張俊輝

（蘇州高新區(qū)第一初級(jí)中學(xué)校，江蘇 蘇州 215010）

1 問題提出

傳統(tǒng)的教學(xué)以知識(shí)點(diǎn)的掌握為核心，而忽略真實(shí)情境下的問題解決能力培養(yǎng)，不利于學(xué)生核心素養(yǎng)的提高，而實(shí)際問題需要真實(shí)情境來(lái)呈現(xiàn).物理情境的呈現(xiàn)有多種方式，其中真實(shí)情境既方便呈現(xiàn)，又便于教師在課堂中檢驗(yàn)學(xué)生解決問題的正確性.所以筆者據(jù)此提出，復(fù)習(xí)課中要?jiǎng)?chuàng)設(shè)真實(shí)情境，引發(fā)學(xué)生認(rèn)知沖突，讓學(xué)生帶著濃厚的興趣來(lái)解決實(shí)際問題，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)去驗(yàn)證學(xué)生問題解決過(guò)程的可行性和結(jié)果的正確性.下面以復(fù)習(xí)蘇科版八年級(jí)物理“光的折射”為例，探討在課堂中讓學(xué)生利用凸透鏡成像知識(shí)去研究新的螺紋透鏡，認(rèn)識(shí)螺紋透鏡成像本質(zhì)，發(fā)現(xiàn)螺紋透鏡的應(yīng)用價(jià)值，促進(jìn)學(xué)生對(duì)光的折射規(guī)律的深度學(xué)習(xí)，提高核心素養(yǎng).

螺紋透鏡又稱菲涅爾透鏡，是由法國(guó)物理學(xué)家奧古斯汀·菲涅爾發(fā)明.最初為燈塔設(shè)計(jì)，需要找一個(gè)大孔徑的凸透鏡，將燈放在凸透鏡的焦點(diǎn)上，目的是使光照得更遠(yuǎn).但是大孔徑的凸透鏡很重，使用起來(lái)不方便，所以就要尋找替代品，在此背景下，菲涅爾發(fā)明出螺紋透鏡.它一般是由聚烯烴材料注壓而成的薄片，也有玻璃制作的，薄片的半邊是平整的，另半邊刻有同心圓的螺紋，對(duì)光的作用就是靠這邊同心圓的螺紋，所以稱為螺紋透鏡.

2 實(shí)施過(guò)程

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》對(duì)“光的折射”的教學(xué)要求是：“探究并了解光的折射現(xiàn)象及其特點(diǎn)；認(rèn)識(shí)凸透鏡的會(huì)聚作用和凹透鏡的發(fā)散作用；探究并知道凸透鏡成像的規(guī)律；了解凸透鏡成像的應(yīng)用.”所以，對(duì)照課程標(biāo)準(zhǔn)，在復(fù)習(xí)好基礎(chǔ)知識(shí)后，教師可以讓學(xué)生嘗試解決一些生活中的實(shí)際問題.首先在課堂中創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境：教師出示螺紋透鏡，并播放預(yù)先錄制的“陽(yáng)光下的螺紋透鏡可點(diǎn)燃木頭”的視頻，如圖1所示，讓學(xué)生對(duì)研究螺紋透鏡產(chǎn)生興趣，并在后續(xù)的研究過(guò)程中真正理解學(xué)習(xí)內(nèi)容.以下是教師引導(dǎo)學(xué)生研究的幾個(gè)問題.

圖1 螺紋透鏡點(diǎn)燃木頭

問題1.為什么這塊塑料板能將太陽(yáng)光會(huì)聚？

設(shè)計(jì)意圖：看起來(lái)平整的塑料板放在太陽(yáng)光下，竟然能將木頭燃燒起來(lái)，引起學(xué)生認(rèn)知沖突：這個(gè)塑料板和普通的塑料板有什么區(qū)別，為什么這樣神奇？不僅能將太陽(yáng)光會(huì)聚，而且能將木頭燒焦.普通透明塑料板不會(huì)對(duì)光有會(huì)聚作用的，因?yàn)閷W(xué)生通過(guò)光的折射規(guī)律知道光若透過(guò)厚度不變的透明介質(zhì)（如玻璃磚）后方向不變.激發(fā)學(xué)生在真實(shí)情境下的研究熱情，然后教師設(shè)計(jì)這些子問題引導(dǎo)學(xué)生：

問題1.1：為什么凸透鏡、凹透鏡對(duì)光有不同的作用？目的是讓學(xué)生進(jìn)行知識(shí)的前后聯(lián)系，由兩個(gè)透鏡對(duì)光的作用聯(lián)想其本質(zhì)是光的折射，這是知識(shí)體系的建構(gòu)過(guò)程.

問題1.2：為什么透過(guò)教室窗玻璃看外面的景物，沒有變大也沒有縮??？目的是讓學(xué)生思考平行的玻璃磚對(duì)光線的作用，即復(fù)習(xí)折射規(guī)律，又為下面螺紋透鏡需要將凸透鏡“挖掉”中間平行的無(wú)用材料作鋪墊.

問題1.3：如何減輕凸透鏡的重量？把凸透鏡“挖掉”部分材料，變成薄玻璃板？目的是讓學(xué)生進(jìn)行知識(shí)應(yīng)用創(chuàng)造過(guò)程，在不影響凸透鏡對(duì)光作用的前提下，把透鏡無(wú)用材料“挖去”，減輕其重量.如圖2是部分學(xué)生創(chuàng)作的“作品”，已經(jīng)很接近真實(shí)的原理圖了，接下來(lái)教師投影螺紋透鏡原理圖（如圖3所示），以及部分學(xué)生正確的設(shè)計(jì)圖，學(xué)生便恍然大悟.

圖2 學(xué)生作品

圖3 螺紋透鏡原理圖

問題2.有哪些方法測(cè)量螺紋透鏡的焦距？

設(shè)計(jì)意圖：引導(dǎo)學(xué)生回憶所有測(cè)量凸透鏡焦距的方法，然后根據(jù)螺紋透鏡的特點(diǎn)，選擇一種合適的方法測(cè)量其焦距.學(xué)生看到實(shí)驗(yàn)中木頭被燒焦，知道由于螺紋透鏡很大，能將很多的太陽(yáng)光會(huì)聚于一點(diǎn)，所以焦點(diǎn)非常亮，這種方法測(cè)焦距會(huì)傷害眼睛.所以只能用其他方法測(cè)量，如圖4所示是學(xué)生利用成等大實(shí)像的方法測(cè)量焦距，最終測(cè)出其焦距是15 cm.

圖4 用凸透鏡成像規(guī)律測(cè)焦距

問題3.螺紋透鏡能制作照相機(jī)嗎？

設(shè)計(jì)意圖：用螺紋透鏡制作照相機(jī).學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)并探究了凸透鏡成像的規(guī)律，所以學(xué)生對(duì)照相機(jī)的原理有了一定的了解.在制作照相機(jī)時(shí)，由于傳統(tǒng)凸透鏡的口徑小，采光面小，若直接用傳統(tǒng)的凸透鏡對(duì)著不能發(fā)光的人和景物時(shí)，光屏上一般很難得到清晰的像.為了讓學(xué)生理解照相機(jī)的原理，在課堂上一般采用蠟燭或發(fā)光二極管作為物體，然后用光屏承接像.生活中的照相機(jī)不僅能拍發(fā)光的物體，不發(fā)光的人和景物也可以被拍攝，但部分學(xué)生不太理解其原理.所以，筆者選擇20 cm×20 cm的螺紋透鏡，它的口徑大，采光面也大，用這個(gè)螺紋透鏡制作的照相機(jī)，遠(yuǎn)處的物體即使不發(fā)光，也能在光屏上承接到像，給學(xué)生真實(shí)震撼的體驗(yàn)效果.同時(shí)學(xué)生在玩照相機(jī)過(guò)程中，體會(huì)照相機(jī)拍照時(shí)的焦距調(diào)節(jié)過(guò)程.如圖5所示是照相機(jī)的結(jié)構(gòu)圖和學(xué)生拍攝的效果圖，

圖5 螺紋透鏡制作照相機(jī)

問題4.螺紋透鏡能制作投影儀嗎？

設(shè)計(jì)意圖：用螺紋透鏡制作投影儀.學(xué)生對(duì)于投影儀的體驗(yàn)同樣是凸透鏡成像實(shí)驗(yàn)，蠟燭等光源通過(guò)凸透鏡在遠(yuǎn)處光屏上得到放大倒立的實(shí)像.對(duì)于不發(fā)光的物體，如何能投影到光屏上呢？由于學(xué)生缺少對(duì)不發(fā)光的物體投影到光屏上的相關(guān)體驗(yàn)，所以難以想出辦法.教師可引導(dǎo)學(xué)生用強(qiáng)光手電筒將不發(fā)光的物體照亮，通過(guò)大口徑的螺紋透鏡將光會(huì)聚成實(shí)像.如圖6所示是投影儀的結(jié)構(gòu)圖和學(xué)生拍攝的效果圖.

圖6 螺紋透鏡制作投影儀

問題5.若將螺紋透鏡從中間鋸開，所成實(shí)像會(huì)出現(xiàn)什么變化？

設(shè)計(jì)意圖：營(yíng)造一個(gè)全新的情境，讓學(xué)生思考凸透鏡成像的本質(zhì).先讓學(xué)生猜想可能會(huì)出現(xiàn)的現(xiàn)象，目的是讓學(xué)生回憶凸透鏡成像的原因，凸透鏡對(duì)光有會(huì)聚作用，物體發(fā)出的光線通過(guò)凸透鏡再次會(huì)聚成像.同時(shí)學(xué)生已經(jīng)知道在凸透鏡成像實(shí)驗(yàn)中，若用手擋住透過(guò)透鏡的一部分光時(shí)，光屏上的像大小不變，只是像會(huì)變暗.而現(xiàn)在是將螺紋透鏡從中間鋸開，分成兩部分，會(huì)有什么樣的變化？教者引導(dǎo)學(xué)生將整體分解，然后單獨(dú)考慮半個(gè)透鏡成像情況，最后組合.若透鏡鋸開但沒有分離，則還是一個(gè)像；若透鏡鋸開且分離了，則會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)像.猜想后再實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)發(fā)現(xiàn)自己的預(yù)測(cè)是正確的，學(xué)生情緒再次得到提高.如圖7所示是螺紋透鏡中間切開后成像情形.

圖7 切開螺紋透鏡成像

3 小結(jié)

對(duì)照《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》的要求，讓學(xué)生在全新的情境中研究螺紋透鏡，隨著研究的深入，不斷深度復(fù)習(xí)和拓寬所學(xué)知識(shí).先讓學(xué)生自己設(shè)計(jì)螺紋透鏡，將傳統(tǒng)凸透鏡“挖去”部分材料，使之對(duì)光能繼續(xù)有會(huì)聚作用，深度理解光的折射規(guī)律.接著分別將近處的人和遠(yuǎn)處的景物通過(guò)螺紋透鏡成像，深度復(fù)習(xí)凸透鏡成像規(guī)律應(yīng)用.最后，從螺紋透鏡中間鋸開，深度理解凸透鏡成像的本質(zhì)原因.學(xué)生“玩透”螺紋透鏡，便全面復(fù)習(xí)了初中物理中光的折射內(nèi)容.總結(jié)以上教學(xué)過(guò)程，筆者認(rèn)為有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn).

（1）創(chuàng)設(shè)認(rèn)知沖突的真實(shí)情境.對(duì)于透鏡，學(xué)生已有認(rèn)知是：中間厚、周圍薄的凸透鏡能對(duì)光有會(huì)聚作用，若是厚度相同的玻璃板，是對(duì)光沒有會(huì)聚和發(fā)散作用的，但教師的演示實(shí)驗(yàn)用的是厚度不變的塑料板對(duì)光卻有會(huì)聚作用.用于凸透鏡成像中的物體，學(xué)生大都認(rèn)為光源能成像，非光源不能成像，但教師演示的照相機(jī)卻能讓非光源也成像.對(duì)于凸透鏡，學(xué)生都知道擋住透鏡部分，成像會(huì)變暗，但卻不知切割和分開的透鏡會(huì)如何成像.這些實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生造成認(rèn)知沖突，激發(fā)了學(xué)生的探究熱情.

（2）搭建自助實(shí)驗(yàn)的探究平臺(tái).教師提前準(zhǔn)備了大口徑螺紋透鏡、光具座、發(fā)光的二極管光源、半透明光屏、刻度尺、手電筒、投影膜、方便組裝的長(zhǎng)方體盒子等器材，讓學(xué)生選擇器材測(cè)焦距、選擇器材模擬照相機(jī)、選擇器材模擬投影儀，然后再將螺紋透鏡中間鋸開再探究等.讓學(xué)生在問題的引導(dǎo)下先猜想，再自主選擇器材驗(yàn)證，在實(shí)踐操作中提出新的問題再探究.在操作中體會(huì)照相機(jī)的調(diào)焦，在探究中深度理解凸透鏡成像的實(shí)質(zhì).

（3）提供直觀震撼的實(shí)驗(yàn)效果.教師用螺紋透鏡會(huì)聚光點(diǎn)燃木頭，相比傳統(tǒng)燒紙屑，效果更加震撼.用大口徑的螺紋透鏡制作照相機(jī)，能把不發(fā)光的物體和人都能夠在光屏上成像，效果也非常明顯，而且學(xué)生可以拿著制作的照相機(jī)近距離和遠(yuǎn)距離拍攝景物，直觀感受調(diào)整像距使光屏上的像清晰的過(guò)程.制作的投影儀同樣因采光面大而可以遠(yuǎn)距離投影，而且像很清晰，體會(huì)到知識(shí)應(yīng)用的樂趣，感受物理知識(shí)價(jià)值和力量.

（4）設(shè)計(jì)深度思維的系列問題.為什么看起來(lái)厚度不變的塑料板能將光會(huì)聚？教師不是急于公布答案，而是讓學(xué)生自己用凸透鏡進(jìn)行設(shè)計(jì)改造，減少不必要的部分，最終使之壓縮成厚度幾乎相同的塑料板.若將螺紋透鏡中間鋸開會(huì)出現(xiàn)什么現(xiàn)象？讓學(xué)生根據(jù)已有知識(shí)合理猜想，然后實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，學(xué)生的猜想有證據(jù)、有推理，是一種批判性思維，主動(dòng)學(xué)習(xí)的過(guò)程.學(xué)生帶著好奇心來(lái)完成這個(gè)具有挑戰(zhàn)性問題，這個(gè)過(guò)程中的思維量非常高，學(xué)生必須靈活應(yīng)用光的折射規(guī)律和凸透鏡成像原理來(lái)解決這個(gè)實(shí)際問題.

總之，復(fù)習(xí)課中學(xué)生對(duì)于脫離實(shí)際意義的題海訓(xùn)練已經(jīng)厭倦，而對(duì)于解決生活中的實(shí)際問題具有天然的好奇心，所以教師要給學(xué)生創(chuàng)設(shè)真實(shí)的情境，而利用實(shí)驗(yàn)創(chuàng)設(shè)情境既方便組織，又便于檢驗(yàn)，同時(shí)精心設(shè)計(jì)系列問題，可以啟發(fā)學(xué)生思維，促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)，提高物理課程核心素養(yǎng).