全面；（3）全班學生的所有實驗數據形成本次實驗探究的“大數據”，使實驗的樣本更全面，通過對大數據的處理，便于學生發現普遍規律.顯然，這是一種基于證據的實驗探究，在大數據的支持下，也培養了學生的數據意識和證據意識.

通過第3種方案可以看出，運用智慧教學設備可以將學生的實驗數據形成課堂教學的“大數據”，通過信息技術的手段將“大數據”進行處理，可以讓規律更全面地呈現出來，從而實現科學探究的可視化.物理是一門以實驗為主的學科，實驗教學一定是要是可見的，規律的呈現也一定是能“看得見”的，在信息技術手段的支持下，物理教學應該更具有可視性，基于證據的物理教學也必將取代基于經驗的物理教學.