舒长顺 汤金波

摘 要： 在光学实验中，创新观察的角度可以使实验现象更易观察，且能避免其他因素干扰;创新呈现方式，可避免学生对实验认识的片面性;创新实验步骤，可借助传统实验器材，加深学生对人眼原理的认识;创新实验器材，可帮助学生逐步建构知识.

关键词： 创新实验;应用;建构

物理是一门以实验为基础的学科.在光学实验中，有的现象是可见，却不易观察和判别;有的光学现象在日常生活中虽然是常见的，但却是不显现的;还有的实验需要在观察和思考的基础上，引导学生提出进一步落实实验方案，层层递进，而不是简单直接地呈现实验现象，学生被动接受.本文从创新实验观察角度、实验步骤设计和实验器材优化等几方面提出自己的观点，使实验更好地服务教学.

1 创新观察角度，更利于学生观察现象

教材中设计的不少实验，实验现象是可以观察的，但是由于观察的角度不同，只能从单一角度观察，且实验现象不够明显.如苏科版教材采用激光笔照亮烧杯底，如图1所示.然后加水，让学生观察杯底光斑的移动.实验过程中，由于学生必须从烧杯上部观察，当向烧杯中加水时，光从水中斜射入空气，在水面已发生折射，人所观察到实际是光斑经折射所成的像，加之倒水过程中水的波动影响观察，所以该实验现象学生难以观察.为了便于学生观察，对此实验进行如下改进：

将一激光笔固定于S点，其发出的光照亮空烧杯壁上一点A.采用漏斗加水（防止水面波动影响光路和学生观察），让学生观察到：当水面超过A点，随着水面的上升，光斑在逐渐下移的过程，自然就会激发学生的好奇心和学习热情.

为加深学生对此现象的理解，让学生完成如下作图：

（1）在图2中画出激光笔照亮空烧杯壁上一点A的光线.

（2）保持激光笔方向不变，向烧杯中加水，使水面超过A点，在图3中画出激光笔发出的光在空中部分的光线.

（3）观察激光笔照亮烧杯壁上的点的位置，在原照亮的A点 （填“上方”“位置”或“下方”）.在图3中试画出激光笔发出的光在水中部分的光线.

学生根据光在空气中传播方向不变，且在同种均匀介质中是沿直线传播的，可以判断出光的传播方向一定是在水面处发生偏折.此时可以通过向水中滴入牛奶，并借助烟塵将空气和水中的光路同时呈现，使光在水面处的折射清晰可见，就给学生留下深刻的印象.将教材中激光笔照射水槽底部，改为照射侧壁，增加实验的可见度，同时观察杯壁上的亮点，不存在光从水中射入空气中发生折射的干扰，使实验现象更直接.

教材为了增强实验现象的可见性，有些实验采取局部呈现方式，使学生缺乏整体的认识，容易形成错误的概念.如透镜对光的作用，多数教材采用柱状透镜，如图4，呈现两束平行光通过透镜的情形，这样以平面代替立体，明显存在局限性.为了让学生充分认识透镜对光的作用，本人进行如下实验设计：

1.1 感受透镜对光的作用

让学生观察太阳光通过透镜后，观察靠近透镜的白纸上的光斑的大小.学生可以观察到靠近凸透镜的白纸上的光斑明显比凸透镜镜面小，而光斑的亮度比太阳光强了.当紧靠着凸透镜的白纸与凸透镜间的距离增大时，白纸上的光斑先逐渐减小，在白纸上会得到一个最小最亮的点，再继续增大白纸上的光斑又开始变大.而太阳光通过凹透镜后，观察靠近凹透镜的白纸上的光斑明显比凹透镜镜面大，光斑的亮度也比太阳光弱了.再继续增大白纸与凹透镜的距离时，白纸上的光斑不断变大.

在此基础上，让学生完成平行光通过透镜的光路，尝试领会透镜对光的作用.

1.2 呈现透镜立体光路

在学生活动和作图猜想的基础上，采用平行光源演示，让学生直观的观察到凸透镜和凹透镜对光的作用.

将500mL的烧杯倒扣在桌面上，点燃蚊香（或其他能产生烟雾的物体）放入烧杯中一段时间，待烧杯中充满足够的烟雾，移去蚊香.将平行光垂直于杯底照射，如图5所示.将凹透镜放置在杯底，平行光变成发散光，桌面上的光斑明显变大，光也明显变暗，如图6所示.将凹透镜换成凸透镜，平行光变成会聚光，过了会聚点后变得发散，如图7所示.

1.3 分析透镜对光的作用

学生有了透镜对光的作用的初步认识后，再利用透镜模型，呈现会聚光线与会聚作用、发散光线与发散作用之间的区别，使学生认识到：会聚作用的实质是经过凸透镜的出射光线与入射光线相比，出射光线偏向凸透镜主光轴;发散作用的实质是经过凹透镜的出射光线与入射光线相比，出射光线偏离凸透镜主光轴.

如图8甲所示，两条发散光线经过凸透镜后，出射光线是发散的，但与入射光相比，折射光偏向了主光轴，这说明凸透镜对光具有会聚作用.如图8乙所示，折射光线偏向主光轴就是由于凸透镜对光线有会聚作用.

如图8丙所示，两条会聚光线经过凹透镜后，折射光线是会聚的，但与入射光相比，折射光偏离了主光轴，这说明凹透镜对光具有发散作用.如图8丁所示，折射光线偏离主光轴也是由于凹透镜对光线有发散作用.

学生通过观察太阳光通过透镜后的光斑大小变化，加以分析后初步了解到透镜对光线的作用.而观察平行光通过透镜后的立体光路，直观显示出：凸透镜对光的会聚作用，凹透镜对光的发散作用.再观察通过透镜模型的光路，帮助学生认识到：凸透镜不仅对平行光有会聚作用，对任何光均具有会聚作用;凹透镜不仅对平行光有发散作用，对任何光均具有发散聚作用.

2 创新实验步骤，便于学生建立模型

《初中物理课程标准》中要求“了解凸透镜成像的应用”，以举例的方式提出具体要求，其中有：“了解人眼成像的原理，了解近视眼和远视眼的成因与矫正办法”.人教版教材在八年级第五章“透镜及其应用”第四节“眼睛和眼镜”中，通过图示讲解，说明人眼的原理和近视眼、远视眼的矫正.苏科版教材则在第四章“光的折射 透镜”的第四节“照相机与眼球 视力的矫正”中，结合图形首先将照相机与眼球进行对比，再通过一个活动：“模拟探究近视眼的缺陷”让学生认识到近视眼的成像位置及其矫正方法.

笔者在教学中发现，单纯的图示讲解，比较抽象，一般学生难以真正弄清远近不同的物体通过眼睛成像的调节过程，而苏科版教材的活动：“模拟探究近视眼的缺陷”未能全程显示出人眼观察远近不同的物体及其近视眼的成因，对远视眼的成因及其矫正也是在“模拟探究近视眼的缺陷”活动基础上，推理分析得出的.为了能帮助学生理解人眼的原理和视力矫正，苏科版配套光盘中有一段利用水透镜演示实验，效果很好.而教师要能够在课堂上进行现场演示该实验存在许多困难，一是水透镜的制作，没有现成的器材，材料的弹性过大，透镜不规则;材料的弹性太小，则水透镜的焦距难以调节，同时还有材料的透光性问题;二是水透镜实际操作，因为自制水透镜存在工艺问题，常会发生漏水，给实验带来麻烦.如何能克服上述问题呢？笔者对教学过程进行了优化，对实验步骤进行创新，让学生经历远近不同物体通过凸透镜成像的过程，领会人眼的原理，共同提出视力矫正的方案.

2.1 照相机与眼球的对比

首先对照图8，将照相机与眼球进行对比，人眼的晶状体相当于凸透镜，视网膜相当于胶片.照相机中胶片只有在像的位置上时才能得到清晰的像，同样只有当物体通过晶状体所成的像在视网膜上时，人才能看清物体.

为让学生认识到人眼与照相机调节方式的不同，组织学生讨论如何使远近不同的物体在胶片上得到清晰的像，让学生知道照相机是通过调节镜头（相当于凸透镜）与胶片的距离（即像距），使胶片处于远近不同物体通过镜头所成像的位置上.接着用焦距为10cm凸透镜模拟人眼，用光屏模拟视网膜，将它们分别固定在光具座上10.5cm、0cm处（课前进行实验收集的数据）.

先模拟人眼观察远处物体，将蜡烛放置在光具座的顶端，即90cm处，此时光屏上恰好得到一個清晰的像，如图9所示.逐渐将烛焰向凸透镜移动，会发现光屏上的像变得模糊，烛焰一直移到21cm处，此时光屏上出现的是一个光斑，如图10所示.分析可知：此时烛焰通过凸透镜所成的像在光屏后面，而人眼晶状体与视网膜的距离是一定的，即此时光具座上的凸透镜和光屏位置是不能移动的.为了使此时烛焰通过凸透镜所成的像成在光屏上，应该增强凸透镜的会聚能力，即使凸透镜的焦距变短.取两个平凸程度不同的凸透镜，让学生来选择，强化凸透镜的凸出程度越大，焦距越短.接着将焦距为10cm的凸透镜换成将焦距为5cm的凸透镜，此时在光屏上得到一个清晰的像，如图11所示.

通过以上操作，让学生认识到人眼是通过调节晶状体的焦距使远近不同物体的像成在视网膜上，而照相机是通过调节镜头到胶片的距离使远近不同物体的像成在胶片上.

2.2 近视眼的成因与矫正

在此基础上，通过阅读材料，使学生了解到晶状体平凸程度是通过眼球周围的肌肉实现，如长期不注意用眼卫生，当人眼观察远处物体时，造成晶状体的凸出程度偏大.

利用焦距为5cm的凸透镜，即刚才的实验装置，如图11所示，此时光屏上得到一个清晰的像，即人眼能看清近处的物体.当增大蜡烛与凸透镜的距离后，会观察到光屏上的像变模糊，如图12所示.根据凸透镜成像规律可知：此时烛焰通过凸透镜所成的像在光屏的前方，可以用另一光屏找到此时所成像的位置.

正常的人眼此时通过调节晶状体的凸出程度，使晶状体的凸出程度变小，使远处物体的像成在视网膜上.而近视眼晶状体不能放松到相应程度，晶状体的凸出程度偏大，晶状体的会聚能力偏强，使得远处物体的像成在视网膜的前面，造成近视眼看不清远处物体.

为了使此时烛焰（远处物体）所成的像成在光屏上，要使烛焰所成像相对于凸透镜向后移，此时在凸透镜前所加透镜对光有发散作用，即给近视眼带上凹透镜.接着利用事先准备好的近视眼镜，加在焦距为5cm的凸透镜前，恰好在光屏上得到一个清晰的像（此时的物距事先根据所用的近视眼镜确定好，即上课前找到焦距为5cm的凸透镜前加上所用近视眼镜在光屏上得到清晰的像时的物距），如图13所示.

利用传统实验器材，创新实验步骤同样可以帮助学生建立人眼模型，认识人眼的原理，也进一步理解到凸透镜成像的规律.

3 创新实验器材，更利于学生建构知识

现行的物理教材中设计了许多实验，每个实验围绕各自的实验目的，选择必须的实验器材，设计合理的实验步骤.但有些实验设计忽略了学生认知，直接给出了实验操作，学生仅知道怎么做，却不知道为什么这么做.因此在实际教学中，要根据具体实验目的，创新实验器材，科学呈现实验现象，遵循学生认知规律，帮助学生在实验观察中建构知识.

光的反射是日常生活中常见的光现象，也是初中物理关于光现象的重要内容，《义务教育初中物理课程标准（2011版）》中要求是：探究并了解光的反射规律.既然要探究光的反射规律，学生就应经历实验设计过程，从实验目的出发选取适当的实验器材，确定合理的实验步骤.在多个版本的教材中，均设计了探究光的反射定律的实验.

3.1 教材中的实验设计

为探究光的反射规律，不同版本的教材采用了相同的实验装置.如图14所示：一块平面镜M、一个可绕ON偏转的两个白纸板和一激光源.在实验步骤中也都是要求先将纸板垂直于镜面放置，将一束光从一侧纸板E入射到镜面上O点，然后偏转另一侧纸板，找到反射光线，如图15所示.观察两纸板的位置关系，并直接给出法线ON是经过入射点垂直于反射面的，进而得出反射光线与入射光线和法线在同一平面内的实验结论.

3.2 教学中的两点困惑

在实际教学中直接按照教材设计，让学生运用教材中实验装置，按照教材提供的实验步骤，通过实验得出：反射光线与入射光线和法线在同一平面内的实验结论是不困难的.但学生没有经历实验设计的过程，而直接按照教材提供的实验步骤进行实验，总觉得有点囫囵吞枣.因为探究前，反射光线与入射光线位置关系是未知，虽然光的反射现象是常见的，但反射光与入射光的位置关系却是难以观察到的.所以在教学过程中存在两点困惑：一是实验中为什么将纸板垂直于平面镜放置;二是在探究光的反射规律时为什么要引入法线.

3.3 优化后的探究过程

3.3.1 明晰实验目的

探究光的反射规律这个实验名称就包含了实验目的，只是这种表述不够直白，人教版教材对实验目的给出了进一步说明：“光反射时遵循什么规律？也就是说，反射光沿什么方向射出？”.更通俗地讲这个实验目的就是找出反射光的位置.

3.3.2 演示光路变化

为了找到反射光的位置，首先应让学生认识到影响反射光方向的因素有哪些？将一束光照射到放在桌面上的平面镜，在室内相应位置会出现一个光斑，改变入射点位置或入射光的方向，光斑的位置会随之改变，使学生认识到反射光的位置与入射点和入射方向有关.将激光笔固定，保持入射光不变，偏转平面镜同样发现光斑的位置也随之改变，即反射光的位置与平面镜有关.当入射光和平面镜位置一定时，反射光的位置则是唯一的.

3.3.3 观察位置关系

为了确定反射光的位置，先让学生观察入射光、镜面的位置与反射光关系.将透明圆形快餐盒倒扣在水平木板上，在餐盒盖上放置一平面镜，点燃蚊香（或其他能产生烟雾的物体）放入餐盒中一段时间，待餐盒中充满足够的烟雾，移去蚊香，盖好餐盒，用固定在铁架台上的激光笔射出一束光到平面镜上，观察到餐盒内的入射光与反射光，如图16所示.通过改变观察的角度，可以发现：反射光和入射光在同一平面上，此时它们所在平面垂直于平面镜，如图17所示.由此得出反射光与入射光所在平面垂直于反射面.

3.3.4 领会法线作用

在前面实验的基础上，学生认识到了：一束光射到反射面上，反射光的位置是唯一的.反射光的位置满足两个条件：一是与入射光在同一平面;二是反射光所在平面与反射面垂直，即反射光是从入射点出发，在垂直于反射面的平面内传播.为了便于表示出过入射点垂直于反射面的平面，可以过入射点作一条垂直于反射面的辅助线——法线，法线一定是垂直于反射面的.

3.3.5 完成实验探究

在明白反射光线所在平面与反射面的位置关系后，带领学生来设计实验.因为反射光所在平面是垂直于反射面的，为了在纸板上能找到反射光，实验时必须让纸板垂直于平面镜.为了便于确定反射光所在的平面，在纸板上画出一条过入射点垂直于反射面的辅助线——法线ON.當入射光在纸板E一侧射到O点，此时入射光线和法线同在纸板E所在的平面内;偏转另一侧纸板F，观察到只有当纸板F与纸板E在同一平面时，纸板F上才出现反射光，即反射光线所在的平面与入射光线、法线所确定的平面是在同一平面内.总结得出实验结论：反射光线与入射光线、法线在同一平面内.

综上所述，光学教学需要实验创新，其他内容同样也需要实验创新.因此在实验教学中，教师要从学生观察的角度思考如何转变观察的角度，让实验现象更明显、更有利于观察，这需要教师的设计;要从实验现象呈现的教的思考如何将不显现的现象显示出来，让学生能直接观察到，这需要教师的不断思考与实践;要从物理模型建立的角度思考如何将不能呈现的现象，转变为学生可以观察的现象和模型，这需要教师的创新;要从知识本质的出发思考如何通过实验引领学生思维，帮助学生在观察现象的基础上，建构知识，这需要教师的智慧.

参考文献：

[1]汤金波.学生自主创新实验的引导艺术[J].教学研究与评论（课堂观察），2018（2）：24-27.

[2]汤金波，黄网官.学生自主创新实验是未来物理教学的最优途径[J].实验教学与仪器，2018（6）：1-4.