科學探究：平面鏡成像教學實驗的改進與創新摘要：傳統的平面鏡成像實驗存在許多不足之處，在實驗教學中也未貫徹落實科學探究的原則，這就造成了中學生對知識的理解不透。針對以上問題，本文從實驗裝置和實驗教學兩方面進行創新，除了有助于中學生探究平面鏡成像的實質和特征，并且培養了中學生科學探究的思維與科學探究的能力。關鍵詞：科學探究；平面鏡成像；光路圖中圖分類號：G633.7文獻標示碼：A文章編號：1003-6148（2016）11-0030-3平面鏡成像實驗是高中光學重要的實驗之一，這個實驗是必做實驗且適宜中學生進行科學探究，該實驗目的是通過平面鏡成像實驗讓中學生親自感受平面鏡成像的規律和特性，在實驗的過程中把握科學探究的要素和技巧。但是，實際實驗教學療效常常差強人意，普遍存在中學生虛假探究、探究不深、理解不透的現象。1平面鏡成像實驗教學存在的問題中學生之所以未能真正理解平面鏡成像的規律與特性，最主要的緣由是傳統的實驗教學存在一些問題，主要表現在以下幾個方面：1.1實驗儀器的不足傳統實驗首先放一個透明玻璃板在中間，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通使之與像重合。
這個實驗中像的位置不易確定，存在較大的實驗偏差，還有隨著時間的流逝，燃起的蠟燭會越燒越短，此時說像與物體大小相同就顯得很牽強。而且直接拿兩根完全相同的蠟燭進行實驗，相當于直接告訴中學生像和物體的大小是相等的，這違反了科學探究原則，不利于中學生科學探究能力的培養。1.2實驗原理的忽略傳統教學中許多班主任解釋平面鏡成像原理時，直接告訴中學生是因為光的反射造成才能在玻璃板后邊看見一個實像，這么這個像是如何產生的呢？教材上也未畫出平面鏡成像的光路圖來進行說明，這忽略了對畫圖法等科學方式的顯性教育。而且在關于平面鏡成像的考題中，考察的幾乎都是畫一個物體所成的像，幾乎沒有考察畫這個物體在平面鏡上的光路圖，這就造成中學生很難把握平面鏡成像的根本原理。2實驗教學設計針對以上問題，筆者對實驗器材進行了改進，借以讓中學生經歷科學探究的過程，在科學探究活動中，把握科學探究活動的設計方式，學會采集實驗和探究的證據，并能進行科學的處理，因而真正理解平面鏡成像的根本緣由以及像的特性。2.1實驗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驗。
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，這個像雖然并非由光的反射所產生的。最主要的誘因還是中學生覺得玻璃板才能被看穿，然而平面鏡不能，解決這個問題的關鍵是讓中學生理解玻璃板成的像是如何產生的。因此，筆者設計了如圖1所示的實驗裝置，來幫助學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成一個袋子，并把這個袋子置于一塊厚紙板上，使玻璃板與厚紙板垂直，接著將一張座標紙插在玻璃板與厚紙板之間，并用夾子固定好。構成袋子的紙板內表面貼著紅色紙，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，實像不夠清晰，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打一個洞，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，班主任應當讓中學生比較玻璃板所成的像與平面鏡所成的像的優缺。中學生會發覺此時玻璃板所成的像看上去好似是白色袋子里的燈被關時平面鏡所成的像。
班主任應立即提問中學生紅色袋子和玻璃板組成的組合可以看作哪些，中學生們就立即聯想到了平面鏡。只不過這兒的平面鏡長度比較厚，所成的像在平面鏡里，這符合中學生的認知特征，感遭到玻璃板取代平面鏡的科學性與可靠性，因而中學生就很容易接受借助玻璃板來探究平面鏡成像。本節課的另一個創新點是借助積木取代傳統的蠟燭，達到形狀、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，讓中學生以小組為單位，共同探究物體所成像的特性。中學生從形狀、大小不同的積木里選擇一個積木置于所成的像的位置，經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“標記物”，在這兒運用到的科學探究方式是等效取代法。接著兩個物體一比較中學生都會發覺成像特性：像的形狀、大小與物體完全相同。同時，可以看見玻璃板所成的像在玻璃板后邊，把物體往前移，遠離玻璃板，所成的像也遠離玻璃板。要求中學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驗，中學生會找出平面鏡成像的另一個特征：像距等于物距，像的位置由物體的位置所決定。本節實驗教學中，把知識的學習和探究方式的學習置于同等重要的位置，重視讓中學生自己去體驗探究的過程，體會探究的樂趣，做到在體驗高中習知識。
2.3畫光路圖確定像的位置在學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，對平面鏡成像的內涵亦未加以彰顯，這就造成中學生不理解光路圖和平面鏡成像的位置之間的關系。為了解決這個問題，本節實驗教學中引入了畫圖法從科學凸顯的角度讓中學生真正理解平面鏡成像的原理。首先，調整“標記物”的位置，直至像與標記物完全重合，把紅色袋子拿開，讓中學生用一支鋼筆貼近物體的斜邊在座標紙上畫邊界線，畫的圓形表示物體的位置；接著，選定方形邊上的任意一點為光源點，打開激光筆光源并使激光筆光線過這一點照射在玻璃板上的任意一點，此時中學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。接出來應當充分發揮中學生的主觀能動性，讓她們改變入射光的路徑重復上述步驟，得到幾組光路圖。幾組光路圖畫出來，中學生會發覺入射光與出射光彼此對稱，她們還會提出猜測：出射光是不是反射光？此時，班主任應鼓勵中學生自己想辦法驗證，中學生通過自己的驗證發覺推測是正確的，因而證明了該實驗裝置可以反射光并遵守反射定理。從提出猜測到驗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，充分發揮中學生的主觀能動性，中學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，這對提高其數學學習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行下一步，用一根刻度尺順著所有反射光線的延長線畫實線，如圖4所示。其實，所有實線凝聚在像的某一點上，這一點就是上面所選定的物點的像點，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像，由于這個像點并非由實際光線凝聚而成。為了進一步提高中學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，讓中學生畫光路圖來確定像的位置并預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，為學生建構平面鏡成像的認知結構，因而除了使中學生真正理解平面鏡成像的內涵，而且培養了中學生科學探究的思維與能力。2.4實驗教學總結本實驗教學設計最主要是從實驗儀器上進行了更改與創新，除了使教學顯得有效率，但是科學探究方式也貫串在整個教學設計中。從上文的論述可以看出實驗儀器有以下幾個特征：（1）通過畫光路圖來解釋像是如何產生的。（2）從兩方面確切地確定像的位置，一個是實驗中直接觀察像的位置，另一個是通過光路圖確定。（3）明晰地看見物距和像距相等探究平面鏡成像特點，而且證明了像的大小等于物體的大小。本節關于平面鏡成像的實驗教學設計是以科學探究為中心，重視科學猜測和驗證，班主任在整個實驗教學中只是起到引導作用，采用“半放”甚至“全放”的方法，讓中學生自己去發覺問題、解決問題。在探究的過程中重視對猜測的驗證，讓中學生意識到任何一個推論的得