基于真实情境的“问题导向”复习教学——以复习“光的折射”为例

张俊辉

（苏州高新区第一初级中学校，江苏 苏州 215010）

1 问题提出

传统的教学以知识点的掌握为核心，而忽略真实情境下的问题解决能力培养，不利于学生核心素养的提高，而实际问题需要真实情境来呈现.物理情境的呈现有多种方式，其中真实情境既方便呈现，又便于教师在课堂中检验学生解决问题的正确性.所以笔者据此提出，复习课中要创设真实情境，引发学生认知冲突，让学生带着浓厚的兴趣来解决实际问题，并通过实验去验证学生问题解决过程的可行性和结果的正确性.下面以复习苏科版八年级物理“光的折射”为例，探讨在课堂中让学生利用凸透镜成像知识去研究新的螺纹透镜，认识螺纹透镜成像本质，发现螺纹透镜的应用价值，促进学生对光的折射规律的深度学习，提高核心素养.

螺纹透镜又称菲涅尔透镜，是由法国物理学家奥古斯汀·菲涅尔发明.最初为灯塔设计，需要找一个大孔径的凸透镜，将灯放在凸透镜的焦点上，目的是使光照得更远.但是大孔径的凸透镜很重，使用起来不方便，所以就要寻找替代品，在此背景下，菲涅尔发明出螺纹透镜.它一般是由聚烯烃材料注压而成的薄片，也有玻璃制作的，薄片的半边是平整的，另半边刻有同心圆的螺纹，对光的作用就是靠这边同心圆的螺纹，所以称为螺纹透镜.

2 实施过程

《义务教育物理课程标准（2011年版）》对“光的折射”的教学要求是：“探究并了解光的折射现象及其特点；认识凸透镜的会聚作用和凹透镜的发散作用；探究并知道凸透镜成像的规律；了解凸透镜成像的应用.”所以，对照课程标准，在复习好基础知识后，教师可以让学生尝试解决一些生活中的实际问题.首先在课堂中创设真实情境：教师出示螺纹透镜，并播放预先录制的“阳光下的螺纹透镜可点燃木头”的视频，如图1所示，让学生对研究螺纹透镜产生兴趣，并在后续的研究过程中真正理解学习内容.以下是教师引导学生研究的几个问题.

图1 螺纹透镜点燃木头

问题1.为什么这块塑料板能将太阳光会聚？

设计意图：看起来平整的塑料板放在太阳光下，竟然能将木头燃烧起来，引起学生认知冲突：这个塑料板和普通的塑料板有什么区别，为什么这样神奇？不仅能将太阳光会聚，而且能将木头烧焦.普通透明塑料板不会对光有会聚作用的，因为学生通过光的折射规律知道光若透过厚度不变的透明介质（如玻璃砖）后方向不变.激发学生在真实情境下的研究热情，然后教师设计这些子问题引导学生：

问题1.1：为什么凸透镜、凹透镜对光有不同的作用？目的是让学生进行知识的前后联系，由两个透镜对光的作用联想其本质是光的折射，这是知识体系的建构过程.

问题1.2：为什么透过教室窗玻璃看外面的景物，没有变大也没有缩小？目的是让学生思考平行的玻璃砖对光线的作用，即复习折射规律，又为下面螺纹透镜需要将凸透镜“挖掉”中间平行的无用材料作铺垫.

问题1.3：如何减轻凸透镜的重量？把凸透镜“挖掉”部分材料，变成薄玻璃板？目的是让学生进行知识应用创造过程，在不影响凸透镜对光作用的前提下，把透镜无用材料“挖去”，减轻其重量.如图2是部分学生创作的“作品”，已经很接近真实的原理图了，接下来教师投影螺纹透镜原理图（如图3所示），以及部分学生正确的设计图，学生便恍然大悟.

图2 学生作品

图3 螺纹透镜原理图

问题2.有哪些方法测量螺纹透镜的焦距？

设计意图：引导学生回忆所有测量凸透镜焦距的方法，然后根据螺纹透镜的特点，选择一种合适的方法测量其焦距.学生看到实验中木头被烧焦，知道由于螺纹透镜很大，能将很多的太阳光会聚于一点，所以焦点非常亮，这种方法测焦距会伤害眼睛.所以只能用其他方法测量，如图4所示是学生利用成等大实像的方法测量焦距，最终测出其焦距是15 cm.

图4 用凸透镜成像规律测焦距

问题3.螺纹透镜能制作照相机吗？

设计意图：用螺纹透镜制作照相机.学生已经学习并探究了凸透镜成像的规律，所以学生对照相机的原理有了一定的了解.在制作照相机时，由于传统凸透镜的口径小，采光面小，若直接用传统的凸透镜对着不能发光的人和景物时，光屏上一般很难得到清晰的像.为了让学生理解照相机的原理，在课堂上一般采用蜡烛或发光二极管作为物体，然后用光屏承接像.生活中的照相机不仅能拍发光的物体，不发光的人和景物也可以被拍摄，但部分学生不太理解其原理.所以，笔者选择20 cm×20 cm的螺纹透镜，它的口径大，采光面也大，用这个螺纹透镜制作的照相机，远处的物体即使不发光，也能在光屏上承接到像，给学生真实震撼的体验效果.同时学生在玩照相机过程中，体会照相机拍照时的焦距调节过程.如图5所示是照相机的结构图和学生拍摄的效果图，

图5 螺纹透镜制作照相机

问题4.螺纹透镜能制作投影仪吗？

设计意图：用螺纹透镜制作投影仪.学生对于投影仪的体验同样是凸透镜成像实验，蜡烛等光源通过凸透镜在远处光屏上得到放大倒立的实像.对于不发光的物体，如何能投影到光屏上呢？由于学生缺少对不发光的物体投影到光屏上的相关体验，所以难以想出办法.教师可引导学生用强光手电筒将不发光的物体照亮，通过大口径的螺纹透镜将光会聚成实像.如图6所示是投影仪的结构图和学生拍摄的效果图.

图6 螺纹透镜制作投影仪

问题5.若将螺纹透镜从中间锯开，所成实像会出现什么变化？

设计意图：营造一个全新的情境，让学生思考凸透镜成像的本质.先让学生猜想可能会出现的现象，目的是让学生回忆凸透镜成像的原因，凸透镜对光有会聚作用，物体发出的光线通过凸透镜再次会聚成像.同时学生已经知道在凸透镜成像实验中，若用手挡住透过透镜的一部分光时，光屏上的像大小不变，只是像会变暗.而现在是将螺纹透镜从中间锯开，分成两部分，会有什么样的变化？教者引导学生将整体分解，然后单独考虑半个透镜成像情况，最后组合.若透镜锯开但没有分离，则还是一个像；若透镜锯开且分离了，则会出现两个像.猜想后再实验验证，当发现自己的预测是正确的，学生情绪再次得到提高.如图7所示是螺纹透镜中间切开后成像情形.

图7 切开螺纹透镜成像

3 小结

对照《义务教育物理课程标准（2011年版）》的要求，让学生在全新的情境中研究螺纹透镜，随着研究的深入，不断深度复习和拓宽所学知识.先让学生自己设计螺纹透镜，将传统凸透镜“挖去”部分材料，使之对光能继续有会聚作用，深度理解光的折射规律.接着分别将近处的人和远处的景物通过螺纹透镜成像，深度复习凸透镜成像规律应用.最后，从螺纹透镜中间锯开，深度理解凸透镜成像的本质原因.学生“玩透”螺纹透镜，便全面复习了初中物理中光的折射内容.总结以上教学过程，笔者认为有以下几个优点.

（1）创设认知冲突的真实情境.对于透镜，学生已有认知是：中间厚、周围薄的凸透镜能对光有会聚作用，若是厚度相同的玻璃板，是对光没有会聚和发散作用的，但教师的演示实验用的是厚度不变的塑料板对光却有会聚作用.用于凸透镜成像中的物体，学生大都认为光源能成像，非光源不能成像，但教师演示的照相机却能让非光源也成像.对于凸透镜，学生都知道挡住透镜部分，成像会变暗，但却不知切割和分开的透镜会如何成像.这些实验对学生造成认知冲突，激发了学生的探究热情.

（2）搭建自助实验的探究平台.教师提前准备了大口径螺纹透镜、光具座、发光的二极管光源、半透明光屏、刻度尺、手电筒、投影膜、方便组装的长方体盒子等器材，让学生选择器材测焦距、选择器材模拟照相机、选择器材模拟投影仪，然后再将螺纹透镜中间锯开再探究等.让学生在问题的引导下先猜想，再自主选择器材验证，在实践操作中提出新的问题再探究.在操作中体会照相机的调焦，在探究中深度理解凸透镜成像的实质.

（3）提供直观震撼的实验效果.教师用螺纹透镜会聚光点燃木头，相比传统烧纸屑，效果更加震撼.用大口径的螺纹透镜制作照相机，能把不发光的物体和人都能够在光屏上成像，效果也非常明显，而且学生可以拿着制作的照相机近距离和远距离拍摄景物，直观感受调整像距使光屏上的像清晰的过程.制作的投影仪同样因采光面大而可以远距离投影，而且像很清晰，体会到知识应用的乐趣，感受物理知识价值和力量.

（4）设计深度思维的系列问题.为什么看起来厚度不变的塑料板能将光会聚？教师不是急于公布答案，而是让学生自己用凸透镜进行设计改造，减少不必要的部分，最终使之压缩成厚度几乎相同的塑料板.若将螺纹透镜中间锯开会出现什么现象？让学生根据已有知识合理猜想，然后实验验证，学生的猜想有证据、有推理，是一种批判性思维，主动学习的过程.学生带着好奇心来完成这个具有挑战性问题，这个过程中的思维量非常高，学生必须灵活应用光的折射规律和凸透镜成像原理来解决这个实际问题.

总之，复习课中学生对于脱离实际意义的题海训练已经厌倦，而对于解决生活中的实际问题具有天然的好奇心，所以教师要给学生创设真实的情境，而利用实验创设情境既方便组织，又便于检验，同时精心设计系列问题，可以启发学生思维，促进学生深度学习，提高物理课程核心素养.