李國榕 鄧楚楚 張念依 林琪 林林 葉晴瑩

摘? ?要：在物理教學(xué)過程中，應(yīng)適時(shí)滲透傳統(tǒng)文化的魅力，同時(shí)應(yīng)注重學(xué)生的實(shí)踐與體驗(yàn)。以透鏡成像教學(xué)設(shè)計(jì)為例，引入“美人杯”的神奇現(xiàn)象，引導(dǎo)學(xué)生利用理論知識(shí)探究原理、解釋現(xiàn)象，并鼓勵(lì)學(xué)生自己動(dòng)手制作美人杯，將理論知識(shí)運(yùn)用于實(shí)際。

關(guān)鍵詞：美人杯;透鏡成像;物理教學(xué)

引言

初中生對(duì)物理知識(shí)的學(xué)習(xí)更注重基礎(chǔ)，教師在教學(xué)過程中要側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在教學(xué)中，教師可以通過滲透傳統(tǒng)文化、展示歷史文物、創(chuàng)設(shè)物理情景、開設(shè)創(chuàng)新科技小制作等方式，讓學(xué)生了解物理文化，欣賞物理成就，領(lǐng)會(huì)科學(xué)精神，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣[ 1 ]。中國傳統(tǒng)文化中有著大量經(jīng)典物理學(xué)的應(yīng)用，但是我們往往在教學(xué)中忽略了它們。如何充分發(fā)掘這一寶藏，并在教學(xué)中 適時(shí)滲透傳統(tǒng)文化，成為一個(gè)值得深入研究的課題。

當(dāng)前教育要求學(xué)生在初中物理學(xué)習(xí)中能夠形成物理知識(shí)結(jié)構(gòu)，具備基本的物理實(shí)驗(yàn)分析、設(shè)計(jì)和物理模型構(gòu)建的能力[ 2 ]。人教版八年級(jí)物理教材“凸透鏡的成像規(guī)律”這節(jié)內(nèi)容是初中物理的重點(diǎn)內(nèi)容之一，教學(xué)中發(fā)現(xiàn)很多學(xué)生對(duì)于這一知識(shí)的理解較為生硬，難以活學(xué)活用。因此，學(xué)習(xí)完透鏡的成像規(guī)律之后，部分學(xué)生常常陷于知識(shí)點(diǎn)繁復(fù)混亂之中。為了讓學(xué)生充分理解這部分知識(shí)，并應(yīng)用生活之中，在凹、凸透鏡成像知識(shí)點(diǎn)教學(xué)完成之后，我們?cè)O(shè)置了一節(jié)探究課，將透鏡成像規(guī)律作為研究重點(diǎn)，拓展課程內(nèi)容，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生在鞏固物理知識(shí)的同時(shí)，體會(huì)傳統(tǒng)文化的魅力。

1? 教學(xué)過程設(shè)計(jì)

1.1? 實(shí)物展示，激發(fā)興趣

首先，教師先向?qū)W生展示一個(gè)杯子——美人杯的實(shí)物（如圖1），并向?qū)W生介紹美人杯的歷史：這種杯子的歷史記錄最早見于我國明代時(shí)期，相傳得到杯子的人每次飲酒都有美人相伴。但是，由于制作技藝沒有傳承下來，美人杯逐漸從歷史上消失了。專家們?cè)啻螄L試復(fù)原美人杯，卻都失敗了。1981年，四川省東方瓷廠的專家根據(jù)一只出土的美人杯，經(jīng)多次試驗(yàn)后仿制成功[ 3 ]。接著，教師引導(dǎo)學(xué)生觀察杯子的外觀特點(diǎn)：杯子的造型與普通的酒杯非常相似——這看似尋常的杯子卻被冠以“美人”的稱呼，必然會(huì)引起學(xué)生的疑問：美人杯？用這杯子喝酒會(huì)有美人相伴？學(xué)生好奇心被迅速提了起來。

而后，教師引導(dǎo)同學(xué)們仔細(xì)觀察杯子的內(nèi)部，大家就會(huì)發(fā)現(xiàn)這個(gè)杯子與眾不同的地方：它的杯心有一塊凸起的玻璃（如圖2）。這一階段的學(xué)生剛學(xué)習(xí)完透鏡成像，因此他們可以迅速反應(yīng)出來，這是一塊凸透鏡！

教師此時(shí)向?qū)W生展示美人杯注水后的圖（如圖3），學(xué)生嘩然：原來注入水后，杯心那塊凸起的玻璃處顯現(xiàn)出了一幅美人的圖樣！學(xué)生恍然大悟：原來美人杯的“美人”在這里！但同時(shí)，學(xué)生又有了新的疑惑：為什么注水之后才會(huì)顯示出美人的圖樣，注水之前卻沒有呢？

1.2? 層層深入，引發(fā)思考

此時(shí)教師把課堂交給學(xué)生，讓學(xué)生分小組自由討論，鼓勵(lì)學(xué)生提出自己想法，討論美人杯中可能存在的“玄機(jī)”。學(xué)生紛紛猜測“美人”的位置：有的猜測“美人”藏在凸起的玻璃中，有的猜測“美人”藏在杯底。

當(dāng)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)被充分調(diào)動(dòng)，有強(qiáng)烈的求知欲時(shí)，教師向?qū)W生展示美人杯的內(nèi)部構(gòu)造示意圖（如圖4）：其實(shí)“美人”并不是憑空出現(xiàn)，而是原本就藏在杯心凸起的玻璃下方的夾層中。

此時(shí)，教師向?qū)W生提出兩個(gè)問題讓學(xué)生思考討論：

（1）為什么在美人圖樣上加個(gè)凸透鏡就能使美人“消失”？

（2）注水后為何美人圖樣能顯現(xiàn)出來？

由于剛學(xué)習(xí)完透鏡的知識(shí)，學(xué)生便會(huì)聯(lián)想到凸透鏡的成像的原理，教師可請(qǐng)學(xué)生自行總結(jié)一下凸透鏡的成像規(guī)律，完成表1的填寫。

完成表格填寫后，教師引導(dǎo)學(xué)生思考杯子不注水時(shí)看不見“美人”的原理。

一些學(xué)生審視表1后發(fā)現(xiàn)，表1中u=f 時(shí)的“不成像”可以與美人“消失”聯(lián)系起來，于是大膽推測：美人的圖案剛好位于凸透鏡的一倍焦距處，此時(shí)美人是無法成像的。這也就解釋了問題（1）：為什么在美人圖案上加個(gè)透鏡就能使美人“消失”。對(duì)于能夠發(fā)現(xiàn)問題的學(xué)生教師要對(duì)他們給予肯定與表揚(yáng)，沒發(fā)現(xiàn)其中規(guī)律的學(xué)生教師也要耐心引導(dǎo)。此時(shí)，教師可讓學(xué)生畫出光路圖（如圖5）。

至于問題（2），教師可引導(dǎo)學(xué)生觀察“美人”——也就是“像”所處的位置。觀察發(fā)現(xiàn)“美人像”處于透鏡的下方，即像與物在透鏡的同側(cè)，說明“美人像”很可能是一個(gè)虛像。這與學(xué)生原有的認(rèn)知產(chǎn)生了沖突：凸透鏡鑲嵌在杯中，與杯底美人圖案的距離是不變的，既然上面分析出透鏡與美人圖案的距離是u=f，那注水之后怎么又成像了呢？

就在學(xué)生陷入困惑之時(shí)，教師幫學(xué)生指出一條“新路”：向?qū)W生展示出注水后的美人杯內(nèi)部構(gòu)造示意圖（如圖6）。這時(shí)細(xì)心的同學(xué)可能就發(fā)現(xiàn)，注入水后，由于水的存在，凸透鏡上方的凸起部分被水“填充”了，使雙凸透鏡變成的平凸透鏡。

教師可對(duì)發(fā)現(xiàn)此現(xiàn)象的學(xué)生予以表揚(yáng)鼓勵(lì)。隨后教師向?qū)W生簡單的介紹平凸透鏡與雙凸透鏡的區(qū)別：對(duì)于雙凸透鏡，若其中有一側(cè)被用與透鏡同種材料的玻璃填平，則變?yōu)椤捌酵雇哥R”（即透鏡一側(cè)的曲率半徑變?yōu)闊o窮大），可理解為該凸透鏡對(duì)光的折射能力減弱了，從而導(dǎo)致了該凸透鏡的焦距變長[ 4 ]。若考慮到水的折射率小于玻璃的折射率，該“平凸透鏡”（如圖6）的焦距將介于被用與透鏡同種材料的玻璃填平的平凸透鏡的焦距與雙凸透鏡的焦距之間[ 5 ]。鑒于初中學(xué)生的知識(shí)儲(chǔ)備，這一點(diǎn)在介紹中可忽略。若部分學(xué)生對(duì)深入了解有強(qiáng)烈的求知欲，教師可在課后輔導(dǎo)中向?qū)W生介紹透鏡焦距計(jì)算的詳細(xì)公式[ 6 ]。

接下來就是學(xué)生探索真相的關(guān)鍵時(shí)刻：水的注入使透鏡焦距增大，教師可讓學(xué)生畫出注入水后的美人杯光路圖（如圖7）。畫出光路圖后，學(xué)生的疑惑解開了：由于美人圖樣的位置沒有改變，而凸透鏡的焦點(diǎn)從圖7中的F點(diǎn)變?yōu)镕1點(diǎn)，從而使美人圖樣處于平凸透鏡一倍焦距以內(nèi)，因此“美人”成放大、正立的虛像。

1.3? 實(shí)物復(fù)原，加強(qiáng)認(rèn)識(shí)

分析完美人杯的原理后，教師可以讓學(xué)生開展分組實(shí)驗(yàn)，自發(fā)討論實(shí)驗(yàn)步驟，親自動(dòng)手做一個(gè)“簡易美人杯”。實(shí)驗(yàn)材料如下：塑料杯兩個(gè)（可使用小果凍盒代替）、毫米刻度尺，凸透鏡一個(gè)（焦距13 mm）、小圖案一張、膠水、小刀、熱熔膠若干。

通過課堂教學(xué)發(fā)現(xiàn)，學(xué)生經(jīng)過上述的深入學(xué)習(xí)后，大部分小組可以完成“簡易美人杯”的制作（如圖8），少數(shù)動(dòng)手能力較弱的學(xué)生，在教師的引導(dǎo)和同學(xué)的幫助下，亦可完成制作。

制作方法如下：

（1）將小圖案用膠水貼于塑料杯“2”的底部;

（2）在塑料杯“1”的底用小刀挖出一個(gè)跟凸透鏡相差不大的圓孔;

（3）用熱熔膠將凸透鏡固定在塑料杯“1”杯底的圓孔處;

（4）最后將兩杯疊起用刻度尺量出杯底之間的高度差（高度差應(yīng)為凸透鏡的焦距），并用熱熔膠固定。

學(xué)生對(duì)簡易美人杯的制作很感興趣。制作完成后，學(xué)生們互相對(duì)比誰做的美人杯在注水之前能夠完全不顯示“美人”圖案（如圖9），注入水后能清晰的顯示“美人”圖案（如圖10）。同時(shí)，學(xué)生在杯中注水后，可以清楚地觀測到“美人像”是正立、放大的，這與課程中推導(dǎo)的結(jié)論完全相符！該實(shí)驗(yàn)充分讓學(xué)生體會(huì)到邏輯推理與實(shí)驗(yàn)操作之間的完美契合，并讓學(xué)生享受到成功的喜悅。

在實(shí)驗(yàn)過程中，有的學(xué)生制作的“美人杯”在注水后無法出現(xiàn)清晰的美人圖案，或只有模糊的圖像，而教師可以此為契機(jī)，引導(dǎo)學(xué)生在課后探討實(shí)驗(yàn)沒有完全成功的原因，鼓勵(lì)學(xué)生反復(fù)實(shí)驗(yàn)，認(rèn)真鉆研。

2? 總結(jié)

通過以上課例的學(xué)習(xí)，在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生自主思考、深入探究，親自動(dòng)手制作“美人杯”，鞏固了課本知識(shí)，加強(qiáng)了動(dòng)手能力，同時(shí)拓展了文史知識(shí)，充分感受到傳統(tǒng)文化的魅力，更為之后的一節(jié)新課“眼睛和眼鏡”打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 周艷.浸養(yǎng)科學(xué)素養(yǎng)的可行之道——物理文化視域下初中物理教學(xué)設(shè)計(jì)探析[J].基礎(chǔ)教育參考，2019（20）：53-56.

[2] 陳培鳳，季衛(wèi)新.深度備課：初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的策略——以“探究凸透鏡成像的規(guī)律”教學(xué)設(shè)計(jì)為例[J].物理教師，2019，40（2）：23-26.

[3] 王永方.“美人杯”試制成功[J].中國陶瓷，1981（4）：65.

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