“三创”助力创新实验提高教学效率
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.
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.
