小孔成像演示儀的創新改進

摘 要：傳統小孔成像實驗存在光源不穩定、現象不明顯、探究結果單一的弊端，不利于學習活動的深入。本文利用身邊常見物品，創新改進小孔成像演示儀，有效地解決了傳統器材存在的問題，并利用自制器材優化實驗設計，豐富了小孔成像實驗的探究性。

關鍵詞：深度學習；自制光學教具；小孔成像

實驗是培養學生物理核心素養的重要載體，而實驗探究離不開實驗儀器。雖然目前中學實驗室配備了相應的實驗儀器，但都是工廠統一生產的商品，這些儀器千篇一律，很難滿足個性化的教學需求。古語云：“工欲善其事，必先利其器。”自制教具取材簡單，貼近學生的日常生活，更能吸引學生的注意力，增強學生的好奇心。教師合理開發自制教具，能優化教學活動的設計，有效地為學生鋪設探究之路，促使學生勇于探究，自主構建知識結構，發展核心素養。

“小孔成像”是初中光學學習中首次提出成像概念及其成像特點的實驗，為后續學習光學成像知識做鋪墊。但由于傳統實驗器材的局限性，教師在課堂教學中缺乏對小孔成像進行深度探究。

1 傳統小孔成像實驗的不足

傳統教學中通常采用圖1所示的演示教具進行實驗，以蠟燭作為光源，讓蠟燭發出的光通過小孔在光屏上成倒立的像。該實驗儀器能夠簡單地演示小孔成像現象，但是實驗結果單一，無法全面揭示小孔成像的規律，探究性不強。此外，教室環境光線較亮，光屏上的像太暗、模糊，實驗現象可視性較低。［1］

2 教具改進創新

筆者設計了一款實驗現象明顯、操作靈活且簡單的小孔成像演示儀。它既可以滿足教師的演示需求，同時也能吸引學生的注意力，激發學生的學習潛能，提高學生的課堂參與度，進而使學生的學習方式由被動接受轉變為主動探究，從而提升學生的思維深度。改進后的小孔成像演示儀由插卡式可變光源、磁吸式變換小孔和暗箱光屏三部分組成。

2.1 改進光源：插卡式可變光源

針對簡易小孔成像裝置中存在的光源單一、無法多次改變光源形狀、無法探尋普遍規律等問題，筆者設計了可變換不同形狀的插卡式光源。

該光源主體選擇的是LED平板攝影補光燈，長17cm，寬12cm，由三腳架支撐。LED補光燈由高亮燈珠組成，光源大、燈光亮度高、穩定性好，有效地解決了傳統實驗中的蠟燭燭焰亮度不夠、光源不穩定、成像較暗、不易觀察等問題。將高亮度補光燈放置在由黑色雪弗板做成的盒子里，盒子兩面開孔，光源面開大孔，盒子上方開長方形卡槽，便于放入不同形狀的黑色卡紙，閉合開關，便可獲得不同形狀的光源（如圖2所示）。

2.2 改進小孔：磁吸式可變小孔

用硬紙板做一個長方體盒子，兩端開孔，一端紙板邊緣粘貼兩個強磁鐵，作為磁吸盤。制作大孔和小孔卡紙，其中邊長4cm的“△”形、邊長4cm的“□”形和直徑5cm的“○”形大孔各一個，邊長0.5cm的“△”形、邊長0.5 cm的“□”形和直徑0.5cm的“○”形小孔各一個，在開有孔的卡紙上粘貼一個小強磁鐵，方便拆卸變換卡紙，改變孔的形狀和大小（如圖3所示）。

2.3 改進光屏：暗箱光屏

用雪弗板制作寬20cm、長30cm、高20cm的暗箱。在中間開有卡槽，用紅色透明薄塑料板作為光屏，將其插入雪弗板暗箱中，使光屏處于較暗的環境中，以便觀察更明顯的像，彌補教室環境下光線較亮導致成像不清晰的不足。暗箱光屏盒如圖4所示。

自制教具越簡單，學生越容易理解實驗本質。綜上，小孔成像演示儀由三個獨立部分組成，而不是在一個整體的暗箱中。這樣便于學生觀察實驗儀器，降低了實驗器材的神秘感。將小孔成像演示儀的三部分整體放在可旋轉的展示盤上，可以實現360°旋轉，使班級里的學生從各個角度都能看得到清晰的實驗現象。

3 應用自制教具優化實驗教學

3.1 探究大小不同的孔形成的像

將黑色“”形卡紙插入光源盒卡槽內，打開光源，獲得“”形光源；在磁吸盤上放入直徑為5cm的“○”形大孔，讓光源的光穿過“○”形大孔，此時光屏上呈現“○”形光斑。接著依次換上邊長為5cm的“□”形大孔和邊長為5cm的“△”形大孔，重復實驗，觀察光屏上的光斑，這便是“大孔成斑”現象。三次實驗得到“大孔成斑”現象如圖5中（a）（b）（c）所示。

學生在本節內容學習前，已經對光通過“大孔成斑”這一現象有所了解，當前實驗現象符合學生的原有概念。接著，教師用另一張黑色卡紙逐漸遮擋“△”形大孔，使“△”形大孔的孔徑逐漸減小。學生能夠觀察到光屏上“△”形光斑逐漸變小；且隨著“△”形孔的變小，光源各個部分的光都在光屏上形成一個小“△”形光斑。這些光斑相互疊加，最終組合形成與光源相同形狀的像，這便是“小孔成像”現象。

在大孔變小孔的過程中，學生可以觀察到光斑從重疊到分離，從不成像到成像的連續動態變化過程。教師利用實驗為學生呈現意想不到的“小孔成像”現象，形成與原有概念的沖突，挑戰學生的認知方式，使學生產生了強烈的探究欲望。

3.2 探究不同形狀光源所成的像

在小孔磁吸盤上放置直徑為0.5cm的“○”形小孔；保持孔的形狀和大小不變，將“”形卡紙插入光源盒卡槽內，閉合開關，調節光源與小孔和光屏的位置，直至光屏上出現清晰的像。更換光源盒卡紙形狀，依次將“”“F”“”形卡紙插入卡槽內，獲得不同形狀的光源，重復實驗。利用不同形狀的光源得到的小孔成像現象如圖6中（a）（b）（c）所示。

利用上述教具開展探究活動，不僅提高了實驗的探究性，還增強了學生的動手能力，同時也有效促進了學生思維上的深度參與。豐富的實驗活動有利于學生尋找共性規律，豐富學生的整體感知，還進一步激發學生對現象的觀察和對物理知識的思考與理解，使學生親身體驗到科學探究的樂趣。

3.3 探究不同形狀小孔所成的像

將光源的形狀固定為“”形，在磁吸盤上放置“○”形小孔，閉合光源開關，觀察像的形狀。依次更換小孔形狀為“□”形和“△”形，重復上述實驗，觀察實驗現象。

3.4 探究小孔成像與物距、像距的關系將光源的形狀固定為“”形，調節小孔和光屏的位置，使像清晰地呈現在光屏上。保持光源到小孔的距離（物距）不變，改變光屏到小孔的距離（像距），觀察小孔所成的像的大小與亮度變化，以此探究小孔成像特點與像距的關系；保持光屏到小孔的距離不變，改變光源到小孔的距離，觀察小孔所成的像的大小與亮度變化，以此探究小孔成像特點與物距的關系。

改進后的實驗探究實現了變復雜的理論知識為直觀明顯的實驗現象，使知識變得簡單有趣，有效地避免了學生的死記硬背、生搬硬套，激發了學生的物理學習熱情。［2］

3.5 模擬樹蔭下太陽的光斑

晴朗天氣樹蔭下的地面出現了一個個圓形光斑。利用自制的小孔成像演示儀便可以模擬這一現象，將現實生活情景搬進課堂，實現情景再現。

將“○”形黑卡紙插入光源盒卡槽內，打開光源便可獲得一個形似太陽的圓形光源。在黑卡紙上戳多個小孔，模擬樹葉縫隙，將其吸在磁吸盤上，調整光屏位置，使光屏上呈現清晰的像，即為我們看到的地上的圓形光斑（如圖7所示）。

再用一個圓形黑卡紙緩慢遮住部分“○”形光源，模擬日食，便可獲得日食情境下的太陽通過小孔所成的像（如圖8所示）。

4 總結

改進后的小孔成像演示儀彌補了原有裝置現象單一、成像效果差的缺點，不僅可以靈活改變光源、小孔的形狀和大小，還可以模擬真實情境。實驗探究離不開科學、直觀且易于操作的教具。通過對教具的改進，能提高探究的可視性，增加實驗的可操作性，深化學生學習過程中的體驗和參與感，發展學生的物理學科核心素養。

參考文獻

［1］程榮貴. 自制小孔成像演示器［J］. 物理教師，2018，39（11）：46-47．

［2］岳曉婷. 基于深度學習的教學設計與實踐——以“小孔成像”的教學為例［J］. 物理教學，2021，43（4）：18-20．