基于发展学生物理核心素养的实验创新设计—— 以“探究凸透镜的成像规律”为例

文∣李卉晶

“学生发展核心素养”的提出，是全面贯彻党的教育方针、落实立德树人根本任务的一项重要举措。要发展学生的核心素养，除了要丰富课程内容以满足学生个性发展的需求外，更要设计合理的教学方案;教师是课堂的主导者，教师的教学方式很大程度上影响着学生的学习方式，从而影响学生各方面能力与思维的培养。因此，教师需要不断地将教学方法进行改进与创新，更好地发挥引导作用，进而培养学生的核心素养。

物理学科核心素养是学生科学核心素养的重要构成，为学生的终身发展奠定基础，是学生在接受物理教育过程中逐步形成的适应个人终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力。[1]“如何发展学生的物理学科核心素养”是每一名物理教师必须学习的课题，其中物理实验在物理教学中有着不可或缺的地位，对于培养学生物理核心素养有着重要作用。因此，如何在物理实验课中落实核心素养的培养也是我们要研究的重要课题。

目前教师在物理实验教学方面面临着诸多难题。由于很多物理实验“难”,实验现象不明显或实验不易成功，学生对物理实验兴趣不高，出现畏难心理；由于应试教育的影响，以往很多教师用“练习”代替“学生实验操作”，用“播放实验视频”代替“演示实验”，导致学生动手能力差，缺乏科学探究的方法。笔者认为，解决这些问题的最有效途径就是对传统的物理实验进行创新设计，加强物理实验与生活的联系，培养学生对物理实验的兴趣；设计创新实验器材，有效降低实验难度，合理制订实验计划有利于学生在实验中培养科学思维，掌握科学探究的方法，发展物理核心素养。

下面笔者以粤教沪科版初中物理八年级上册“探究凸透镜的成像规律”实验教学为例，从科学探究的几个步骤，即“提出问题”“猜想与假设”“设计实验与制订计划”“进行实验与收集证据”和“分析与论证”五个方面来探究在实验教学中进行创新的具体方法。

一、提出问题

以往很多教师在讲授“探究凸透镜的成像规律”一课时，课堂引入都是让学生用凸透镜观察物体，分别找到正立放大的像(如图1所示)、倒立放大的像(如图2所示)和倒立缩小的像(如图3所示)，进而引导学生提出问题“凸透镜成像情况与哪些因素有关”。这个引入设计很合理自然，但在实际课堂中很多学生只能找到正立放大的像。因为实验室的凸透镜直径较小且焦距较长，需要比较准确地同时调节好合适物距和像距才能看到相应的像，且学生对凸透镜成像比较陌生，只对放大镜的使用比较熟悉，因此不容易找到倒立放大的像，要找到倒立缩小的像就更难了。

图1

图2

图3

也有一些教师利用实验室的凸透镜进行演示实验，但是由于成像太小而无法让全班学生看清楚这三种成像的情况，不能很自然地引导学生提出问题并进行合理的猜想。

为解决此问题，笔者用废旧的水晶球音乐盒简单改造后得到一个透明水球(如图4所示)，用于代替实验室的凸透镜进行演示实验。制作一个双色箭头图案作为被观察物体(如图4所示)，教师通过由大到小改变物距，进行演示实验，让学生清晰地观察倒立缩小的像(如图5所示)、倒立放大的像(如图6所示)和正立放大的像(如图7所示)。

图4

图5

图6

图7

这样设计课堂引入将生活中的常见物品进行改造利用，做法新奇有趣，成功引起学生的注意。教学现象清晰明显，便于学生观察，合理自然地让学生产生疑问：“为什么会出现这么多不同的像？”然后教师提出问题：“凸透镜成像情况与哪些因素有关？”学生还可以通过观察教师具体操作(由大到小改变了物距)合理地作出猜想：“凸透镜的成像情况与物距有关”，自然衔接下一个实验步骤。

二、猜想与假设

凸透镜的成像情况不仅与物距有关，还与凸透镜的焦距有关。但对于“凸透镜的成像情况可能与凸透镜的焦距有关”这一猜想，若教师不利用实验现象启发学生，学生很难作出这一猜想。对此，以往很多教师的做法是让学生用两个焦距不同的凸透镜并排放置(如图8所示)，然后学生透过两个凸透镜分别去观察同一物体，但实验现象并不明显。

图8

笔者采用两个大小不同的透明水球代替两个凸透镜，在课堂上进行演示实验：保持物距不变时，学生透过大水球看到的是倒立放大的像(如图9所示)，透过小水球看到的是倒立缩小的像(如图10所示)，现象十分明显，启发学生作出猜想：“凸透镜的成像情况可能与凸透镜的焦距有关。”

三、设计实验与制订计划

对实验计划进行创新能有效降低实验难度，激发学生对实验的探究兴趣，使学生形成积极主动的探究态度；让学生更加顺利地进行实验并得出正确的结论，更好地培养学生的实验操作能力和团结合作的精神。“探究凸透镜的成像规律”实验计划的创新包括以下两个方面。

(一)实验装置创新

1.光源的改进

图11

2.光具座标尺的改进

以中间位置为零刻度线，实验时使凸透镜对准零刻度线，就可以直接读出物距与像距，不仅大大缩短实验时间，而且能够启发学生实验时应该记录哪些实验数据。另外，把教师用的光具座做成双面标尺并把字体放大，方便用于演示实验(如图12所示)。

3.光屏的改进

光屏用印有格子的白纸做成，且格子大小与光源板上的格子大小一致(如图12所示)，便于观察对比像的大小(放大/等大/缩小)。

图12

(二)实验计划创新

教材中直接给出三种成像情况，让学生按照图片所示完成实验；记录数据时只要求记录物距u与焦距f的关系(如图13所示)，实验操作较单一，缺少了探究性和趣味性，学生没有经历科学探究的过程，不能很好地接受最终得出的凸透镜成像规律，也不能通过实验探究知道：当凸透镜成像时，像距、像的大小随物距变化的定性关系。

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

物距u跟焦距f的关系像的大小像的正倒像的虚实

在进行创新实验教学时，不指定光源位置，根据前面的演示实验启发学生从大到小改变物距，分别找出演示实验中的三种成像情况并记录下来。教师把全班学生分成10个小组，5个小组用焦距为10 cm的凸透镜进行探究实验，其余5个小组用焦距为15 cm的凸透镜进行探究实验。学生不在实验表格中不直接记录物距与焦距的关系，而是改为记录具体的焦距和物距。通过这样引导学生设计实验，让学生明白实验研究什么和怎样研究，实验时该观察什么、测量什么、记录什么，[2]进而培养学生的科学思维和科学探究能力。

四、进行实验与收集证据

由于课堂时间有限，以往学生实验一般会进行3—5次，但在“探究凸透镜的成像规律”的实验中，3—5组的实验数据并不能体现规律，学生无法顺利地从中总结出实验规律。

笔者利用金山文档的协作功能在线收集全部小组的数据(在线收集数据适用于平板班，普通班级可以派小组长将数据输入电脑)，收集大量的实验数据能使结论更具有说服力，而且还将信息技术融入实验课堂中，使实验准确高效，同时还培养了学生的团队合作精神。

五、分析与论证

教师通过在线Excel表格收集得到的数据量大(如表1所示)，学生不容易分析得出规律。

表1 利用金山文档的协作功能在线收集到的全部小组的实验数据

所以，教师要利用Excel表格的排序功能，将数据分成两组按照物距从大到小重新排序，得到如表2所示的表格。

表2 排序后的实验数据

学生通过小组讨论交流，能够很容易发现“当物距在一定的范围内时，所成的像的性质是相同的”，进而总结出每一种像对应的物距范围和像距范围，得到初步的凸透镜成像规律，如表3所示。

表3 初步的凸透镜成像规律

然后教师再引导学生观察表3，发现问题，进一步探究，得到完整的凸透镜成像规律，如表4所示。

表4 完整的凸透镜成像规律