科學(xué)探究：平面鏡成像教學(xué)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)與創(chuàng)新摘要：傳統(tǒng)的平面鏡成像實(shí)驗(yàn)存在許多不足之處，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中也未貫徹落實(shí)科學(xué)探究的原則，這就造成了中學(xué)生對知識的理解不透。針對以上問題，本文從實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)教學(xué)兩方面進(jìn)行創(chuàng)新，除了有助于中學(xué)生探究平面鏡成像的實(shí)質(zhì)和特征，并且培養(yǎng)了中學(xué)生科學(xué)探究的思維與科學(xué)探究的能力。關(guān)鍵詞：科學(xué)探究；平面鏡成像；光路圖中圖分類號：G633.7文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A文章編號：1003-6148（2016）11-0030-3平面鏡成像實(shí)驗(yàn)是高中光學(xué)重要的實(shí)驗(yàn)之一，這個(gè)實(shí)驗(yàn)是必做實(shí)驗(yàn)且適宜中學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究，該實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖峭ㄟ^平面鏡成像實(shí)驗(yàn)讓中學(xué)生親自感受平面鏡成像的規(guī)律和特性，在實(shí)驗(yàn)的過程中把握科學(xué)探究的要素和技巧。但是，實(shí)際實(shí)驗(yàn)教學(xué)療效常常差強(qiáng)人意，普遍存在中學(xué)生虛假探究、探究不深、理解不透的現(xiàn)象。1平面鏡成像實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題中學(xué)生之所以未能真正理解平面鏡成像的規(guī)律與特性，最主要的緣由是傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在一些問題，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1.1實(shí)驗(yàn)儀器的不足傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)首先放一個(gè)透明玻璃板在中間，之后在玻璃板上面放一根燃起的蠟燭作為物體，最后拿與前一根蠟燭完全相同的蠟燭在玻璃板后邊聯(lián)通使之與像重合。
這個(gè)實(shí)驗(yàn)中像的位置不易確定，存在較大的實(shí)驗(yàn)偏差，還有隨著時(shí)間的流逝，燃起的蠟燭會(huì)越燒越短，此時(shí)說像與物體大小相同就顯得很牽強(qiáng)。而且直接拿兩根完全相同的蠟燭進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，相當(dāng)于直接告訴中學(xué)生像和物體的大小是相等的，這違反了科學(xué)探究原則，不利于中學(xué)生科學(xué)探究能力的培養(yǎng)。1.2實(shí)驗(yàn)原理的忽略傳統(tǒng)教學(xué)中許多班主任解釋平面鏡成像原理時(shí)，直接告訴中學(xué)生是因?yàn)楣獾姆瓷湓斐刹拍茉诓ＡО搴筮吙匆娨粋€(gè)實(shí)像，這么這個(gè)像是如何產(chǎn)生的呢？教材上也未畫出平面鏡成像的光路圖來進(jìn)行說明，這忽略了對畫圖法等科學(xué)方式的顯性教育。而且在關(guān)于平面鏡成像的考題中，考察的幾乎都是畫一個(gè)物體所成的像，幾乎沒有考察畫這個(gè)物體在平面鏡上的光路圖，這就造成中學(xué)生很難把握平面鏡成像的根本原理。2實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)針對以上問題，筆者對實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行了改進(jìn)，借以讓中學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究的過程，在科學(xué)探究活動(dòng)中，把握科學(xué)探究活動(dòng)的設(shè)計(jì)方式，學(xué)會(huì)采集實(shí)驗(yàn)和探究的證據(jù)，并能進(jìn)行科學(xué)的處理，因而真正理解平面鏡成像的根本緣由以及像的特性。2.1實(shí)驗(yàn)裝置打算光的反射定理可以用來解釋平面鏡成像和玻璃板成像，但是許多中學(xué)生卻不理解為何要用玻璃板來取代平面鏡做平面鏡成像實(shí)驗(yàn)。
她們覺得平面鏡所成的像是在平面鏡上面，而且玻璃板所成的像在玻璃板的另一面，這個(gè)像雖然并非由光的反射所產(chǎn)生的。最主要的誘因還是中學(xué)生覺得玻璃板才能被看穿，然而平面鏡不能，解決這個(gè)問題的關(guān)鍵是讓中學(xué)生理解玻璃板成的像是如何產(chǎn)生的。因此，筆者設(shè)計(jì)了如圖1所示的實(shí)驗(yàn)裝置，來幫助學(xué)生理解平面鏡成像的特性。首先，將白色玻璃板和四塊紙板組合構(gòu)成一個(gè)袋子，并把這個(gè)袋子置于一塊厚紙板上，使玻璃板與厚紙板垂直，接著將一張座標(biāo)紙插在玻璃板與厚紙板之間，并用夾子固定好。構(gòu)成袋子的紙板內(nèi)表面貼著紅色紙，目的是降低玻璃板周圍毋須要的光的影響，因而平面鏡所成的像才能清晰地被看見。在這兒之所以選白色玻璃板而不選透明玻璃板是由于透明玻璃板透光性強(qiáng)，實(shí)像不夠清晰，但是要注意的是玻璃板必須與水平面完全垂直。紅色袋子的上方可以適當(dāng)打一個(gè)洞，讓一部份光照射在袋子里，這樣物體所成的像更容易聽到。2.2確定像的位置把自制的白色長方體（可以用積木取代）作為物體置于玻璃板上面，可以聽到玻璃板前面物體所成的像。此時(shí)，班主任應(yīng)當(dāng)讓中學(xué)生比較玻璃板所成的像與平面鏡所成的像的優(yōu)缺。中學(xué)生會(huì)發(fā)覺此時(shí)玻璃板所成的像看上去好似是白色袋子里的燈被關(guān)時(shí)平面鏡所成的像。
班主任應(yīng)立即提問中學(xué)生紅色袋子和玻璃板組成的組合可以看作哪些，中學(xué)生們就立即聯(lián)想到了平面鏡。只不過這兒的平面鏡長度比較厚，所成的像在平面鏡里，這符合中學(xué)生的認(rèn)知特征，感遭到玻璃板取代平面鏡的科學(xué)性與可靠性，因而中學(xué)生就很容易接受借助玻璃板來探究平面鏡成像。本節(jié)課的另一個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)是借助積木取代傳統(tǒng)的蠟燭，達(dá)到形狀、大小可變，安全的作用。白色長方體作為物體所成的像是立體的，如圖2所示，讓中學(xué)生以小組為單位，共同探究物體所成像的特性。中學(xué)生從形狀、大小不同的積木里選擇一個(gè)積木置于所成的像的位置，經(jīng)過幾次嘗試直至找到與像完全重合的積木，則這塊積木就取代像，稱為“標(biāo)記物”，在這兒運(yùn)用到的科學(xué)探究方式是等效取代法。接著兩個(gè)物體一比較中學(xué)生都會(huì)發(fā)覺成像特性：像的形狀、大小與物體完全相同。同時(shí)，可以看見玻璃板所成的像在玻璃板后邊，把物體往前移，遠(yuǎn)離玻璃板，所成的像也遠(yuǎn)離玻璃板。要求中學(xué)生用刻度尺分別檢測物體到玻璃板的距離和像到玻璃板的距離，再改變物體的位置多次實(shí)驗(yàn)，中學(xué)生會(huì)找出平面鏡成像的另一個(gè)特征：像距等于物距，像的位置由物體的位置所決定。本節(jié)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，把知識的學(xué)習(xí)和探究方式的學(xué)習(xí)置于同等重要的位置，重視讓中學(xué)生自己去體驗(yàn)探究的過程，體會(huì)探究的樂趣，做到在體驗(yàn)高中習(xí)知識。
2.3畫光路圖確定像的位置在學(xué)校平面鏡成像的光路圖和確定像的位置是分開來教的，但是教材中沒有給出平面鏡成像畫圖的步驟，對平面鏡成像的內(nèi)涵亦未加以彰顯，這就造成中學(xué)生不理解光路圖和平面鏡成像的位置之間的關(guān)系。為了解決這個(gè)問題，本節(jié)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入了畫圖法從科學(xué)凸顯的角度讓中學(xué)生真正理解平面鏡成像的原理。首先，調(diào)整“標(biāo)記物”的位置，直至像與標(biāo)記物完全重合，把紅色袋子拿開，讓中學(xué)生用一支鋼筆貼近物體的斜邊在座標(biāo)紙上畫邊界線，畫的圓形表示物體的位置；接著，選定方形邊上的任意一點(diǎn)為光源點(diǎn)，打開激光筆光源并使激光筆光線過這一點(diǎn)照射在玻璃板上的任意一點(diǎn)，此時(shí)中學(xué)生可以看見從光源處形成的入射光和來自玻璃板的出射光；最后，中學(xué)生順著激光光線畫帶箭頭的線分別表示入射光路和出射光路，如圖3所示。接出來應(yīng)當(dāng)充分發(fā)揮中學(xué)生的主觀能動(dòng)性，讓她們改變?nèi)肷涔獾穆窂街貜?fù)上述步驟，得到幾組光路圖。幾組光路圖畫出來，中學(xué)生會(huì)發(fā)覺入射光與出射光彼此對稱，她們還會(huì)提出猜測：出射光是不是反射光？此時(shí)，班主任應(yīng)鼓勵(lì)中學(xué)生自己想辦法驗(yàn)證，中學(xué)生通過自己的驗(yàn)證發(fā)覺推測是正確的，因而證明了該實(shí)驗(yàn)裝置可以反射光并遵守反射定理。從提出猜測到驗(yàn)證推測的探究過程中，班主任不加以任何干涉探究平面鏡成像特點(diǎn)，充分發(fā)揮中學(xué)生的主觀能動(dòng)性，中學(xué)生除了加深了對知識的理解，并且在一定程度上獲得成就感，這對提高其數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)的興趣有一定的幫助。
上一步只是證明了玻璃板對光有反射作用，要確定像的位置還需進(jìn)行下一步，用一根刻度尺順著所有反射光線的延長線畫實(shí)線，如圖4所示。其實(shí)，所有實(shí)線凝聚在像的某一點(diǎn)上，這一點(diǎn)就是上面所選定的物點(diǎn)的像點(diǎn)，可見通過這些方式除了確定了像的位置，但是不須要光屏就可以證明平面鏡所成的像是實(shí)像，由于這個(gè)像點(diǎn)并非由實(shí)際光線凝聚而成。為了進(jìn)一步提高中學(xué)生畫光路圖來確定像的位置的能力，班主任可以用一支筆作為物體任意形式置于平面鏡上面，讓中學(xué)生畫光路圖來確定像的位置并預(yù)測玻璃板后所成的像的特性。畫圖法的引入直接突顯了平面鏡成像的過程，為學(xué)生建構(gòu)平面鏡成像的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，因而除了使中學(xué)生真正理解平面鏡成像的內(nèi)涵，而且培養(yǎng)了中學(xué)生科學(xué)探究的思維與能力。2.4實(shí)驗(yàn)教學(xué)總結(jié)本實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)最主要是從實(shí)驗(yàn)儀器上進(jìn)行了更改與創(chuàng)新，除了使教學(xué)顯得有效率，但是科學(xué)探究方式也貫串在整個(gè)教學(xué)設(shè)計(jì)中。從上文的論述可以看出實(shí)驗(yàn)儀器有以下幾個(gè)特征：（1）通過畫光路圖來解釋像是如何產(chǎn)生的。（2）從兩方面確切地確定像的位置，一個(gè)是實(shí)驗(yàn)中直接觀察像的位置，另一個(gè)是通過光路圖確定。（3）明晰地看見物距和像距相等探究平面鏡成像特點(diǎn)，而且證明了像的大小等于物體的大小。本節(jié)關(guān)于平面鏡成像的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)是以科學(xué)探究為中心，重視科學(xué)猜測和驗(yàn)證，班主任在整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中只是起到引導(dǎo)作用，采用“半放”甚至“全放”的方法，讓中學(xué)生自己去發(fā)覺問題、解決問題。在探究的過程中重視對猜測的驗(yàn)證，讓中學(xué)生意識到任何一個(gè)推論的得