巧設創新實驗 凸顯科學思維

袁超

摘? ?要：在初中物理光學實驗教學中，以三個初中物理光學創新實驗，從改“抽象問題”為“直觀實驗”，改“觀察現象”為“體驗過程”，改“平面實驗”為“立體實驗”，三個視角出發，闡述如何通過設計創新實驗培養學生科學思維。。

關鍵詞：創新實驗;光學實驗;自制教具、科學思維

引言

初中物理實驗具有真實、直觀、形象、生動的特點，通過物理創新實驗能夠將抽象的物理觀念具體化，激發學生的學習興趣。此外，教師在巧設創新實驗的過程中，還可以讓學生自己動手，體驗“解決問題，獲得成功”的喜悅[ 1 ]，這對學生科學思維的培養具有至關重要的作用?；诖?，筆者以三個初中物理光學創新實驗教具的制作為例，從改“抽象問題”為“直觀實驗”、改“觀察現象”為“體驗過程”、改“平面實驗”為“立體實驗”三個視角出發，闡述了如何通過設計創新型實驗培養學生的科學思維，旨在為一線物理教師在進行自制實驗教具培養學生科學思維的教學改革方面提供參考。

1? 改“抽象問題”為“直觀實驗”，培養學生建模能力

物理實驗能夠讓學生從直觀的現象中體驗到物理知識的本質，在抽象的問題中提煉出其中所蘊含的道理。但現行教材中有些物理問題的呈現較為抽象，僅依靠教師講解或動畫演示，難以實現培養學生創新思維的教學效果。因此，通過對抽象的物理問題進行實物模型的建構方式，將“抽象問題”轉化為“直觀實驗”，能夠在激發學生學習興趣的同時，助力學生思維的過渡，進而培養了學生模型建構的能力。

案例1：日食、月食演示儀

1.1? 教材處理

在滬科版“光的反射”一節中，雖未提及日食、月食的相關內容，但是，日食、月食作為光沿直線傳播的較為抽象的重要典例，如采用傳統的講授式教學，學生理解難度大。因此，筆者依據改“抽象問題”為“直觀實驗”的原則，制作了如下裝置進行教學。

1.2? 實驗改進

（1）制作材料

地理演示教具——“三球儀”、手電筒、小反光鏡。

（2） 制作方法

如圖1所示，在三球儀中的“太陽”上裝一盞手電筒;在“月亮”上黏一塊小鏡片。

1.3? 實驗過程

（1）模擬日食——旋轉平臺，讓“月亮”剛好處于“太陽”和“地球”之間，手電筒發出來的光剛好被“月球”擋住，這時在地球上就能看到一個黑斑。

（2）模擬月食——繼續旋轉平臺，使“太陽”處于“月球”和“地球”之間，這時“月球”上小鏡片反射的光被“太陽”擋住后，就無法形成完整的光斑。

1.4? 實驗創新

（1）通過實物模型的建構將抽象、復雜的問題，變成一個直觀的演示實驗進行突破，讓學生真正明白到底是：“誰”把“誰”的光擋住了。

（2）取材方便，制作簡單。

2? 改“觀察現象”為“體驗過程”，增強學生探究意識

探究性實驗是指學生通過實驗、探索、分析、研究得出結論，形成科學概念的一種認知活動[ 2 ] 。將傳統的教師“做實驗”、學生“看實驗”的演示實驗方式轉化為學生自主的探究過程，讓學生在教師的啟發與引導下，從實驗材料、實驗方法、實驗步驟等方面進行探究，自主發現并解決問題，對學生探究能力的培養具有重要意義。

案例2：探究眼球成像原理實驗

2.1? 教材處理

眼球的晶狀體變焦過程及視力的矯正，是滬科版《神奇的眼睛》的重點和難點。但是教材中卻無相關的探究實驗，僅有幾張插圖，教師在處理這部分內容時大多只是用水透鏡進行演示實驗，但該實驗器材可視性較差，不能夠有效地激發學生的探究欲望和探究意識?；诖?，筆者依據改“觀察現象”為“體驗過程”的原則，通過設置分組探究性實驗，來提高學生的創新能力。

2.2? 實驗改進

（1）制作材料

圓珠筆芯、礦泉水瓶、凸透鏡、PE膜、LED燈源、眼球結構模型、攝像頭、大小夾子。

（2）制作方法

如圖2，此裝置包括F型LED燈源（模擬觀察的物體）、自制水透鏡（模擬晶狀體和睫狀?。?、眼球結構模型（模擬視網膜）等。其中水透鏡是將兩個凸透鏡中的玻璃鏡片用PE膜替換，然后粘貼在一起，中間利用圓珠筆芯與礦泉水瓶相連，擠壓水瓶，水便進入水透鏡中，從而鼓起（如圖3）。

2.3? 器材功能

（1）通過手擠壓瓶子調節水透鏡的焦距，模擬晶狀體。

（2）手用力擠壓，模擬睫狀肌緊張用力的過程。

（3）睫狀肌長期緊張用力，就像瓶子被擠壓變形無法恢復原狀，模擬近視眼的形成。

（4）在矯正近視眼時，此套裝置還用于模擬所需要用到的可變焦凹透鏡。（只需在灌水時，先將瓶子捏扁一點再旋上蓋子，就成了可變焦凹透鏡）。

（5）在矯正遠視眼時，此套裝置還用于模擬所需要用到的可變焦凸透鏡。

（6）在沒有條件做到分組實驗的情況下，也可以通過眼球內的攝像頭，將視網膜上成的像投影出來。

2.4? 實驗過程

2.4.1? 通過投影演示，讓學生了解眼球成像儀的工作原理

在教學過程中，學生認識眼球的結構后，又會產生了新的疑問“為什么眼球能夠看清遠、近不同的物體呢？也就是說物距發生改變了，像為何還呈現在視網膜上”。所以，教師為了突破此難點，應引導學生理解晶狀體的調節作用——晶狀體在睫狀肌的作用下可以使其球面曲度發生改變。為了讓學生更好的理解水透鏡曲度與成像的關系，筆者利用眼球模型內的攝像頭進行演示：當瓶內的水擠入水透鏡時，可變焦晶狀體的球面曲度增大;松手，水又從水透鏡內倒流進入瓶內，則晶狀體的球面曲度減小，視網膜上的像清晰程度就因此發生了變化。92F9E5FE-9192-4AB4-BECC-04D2DE2161A3

2.4.2? 探究眼睛如何看清遠近不同的物體（如圖4）

組織學生分別將物體放置在距離眼球遠近不同的位置開展實驗，同時通過擠壓瓶子改變晶狀體的曲度使其清晰成像。通過實驗學生可發現：要看清近處物體時，擠入的水較多，晶狀體曲度變大;反之要看清遠處物體時，曲度變小。最后，通過實驗探究，引導學生總結出：

（1）所成的像是倒立的。

（2）看近處物體時晶狀體的曲度較大，看遠處物體時晶狀體的曲度較小。

（3）眼睛看物體時，像是近大遠小。

2.4.3? 探究近視眼的成因及矯正方法（如圖5）

由于近視眼是長時間看近處物體而引起，因此用大夾子擠壓瓶子使液體推入水透鏡中，水透鏡曲度過大，從而模擬近視眼的晶狀體。此時將LED燈源推向遠處時，因近視眼的晶狀體曲度不能及時恢復，會聚能力過強，視網膜上的像變模糊，實際所成像落在視網膜的前方（驗證：拿一個光屏放在視網膜前方，可見清晰倒立的F字）。最后，在眼球前方放置一個自制變焦凹透鏡（跟模擬晶狀體的自制水透鏡一樣，只是裝水時先將瓶子稍微捏扁一點，蓋上蓋子后膜內的水被吸入瓶內，薄膜因此向內變凹，就成了可變焦的凹透鏡），像又可以落到視網膜上了。從而說明近視眼可用凹透鏡矯正。

2.4.4? 探究遠視眼的成因及矯正方法（如圖6）

由于老年人睫狀肌松弛，張力不夠，看近處的物體時，晶狀體曲度不夠，教師可引導學生利用小夾子擠壓瓶子使液體推入水透鏡中，水透鏡的曲度較小，從而模擬遠視眼的晶狀體。而將LED燈源推向近處時，因遠視眼的睫狀肌張力不夠，晶狀體曲度不足，會聚能力弱，視網膜上的像變模糊，實際所成像應落在視網膜的后方（驗證：將視網膜上的開口打開，拿一個光屏放在視網膜后方，可見清晰倒立的F字）。最后在眼球前方放置一個自制變焦水透鏡，擠壓瓶子、調節水透鏡的曲度，像又可以落到視網膜上了。從而說明遠視眼可用凸透鏡矯正。

2.5? 實驗創新

同傳統的水透鏡相比，該實驗儀器優勢在于：

（1）裝水方便，膜內不容易有氣泡：一開始往膜內灌水時，有些許氣泡，只需將塑料瓶倒置，將膜內的氣泡抖入瓶內，再倒置回來后，氣泡就停留在瓶蓋的下方。因瓶蓋下方的管子較長（如圖7），所以無論如何擠壓瓶子，都只有水進出透鏡，氣泡不會進入到水透鏡內部。

（2）可用手擠壓瓶子，模擬睫狀肌的工作原理：瓶子壓久了，需要一段時間才能恢復原狀，模擬近視眼的形成，從而培養學生科學的用眼習慣。

（3）結合眼球模型，形象生動，學生易于理解。

（4）可利用攝像頭進行投影，增加可視性：在條件受限不方便分組實驗時，可利用儀器內的攝像頭進行投影演示。

（5）制作簡易，成本低廉，操作簡單。

3? 改“平面實驗”為“立體實驗”，拓展學生空間思維

物理觀念的形成總是和理想模型密不可分，而理想模型的構建需要一定的空間思維能力。在平時的教學中，教師應該注重拓展學生的空間思維，這對于學生學習物理有很大的幫助] 3 ]。光學的學習難點在于光線是在一個立體空間內，看不見又摸不著的物理模型，傳統實驗也只是將光線呈現在一個平面空間內，不利于學生空間思維的培養。因此，筆者嘗試將“平面實驗”改為“立體實驗”，來拓展學生空間思維。

案例3：探究光的折射規律實驗

3.1? 教材處理

在探究光的反射規律時，滬科版教材中提到的將（如圖8）教具中光屏的右半部向后折，在右半邊光屏上無法看到折射光線，就證明三線在同一平面內。筆者認為這種驗證方法不夠嚴謹，因為當右半邊光屏向后折時，光屏上承接不到折射光線，只能說明折射光線沒有射向光屏的后方，但光屏的其他方位呢？所以，為了提高本實驗探究的嚴密性，筆者是利用如下創新實驗組織教學。

3.2? 實驗改進

3.2.1? 制作材料

鐵架臺、平底燒瓶、重垂線、橡膠塞、滴有牛奶的水、香、激光筆。

3.2.2? 制作方法

如圖9，將裝有適量水（水中滴加幾滴牛奶）的平底燒瓶固定在鐵架臺上，瓶內掛有重垂線，起到法線的作用。瓶的兩側印有角度，用來測量折射時的入射角和折射角。

3.3? 實驗過程

（1）用香在平底燒瓶中添加煙霧。

（2）探究光從空氣斜射入水時角度的變化規律——用激光筆分別從瓶上方的不同角度，對準分界面與重垂線（法線）的交點入射，記錄入射角、折射角。

（3）探究光從水中斜射入空氣時角度的變化規律——改變激光筆的位置，讓激光分別從瓶下方不同角度，對準分界面與重垂線（法線）的交點入射，記錄入射角、折射角。

（4）探究光路可逆——用另一根激光筆逆著原來的折射光線射回去，觀察此時折射后的光線是否能和原來的入射光線重合。

3.4? 實驗創新

（1）制作簡單、成本低廉。

（2）將光的折射現象呈現在立體空間內，拓展學生的空間思維能力。

（3）可視性高，可以讓各個方向的學生都能觀察到清晰的實驗現象。

結束語

課堂教學不僅要提高學生的學習成績，更重要的是要培養學生的科學素養，提高學生的科學思維。在課堂教學中巧用創新實驗，能夠使教師真正做到以學生為主體，引導學生在發現和探索問題的過程中，把握問題的實質，增強探究體驗，激發創新能力，從而促使其科學思維得到發展。

參考文獻：

[1] 張娜.注重創新能力培養的中學物理實驗教學設計研究[D]. 長沙：湖南理工學院，2018.

[2] 黃玉婷.淺談如何在初中物理探究性實驗教學中開展小組合作學習[J].新課程（中學），2018（5）：148.

[3] 肖紫珍，廖婷.物理教學中空間形象思維能力的培養[J].中學物理教學參考，2018（14）：8-9.92F9E5FE-9192-4AB4-BECC-04D2DE2161A3