顾永健

（苏州工业园区星澄学校，江苏 苏州 215122）

探究“凸透镜成像规律”是初中生学习的难点.传统课堂中，有的教师讲一步、学生做一步，将探究实验变成了验证实验，学生被动地“获得”了规律；有的教师前期准备不足，中途不断给学生的探究按下“暂停键”，最终出现规律的“强推硬塞”现象.如何让探究真实、畅快地进行，是初中教师一直关注的问题.

布鲁纳的“发现学习”是让学生通过自己发现知识形成的过程，以获取知识并发展探究思维的学习方式.其基本过程是，学生从各种特殊事例归纳出结论，并用之来解决新问题.在“发现学习”中，学生的主要任务不是接受和记住现成的知识，而是参与知识的发现过程；教师的任务也不是向学生传授现成的知识，而是为学生发现知识创造条件和提供帮助.基于“发现学习”的“凸透镜成像规律”课堂实践，引导学生层层深入，从“初探”“再探”到 “精探”，学生自主发现现象中隐藏的规律，有效地突破了教学的难点.

1 教学过程

1.1 初探：凸透镜能成不同的像

活动1.出示一块平面镜，平面镜能成什么样的像？你在平面镜的哪侧去观察到它成的像？为什么？

活动2.出示一块大凸透镜，放在教师的手指前，透过透镜会看到怎样的一个像？——正立放大的像.

光线经过凸透镜发生偏折形成了像，与光的反射不同，如果要看像，则应该在光线透过透镜的一侧去找.

活动3.透过透镜看远处的物体，发现了什么？——倒立缩小的像.

教师将只能由少数几个学生观察的现象，呈现在光屏上——倒立缩小的实像.

在上述活动的基础上，学生讨论、解决以下问题.

（1）同一个凸透镜，成像不同的原因可能是什么？

（2）如果改变物距，是不是还可以找到更多不同特点的像？

教学意图：“发现学习”要充分利用学生已有的知识、经验.在学生学习凸透镜成像规律之前，他们已学习了平面镜成像、凸透镜对光的作用等知识，有使用放大镜观察物体的经验等.这些都是进行“发现学习”的基础.从平面镜成像到凸透镜成像，让学生发现了更多不一样的像，很顺利地引导学生进行了猜想.针对凸透镜成像规律的复杂性、物理名称的多样性，在教学中通过光屏接收，自然地引出了“倒立缩小的实像”，至于“正立放大”的是虚像还是实像，教学中并没有直接给出答案，而是设置悬念，在探究过程中再逐步完善.另外，通过平面镜利用光的反射成像与凸透镜利用光的折射成像的对比，也为怎样找凸透镜成的像留下伏笔.

1.2 再探：物距不同，像距不同，像也不同

出示物体（用LED灯带自制F发光体）、演示用凸透镜（直径约15 cm，固定在铁架台上）和光屏（半透明膜蒙在1 m×1 m的木框上）.

师：由前面的活动可知，凸透镜、物体和光屏按怎样的顺序摆放？

生：凸透镜在中间，两侧分别摆放物体和光屏.

师：将凸透镜固定在中间某个位置，然后将物体不断地移动，从而改变物距去找像.

师：像要成在光屏中央，像才完整.请两位同学上讲台移动光屏，看如何才能做到？

生：透镜的光心、发光物体的中心和光屏的中心要在同一直线上.

师：测凸透镜焦距时，太阳光要正对凸透镜.三心在一条直线上就够了吗？

生：三者的中心还要在同一高度上.

师：如何让光屏上的像最清晰？请同学继续移动光屏，找到解决的办法.

生：光屏上得到像后再将光屏前后移动，使像最清晰.

师：如何找到更多的像？此时像到透镜的距离会变化吗？

生：移动物体，让物体处在离凸透镜不同的位置.光屏上的像要清晰，像距也要变化.

在将物体放在凸透镜前不同的距离处，并移动光屏，居然分别得到了两种像——倒立缩小的实像、倒立放大的实像.

师：我们不仅要得到像，更要研究成像背后的规律，你认为要作哪些记录？

生：物距u、像距v和像的特点（正立/倒立、放大/缩小等）.

出示光具座，学生思考并讨论，光具座的设计是否能方便地帮助大家解决以上问题.

教学意图：“发现学习”要让学生通过观察、操作、体验等方式经历实验探究过程，教师则要思考优化实验器材，科学组织探究过程.其中对实验器材的认识和实验操作要点的理解是科学探究中不可忽略的环节.几乎每个学校的实验室都配备了光具座，但它的出现不能太突然，否则较多的操作要点，容易让学生手忙脚乱，使探究无法正常开展.教学中充分利用教材提供的实验图（如图1），并选取大口径凸透镜、自制发光体和光屏，进行探究前的系列铺垫、热身活动，有效地避免了传统教学中“教师示范操作、学生模仿验证”的做法.通过活动，学生发现物体、凸透镜和光屏“三心等高共线”是为了像完整成在光屏中央，前后移动光屏是为了找到更清晰的像；而要比较物距、像距，自制的教具存在一定的困难——这些体验，为学生对光具座的认识和使用、对实验方案的设计和进一步分组探究扫清了障碍.

图1

1.3 精探：像距、物距与焦距间的关系

利用光具座、发光物体、凸透镜（f=10 cm）和光屏，要求学生在光屏上分别找到缩小的像和放大的像，读出光具座上对应的物距、像距，并填在设计的表格中（如表1）.

表1 实验记录

师：请同学们分析表格中数据，凸透镜成倒立缩小像时物距和像距的大小关系？成倒立放大像时物距和像距的大小关系又怎样？

生：u＞v时，成倒立缩小的实像；u＜v时，成倒立放大的实像.

生：物距越大，像距越小；反之，物距越小，像距越大.

师：凸透镜能成倒立等大的实像吗？如何用实验证明你的猜想？

生：可以将光源和光屏同时向两侧移动相同距离，直到像清晰时为止.

学生再探，将现象补充在表1中，发现凸透镜成倒立等大的实像时，u=v=2f.换个f=20 cm或其他焦距的凸透镜实验，结果也是如此.

结论：凸透镜成倒立等大实像的条件：u=v=2f.凸透镜成缩小像的时候，u＞2f，v＜2f；成放大像的时候，u＜2f，v＞2f.引导学生再观察表1各次实验中物距、像距的大小，还有什么更新的发现？

生：物距、像距都比焦距大.

师：这不会又是一个了不起的发现吧？如果物距小于焦距，会成什么样的像？

学生实验，发现无论怎样移动光屏，都不能得到清晰的像.

师：不成像吗？会不会是我们找像的方法不正确？前面的的像都能用光屏接收，是实像，这次会不会是虚像？

师：开始上课时我们用平面镜观察过虚像，因为是光的反射，所以我们逆着反射光线的方向看到了虚像.如果凸透镜能成虚像，是光的折射，你认为可以怎样看到虚像？

生：逆着折射光线的方向.

学生交流讨论观察虚像的方法，并将光屏取下，眼睛朝着透镜的方向观察，看到了正立放大的像.

师：刚上课时凸透镜放在老师手指前，大家看到的就是正立放大的虚像，也就是我们熟悉的用放大镜近距离观察时，物体所成的像.请同学们再猜u=f时凸透镜能成怎样的像？

动画演示：折射光线或折射光线的延长线无法相交，说明不成像.

结论：一倍焦距也是个特殊的位置.u=2f与u=f是凸透镜成像时的两个特殊位置，在这两个位置，像的大小、虚实分别发生了变化.

师：大家回看各次实像和成虚像时的数据，能说说它们与2f、f间的大小关系吗？像距是不是也有这样的特点？

师：像距没有小于一倍焦距的，是实验次数太少还是另有原因？如果我们将物体移到3f、4f、5f甚至更远的地方像会在一倍焦距以内吗？

生：不需要.刚上课时，教室外远处的物体经凸透镜在光屏上成的也是倒立缩小的实像.

师：平行光经凸透镜会聚于焦点.远处物体成像，相当于平行光，像靠近焦点，但不会到达焦点.所以成实像时，像永远在一倍焦距以外.u＞2f，f＜v＜2f，这就是凸透镜成倒立缩小实像的条件.请同学们把其他各次实验的物距、像距与f、2f的大小关系用不等式列出来，找出并交流凸透镜成像的规律.

教学意图：凸透镜成什么像，是由它的物距、像距与焦距间的关系决定的，凸透镜成像的规律也就是找物距、像距与焦距间的关系，这将是学生遇到的最大的难题.在“发现学习”中，教师通过设置问题情境，提供有助于形成概括结论的路径，提升学生探究发现的品质和能力.从在光屏上找到一个像开始，让学生交流各自的物距、像距大小，引导学生发现各种现象的显著特点并逐步缩小观察范围，最终将注意力集中在“u=2f成倒立等大实像”这个中心点.在此基础上，引发学生对“u=f”又一个特殊位置成像的猜想并加以验证，推导概括出结论.对于虚像的观察和位置的判断，源于平面镜成像与光的折射知识的学习，教师充分把学习主动权还给学生，引导学生将获取的新知纳入到认知结构中的适当位置，并运用于新的情境中，使其得以巩固和深化，形成迁移能力.

2 实践体会

在分析教材的基础上，围绕学习目标，教师创设台阶式问题情境，为学生搭建自主探究的平台，让学生亲历问题的形成、问题的解决过程，经历严谨的分析与推理过程，加深对物理现象的感知和对规律的整体把握.学生在学习活动中出现思维障碍而无法突破时，教师要通过引导来激活学生的思维，促其自主探究、自主发现能顺利进行.对于学生的大胆设想教师应给予充分肯定，对其合理成分及时给予鼓励，爱护、扶植学生的自发性直觉思维，让学生感到心理自由和安全，不断树立学习的自信心.本课中，学生的探究并未就此停止，在教师引导下他们还将继续针对下面的问题进行探究.

（1）通过透镜可以直接看到虚像.则成实像时，不用光屏用眼睛能直接看到吗？应如何观察？

（2）既然凸透镜成像与物距、像距和焦距有关.如果用不同的焦距的透镜，同一物距，成的像是相同还是不同呢？

（3）实验中，光屏上找不到像的原因可能有哪些？

（4）实验中，若将凸透镜遮挡一部分，光屏上的像会有什么变化？为什么会有这种变化？