立足物理文化 优化实验教学①——以“小孔成像”教学为例

刘 璐 王彩霞 樊济宇

(1. 扬州大学物理科学与技术学院,江苏 扬州 225002；2. 南京航空航天大学理学院应用物理系，江苏 南京 210016)

《义务教育物理课程标准(2011年版)》中提出：“义务教育物理课程是一门注重实验的自然科学基础课程。此阶段的物理课程应注意让学生经历实验探究过程，学习科学知识和科学探究方法，提高分析问题和解决问题的能力。”[1]初中物理教学应关注实验背后的教育价值，在实验教学中融入物理文化内容，促使学生了解并经历科学探究过程，学习科学家解决问题的思维方法。本文以“小孔成像”教学为例，立足物理文化，挖掘实验背后的文化价值和科学价值，优化实验教学。

1 物理文化教育简述

随着物理学体系日渐完善，物理文化也应运而生。1991年国内学者开始关注物理文化，解世雄对物理文化做出了概念界定：“物理文化是世界历代物理学家在创建物理学的过程中，发现、创造和形成的物理思想、物理方法、物理概念、物理定律、物理语言符号、价值标准、科学精神、物理仪器设备以及约定俗成的工作方法的总和。”[2]将物理文化融入教学，以提高学生学习兴趣和培养学生思维能力为切入点，通过渗透物理学史和物理问题生活化等方式帮助学生了解科学本质，提高核心素养。

2 物理文化融入教学的现状

将物理文化融入物理教学的主张得到了广大学者和一线教师的认同，通过物理学史渗透物理文化教育是常用的方式，它一方面可以让学生了解科学的研究背景和研究历程，通过探究实验经历知识的再生产过程，帮助学生以主动建构的方式掌握知识；另一方面富含人文性的教学内容能够活跃课堂氛围，激发学生的学习动机，提高学生的学习兴趣，达到寓教于乐的教学目的。

但在实际操作时，却有人误将物理文化渗透与物理学史展示画等号，使其成为了课堂的点缀。为了将物理文化真正融入教学，教师在备课时应挖掘出历史背后的科学方法，让学生在课堂上先以听故事的方式了解知识产生的背景和历程，再通过重演历史探索过程，了解科学家解决问题的思维方式和行动方式，感受知识的形成过程，再结合生活实例，激发学生探索热情，由此循序渐进地帮助学生了解、掌握和运用科学知识，在潜移默化中培养学生的科学思维和科学探究能力，养成科学态度。

3 物理文化视角下的“小孔成像”实验教学设计

我国古代学者早就对小孔成像展开了探究，实验背后蕴含着丰富的文化积淀。教学时以生活情境和诗词引入，继而介绍并引领学生经历墨子、沈括、赵友钦等人对小孔成像实验的探究历程，辅以科技应用实例的介绍，最后通过总结、评价帮助学生深入理解科学本质。

3.1 以诗词为引导，创设物理情境

在学习小孔成像实验之前，学生已经知道光在均匀介质中沿直线传播，为引入小孔成像实验，可以设置以下情境：(1) 天气晴朗时，中午从树荫下走过，会发现地面上有大量的圆形光斑。(2) 南北朝诗人沈约描写中秋节时写道：“方辉竟入户，圆影隙中来。”接下来提问学生：圆形光斑的形成原因是什么？沈约的诗句描绘的是什么？圆影是什么？从而引发学生的思考与讨论，教师进行总结，并解释情境中的圆形光斑、圆影其实就是太阳或月亮透过小孔所成的像。

设计意图：以诗词和生活中常见的物理现象创设情境，引入小孔成像这一课题。同时，诗词的运用也利于提高学生的文学素养，还能感受中华传统文化的渊源流长，生活中物理现象的展示也体现了STSE教育理念。

3.2 以历史为线索，串联探索历程

在学生初步认识了小孔成像之后，为学生展示我国古代学者对小孔成像实验的探索历程(图1)。

图1

春秋战国时期成书的《墨经》中不仅记载了小孔成像现象，还解释了该现象的原理，这比西方早了近两千年。

北宋时期，沈括在《梦溪笔谈》中记载了鸢飞行时物与像的动态变化规律，并运用“摇橹之势”这一形象比喻描绘了物、孔、像三者之间的动态联系。

宋末元初，赵友钦在《小罅光景》中详细记述了小孔成像实验。实验不仅论证了光的直线传播性质，还探究了小孔成像的大小、明暗与物距和孔的大小之间的关系。[3]

设计意图：通过介绍我国古代学者对小孔成像实验的探究历程，展现我国古代在科技领域的领先地位，激发学生学习动机,增强学生的文化自信。[4]

3.3 以实验为核心，经历科学探究过程

3.3.1 演示墨子实验，解释成像原理

墨子在两千多年前完成了小孔成像实验，他在朝阳的一侧墙上开一个小孔，当人对着小孔站在屋外时，屋内对应的墙上会出现一个倒立的人像。为演示该实验，教师需提前准备好简易演示仪(图2)，利用易拉罐模拟该实验，为使学生能观察到像，用半透明纸代替墙面，光源选用亮度较大且易于区分上下左右的“F”形光源。实验演示完毕后，结合《墨经》中的记载解释实验原理，墨子运用思维结合实验的方法，认为光就像射出的箭一样沿直线传播，当光经过小孔时，物体的底部就成像于光屏高处，物体的顶部成像于光屏低处。因此，小孔成倒像的原理就是光在均匀介质中沿直线传播。

图2

3.3.2 模拟沈括实验，建立物理模型

根据《梦溪笔谈》的记载，沈括在窗纸上开一小孔，使窗外飞鸢的像能够呈现在室内的纸屏上，观察到室外飞鸢的运动情况和纸屏上像的运动情况正好相反。沈括发现这与船夫摇橹这一动作极为相似，便基于此为小孔成像建立了物理模型。教学时可以使用简易小孔成像演示仪进行实验，分别观察物体向不同方向运动时对应的像的运动情况。实验完成后，结合“摇橹之势”这一物理模型验证小孔成像实验中物与像的动态变化规律。模型的建立不仅进一步验证了小孔成像的原理，还能使定性的描述变成定量的计算，课堂上可以根据几何知识来计算某一物理量，例如将其运用到生活中估测某一建筑物的高度等问题。

3.3.3 重温赵友钦实验，学习科学方法

赵友钦为探索小孔所成像的大小、明暗与物距和孔的大小之间的关系，他设计了一个较为复杂的实验，在圆板上密插千只蜡烛为物，在两个相邻房间分别凿四尺和八尺的圆井设置不同物距，在井口分别放置开有不同大小方孔的圆板改变小孔大小，之后在房顶上观察所成像的情况。赵友钦设计了对比实验，运用了推理、对比、分析等研究方法，理论与实验相结合。教学时引导学生模拟赵友钦的实验，改良实验装置(图3)，选用发出的光更强、操作更安全的“F”形光源代替蜡烛，用带有不同小孔(3个大小不同、3个形状不同)且可以转动调节小孔的面板代替开孔圆板。实验时将实验器材放置在皮尺上进行操作，便于直接从皮尺上读出物距和像距。实验除了可以探究赵友钦所研究的内容外，还可以探究像的大小、明暗与像距和孔的形状之间的关系。

图3

设计意图：结合我国古代学者研究小孔成像实验的科学方法，引导学生经历知识的再生产过程，领略其中的科学认知，以主动建构的方式深度学习，在掌握知识的基础上培养学生的科学探究能力。

3.4 以应用为牵引，展示科技发展

小孔成像在生活中有众多应用，我国元代著名天文学家郭守敬就运用小孔成像原理制作了“景符”和“仰仪”，其中“仰仪”是世界上最早观察日食的仪器。[5]在西方，达·芬奇曾利用小孔成像描绘景物，在16世纪文艺复兴时期，欧洲出现了专供绘画用的成像暗箱，之后有人在暗箱的小孔处安放了透镜，这就是照相机的雏形，直到现在，针孔摄影仍有用武之地。[6]

设计意图:介绍小孔成像的应用实例，让学生感受到生活处处有物理，也让学生了解我国古人的智慧和我国古代科技的领先地位，激励学生努力学习，为祖国建设添砖加瓦。

3.5 通过总结评价，认识科学本质

在学生学习了物理知识之后，还需为学生介绍知识背后的文化背景。科学的诞生是根植于社会发展的，春秋战国时期百家争鸣、百花齐放，思想的解放为科学技术的发展提供了有利条件，处于该时期的墨家对自然界的研究也突破了直接观察和想象这一层面，开始运用理性思维来分析总结，用科学实验来求证。沈括对小孔成像的研究只是简单的阐述并依靠形象思维建立了模型，未能深入分析小孔成像。赵友钦则利用实验透过表象探究规律。

上述小孔成像的研究历程是漫长的。由于世界是不断发展的，人类对于世界的认识也是不断变化发展的，同时由于人们的认识受到社会发展等的影响，因此对于科学的认知具有局限性和暂定性。从小孔成像的探究历程可以看到，科学探究不仅仅依赖于直接观察，还需要推理、想象和创造，因此科学探究是一项具有创造性的活动；科学还需要通过实验来验证假设，因此科学探究又具有实证性。

设计意图：教学时结合物理知识产生的文化背景，挖掘其中的科学本质教育素材，有助于学生深刻理解知识及其意义，提高学生的核心素养。

4 结语

以墨子、沈括、赵友钦为代表的我国古代学者深入探索了小孔成像的奥秘，其中蕴含的科学思维、科学研究方法以及科学精神都是物理教学可以汲取的精华。因此，我们应该将物理文化融入物理实验教学，重演前辈们的研究历程，培养学生的物理学科核心素养。