浅谈“多功能光斑探究仪”教具的研制

梅增高

【摘要】开展研制教具不仅是教师参与其中的项目，更是学生不可缺少的提升核心素养的有效途径.所以“自制教具活动”可成为课堂物理实验教学的有益补充.而自制教具之素材源于生活中的物理现象、教材中的探究实验、学生综合实践的活动等.综合实践活动中所涉及的实验仪器不一定都能在实验室中寻得，大部分需要自行研制.现举例说明初中物理综合实践活动中，如何自主研制及创新“多功能光斑探究仪”教具.

【关键词】初中物理；实验教学；自制教具

开展初中物理实验教学产生瓶颈的原因是教学内容只停留在课堂，没有延伸到课外.课外实践活动可以用身边易得物品做实验，学校可以积极开展学生实验教具自制活动.自制教具能激发学生对知识的兴趣和求知欲，该活动需要师生共同的努力，实现教学效果的新突破.通过课外自制教具活动，激发学生的创造力和创新精神，体现出初中物理新课程理念“从生活走向物理，从物理走向社会”，内驱学生核心素养形成.

1自制教具意义

自制教具活动无形中渗透着“生生互动”“师生互动”“组组互动”等各种形式的交流、评估，发挥评价的育人机制，伴随着教具的不断完善、不断改进、不断创新，最终内驱学生核心素养、科学素养的形成与提升.积极开展自制教具活动，给予学生自由发挥的空间，极大地激发学生学习物理的兴趣和求知欲，获得成功的喜悦和信心，制教具活动可以融洽师生情感，也可认为是转化后进生的有效途径.

2研制教具素材来源、目的

为什么需要自主研究自制“多功能光斑探究仪”，其主要原因是：初中物理教材《综合实践》素材中须要进行探究活动，探究过程必定须要设计实验器材并研制.对于苏科版八年级上册物理教材《学生实践活动“探究树荫下的光斑”》[1]，学生通过仔细观察树荫下的光斑，描述观察到的现象，积极思考，发现并提出可探究的问题，培养其在对自然现象的观察中发现问题的意识和能力.体验探究树荫下光斑的过程，能针对问题提出猜想，设计简单实验，有控制变量的意识，并能用已学知识论证结果.

该探究活动设计目的：让学生学会运用“控制变量思想”探究影响光斑形状的因素.用怎样的实验来验证、检验猜想？实验探究中紧密围绕：光斑的形状是否与孔的形状有关？光斑的形状是否与孔的大小有关？光斑的形状是否与孔到地面的距离有关？发现问题[2]：当你从树荫下走过，如图1，有没有注意过：太阳光透过树荫在地面上形成各种各样的光斑？仔细观察，说一说：树荫下光斑的形状有哪些特点？有些光斑形状不规则（如近似为三角形、椭圆形等）；还有一些光斑是圆形的，而圆形光斑的亮度是较暗的.

请提出一个或几个你感兴趣的、想要探究的问题：

（1）光斑的形状是否与孔的形状有关？

（2）光斑的形状是否与孔的大小有关？

（3）光斑的形状是否还与小孔到光屏的距离有关？

（4）小孔所成像大小随孔到地面的距离（像距）如何变化？

（5）小孔所成像大小随物到小孔的距离（物距）如何变化？

3“多功能光斑探究仪”研制过程

（1）初步实验装置，如图2所示：

说明：在白天强光下，光屏上的光斑（像）不够清晰，比较模糊.无形中便创设了物理情境问题：如何让光斑变得更清晰？在此情境问题中，不断探究解决问题，进一步提升学生创新能力、科学素养.

（2）改进后实验装置，如图3所示：

学生通过小组探讨，会大胆提出较多的解决方案.也就是如何设置暗环境.

说明教具中设置暗环境，从小孔处到光屏处空间采用：封闭较长的内外两层镜筒，内镜筒装有较薄的塑料薄膜，作为光屏；外镜筒一端与光栅的小孔对接、粘连，将带有塑料薄膜的内镜筒一端放入外镜筒的另一端开口处，内镜筒的薄膜（即光屏）位置便可在外镜筒内移动.

如上图为设计制造的“暗环境”.在此“暗环境”下，光屏上的光斑（像）比较清晰可见，便排除了室内强光的干扰.

4“多功能光斑探究仪”功能的测试说明

为探究以下问题，学生思考：如何设计实验方案？

①光斑的形状是否与孔的形状有关？

②光斑的形状是否与孔的大小有关？

③光斑的形状是否与小孔到光屏的距离有关？

④小孔所成像大小随孔到地面的距离（像距）如何变化？

⑤小孔所成像大小随物到小孔的距离（物距）如何变化？

（1）课题1：探究“光斑的形状与孔的形状关系？”

光栅工具：带有正方形、三角形、圆形小孔的光栅.让光源透过不同形状的小孔投放在光屏上，观察光屏上出现的光斑的形状和亮度.（注意控制变量，须控制孔的大小及其他因素不变，只改变孔的形状.）

问题：光斑的形状在什么情况下与孔的形状无关？又在什么情况下与孔的形状有关？

当小孔不够大时，是满足小孔成像条件的，孔的形状不影响小孔所成像的形状；当小孔足够大时，不符合小孔成像时，光斑的形状与孔的形状有关（即为光斑形状与孔的形状相同）.

（2）课题2：探究“光斑的形状是否与孔的大小有关？”

怎樣改变小孔的大小，进行对比实验？必须控制孔的形状及其他因素相同，只改变孔的大小，如何设计实验？（注意控制变量）

结论：孔形状不变，小孔直径尺度适当，满足小孔成像时，光斑（小孔所成像）形状与孔的大小无关；但是，当孔直径尺度较大，不满足小孔成像条件时，光斑形状便为小孔的形状.

（3）课题3：探究“光斑的形状是否与小孔到光屏的距离有关？”

探究思路：须控制其他因素不变，只改变小孔到光屏距离.由此探究思路出发，不难设计出如下表格：

小孔成像时，物距不变，小孔到光屏的距离逐渐减小（像距变小），光斑的形状不变；但如果小孔到光屏的距离足够小时（像距足够小），光斑便呈现为小孔的形状.

（4）课题4：小孔成像时动态规律

小孔所成像大小随孔到地面的距离（像距v）如何变化？

小孔所成像大小随物到小孔的距离（物距u）如何变化？

该课题本身属于有关小孔成像的基本规律的研究范畴，由此课题不难设计出如下表格：

小孔成像动态规律：物距u不变时，小孔所成像大小随像距v增大而增大，随像距v减小而减小；像距v不变时，小孔所成像大小随物距u增大而减小，随物距u减小而增大.

综上所述：结合以上所有实验分析：光斑不一定是通过小孔所成的倒立实像，当孔的大小、物距u与像距v的尺寸适当，符合小孔成像的条件时，光斑形状即为倒立实像；若因小孔太大或者像距v尺寸太小等因素导致不满足小孔成像条件时，光斑的形状便与孔的形状极为相似.

（5）回归生活中的物理现象

①在实验中看到的现象是否支持该猜想：光斑的形状是由树叶间缝隙的形状决定的？

②太阳光透过树荫在地面上形成的光斑可以分成两类：一类光斑的特点是圆形，形成的条件是 光在同种均匀介质中沿直线传播；另一类光斑的特点是形状不规则，形成的条件是树叶的缝隙太大，光斑形状与缝隙形状相似.

（6）交流与评价

根据观察到现象得出结论，并应用所学的知识进行解释，建议根据探究过程写一篇小论文、师生、学生之间进行交流.

5结语

综上所述，笔者认为：对实验教具的研制与创新过程，必能内驱学生核心素养形成，有利于学生科学素养的提升.以上个人认识可能存在不足，敬请指导与修正.

参考文献：

[1]刘炳昇，李容总主编.苏科版八上册物理教师教学用书.江苏凤凰科学技术出版社.2021：98-100

[2]刘炳昇，李容总主编.苏科版八上册《物理实验》.江苏凤凰科学技术出版社.2021：40-42