像的性質與觀察探析

游天下

(慈溪市庵東實驗學校 浙江 寧波 315300)

凸透鏡成像實驗和小孔成像實驗是初中光學非常重要的實驗.教學中，教師通常較注重通過實驗得出成像規律，進而讓學生掌握對成像規律的應用，忽視對所觀察到的像的特征準確描述和分析.本文通過分析2020年寧波市中考科學第10題獲得啟示，反思教學行為，解讀教材中的部分表述.

1 試題呈現與分析

1.1 試題呈現

【例1】在“探究凸透鏡的成像特點”實驗中，所用凸透鏡的焦距為10 cm，光屏是用表面涂有白漆的鐵板制成.小科把“F”發光物置于離凸透鏡13 cm處，移動光屏，在光屏上找到清晰的像，如圖1所示.小科看到光屏上像的形狀和大小分別是( )

圖1 探究凸透鏡的成像特點實驗裝置

1.2 試題分析

根據題中透鏡的焦距、物距大小，可知此時發光體“F”所成像的性質是倒立、放大的實像.由上述分析，90%以上的學生選擇選項B，簡單地將“F”倒立觀察，得到選項B，學生認為看到的像的特征就是所成像的性質.兩“像”是否可以完全等同呢？這顯然是不對的，對于像的性質判斷本身沒有問題，但沒有注意到實際觀察方位不同，所觀察到的像的形狀可能不同，按照圖中視線方向觀察到的像應該是選項A的形狀，且像放大，該題錯誤率非常高.觀察“F”發光體的視線是在“F”光源的右側，那么正確觀察其“像”應該也要從光屏的右側.試題有兩處限定了觀察的視角，一是光屏是用鐵板制成的，無法透光，不能從光屏右側進行觀察，二是圖中對眼睛觀察的視線做了明確標注.而遺憾的是，這些都沒有成為很多學生進行試題分析的有效信息，簡單地套用成像規律，陷入解題誤區.試題重視對實際實驗過程的考查，注重考查教師在教學過程中，對實驗的觀察進行指導，還原了實驗現象的真實性，弱化了實驗結論在實驗過程中的導向作用.試題對指導教師平時教學行為有積極的意義，要告別題海戰術，提高實驗效率，發揮實驗教學的應有價值.

2 凸透鏡成像實驗教學

2.1 實驗目的

在傳統的教學中，實驗目的主要是通過實驗得出物距、焦距、像距的大小關系對成像性質的影響，得出成像規律.在該目的指引下，一般更多的會從像的正倒、大小、虛實來探究所成像的性質規律，較少通過實驗來比較像與物的左右特點.不重視學生對實驗過程的發現，對學生的觀察缺少指導.實驗目的不能僅定位在得出實驗結論，還應關注學生觀察、實驗技能的提高以及方法的獲得，關注學生交流合作與傾聽，實驗目的是否準確完善，將直接影響教師對后續實驗的引導，關乎實驗的成效.因該內容教學時實驗目的單一，學生遇到上述問題時，只會用結論去解釋現象，而不能根據具體情況進行具體分析.

2.2 實驗器材

在科技的推動下，實驗光源逐漸由蠟燭向LED燈轉變.用點燃的蠟燭作為光源時，像的正倒易于觀察，像與物的大小關系也較好判斷，但無法準確比較，不便于比較像與物的左右特點.隨著科技的發展，LED燈在生活中被普及，也走進了實驗課堂.上述試題中的“F”發光體，目前在凸透鏡成像實驗中被廣泛使用，相較于燭焰有以下優點：安全；光源穩定，不易受氣流的影響；成像清晰，普通光屏兩側都容易觀察；能準確地比較像與物的大小關系；方便觀察像與物的左右特點.傳統的燭焰光源，光亮度弱，只有一側光屏觀察到的像較為清晰，像的左右特點不易比較，這也是造成上述問題難以解決的原因之一.

實驗中的光屏一般選擇白屏，有一定的厚度，透光性不高，如果限于實驗條件，用燭焰作為光源時，面對凸透鏡一側成像清晰度明顯高于背對凸透鏡一側.長期的實驗基本上都是從面對凸透鏡一側的光屏面觀察像.幾乎很少會有學生從另一側光屏面觀察物像，這是人們利用感官觀察的本能反應.在教學中，如果能利用半透明的薄紙作為光屏，為學生提供多種光屏進行選擇，或許學生能夠發現，觀察方位的差異會影響所看到像的形狀.這體現了STEM理念中的器材選擇原則，不同的器材，在同一實驗中有不同的作用，多比較各自的特點，多嘗試，能呈現不同的實驗效果，衍生更多的實驗問題進行探討[1].上述試題，學生出錯率高，最主要的原因是教師教學時缺少對學生觀察的指導，教師沒有啟發學生用多種光屏進行觀察比較，從而錯過了該有的實驗經歷.由此可見，教師自身對實驗的解讀尤為重要，實驗效果定位的層次不同，學生在實驗中的收獲就有較大的差異.

透鏡的選擇也很重要，一個裝滿水的圓柱體水杯是一個凸透鏡，水銀體溫計的玻璃體也是一個凸透鏡，近些年這些特殊的凸透鏡在教材、在試題中出現的頻率增加，學生對這些情境的分析存在較大的困難.教師在教學中，幫助學生理解了常規的凸透鏡，但沒有對凸透鏡概念進一步細化，缺少用多種凸透鏡讓學生進行實驗體會，因此學生在分析這些問題情境時遇到了不小的困難.

2.3 實驗現象與結論

實驗時，教師心中對實驗現象有確定性和不確定性，教師往往會根據自己已有的結論引導學生關注該有的確定性的實驗現象.對不確定的、偶發的現象，常沒有預設，也不引起重視，長此以往學生發現問題的能力大大減弱.這種只觀察接近結論的現象在現實教學中很多，但直接影響學生發現問題的能力、質疑的精神.如上述試題，教師若能在實驗器材的準備上給予學生更多的選擇，指引更多的觀察方式，表達更多的觀察發現，學生的思維則會更靈動.課標中明確指出，在獲取事實與證據的過程中，要求學生能進行一系列的觀察、比較和測量[2].這里強調學生發現的多樣化、教師評價的多元化.鼓勵、肯定學生的發現，注重學生探究意識和探究能力的發展.在表達與交流過程中，交換意見，得出的結論會更有價值.

3 小孔成像實驗教學

3.1 試題比較與分析

3.1.1 試題比較

上述中考試題的實驗裝置，若將凸透鏡換成小孔，亦可開展小孔成像的性質觀察，如圖2所示為實驗效果圖.

圖2 探究小孔成像的特點

由圖可知，從靠近小孔一側的光屏面觀察到的物像，其左右特征與物體相同.因此，上述凸透鏡成像實驗的注意事項，在做小孔成像實驗時也同樣要引起重視.如不加以重視，學生還是會對觀察物像一知半解.如下試題學生也同樣存在較大的困惑.

【例2】如圖3所示為小明同學用易拉罐自制的小孔成像儀，下列說法正確的是( )

圖3 用易拉罐自制小孔成像儀

A.半透明紙上的像形狀與小孔形狀有關

B.要使半透明紙上的像變大只能將紙筒相對于易拉罐向右移動才能實現

C.若用不透明硬紙板替代半透明紙則AB物體仍然可以通過小孔成像

D.物體AB通過小孔成的像上下倒立，左右不倒立

3.1.2 試題分析

試題正確答案是選項C.但筆者通過測試統計發現，兩個班級80位學生，做對的學生僅有2人，遠低于隨機選擇概率.從中說明幾乎所有學生認為選項C是錯誤的，在與學生交流時發現，他們認為“半透明紙是透光的，能看到像，硬紙板不透光沒有像”.將能否成像與能否在一側看到像相混淆.學生之所以會出現這種判斷，和筆者當初對該實驗教學的引導、對實驗問題的分析有很大的關系.通過該例，反思教學行為，依然存在實驗目的不明確、實驗器材不豐富、實驗現象與結論指向過于明確這些問題.如實驗器材，該實驗是華師大版科學教材提供的實驗裝置原型，用半透明的紙作為光屏，利用半透明紙的透光性，在背對小孔一側的光屏上觀察像，能讓觀察到像的形狀與所成像的性質相吻合.如果用如圖2的裝置進行實驗，則可以從光屏兩側觀察像的形狀，方便比較物距變化、像距變化引起像的大小及亮度變化，通過移動光源來觀察像的移動特點也較方便.因此，該例雖考查內容與例1中考試題不同，學生對試題的反應是類似的，學生出錯的根源是相似的.

3.2 教材分析

華師大版科學教材七年級下冊第三章第2節“陽光的傳播”，其中介紹沈括與《夢溪筆談》時，采用了如圖4所示插圖，并配有如下一段文字，“若鳶飛空中，其影隨鳶而移，或中間為窗隙所束，則影與鳶遂相違；鳶東則影西，鳶西則影東，又如窗隙中樓塔之影，中間為窗所束，亦皆倒垂……”史料記載了鳶的影子以及鳶和樓塔通過窗戶小孔所成的像的特點[3].根據上述分析，如果把地面作為光屏，那么教材中畫出的鳶的像是有問題的，像的左右應該與物一致，上下顛倒.只有通過背對小孔一側的光屏面觀察像，才會呈現圖4中鳶的像.若經歷上述的實驗探究，可以讓學生猜測一下，按照教材的作圖，沈括應該如何用光屏來觀察物體的像.

圖4 教材中介紹沈括與《林溪筆談》插圖

4 結束語

成像存在規律，通過實驗來認識這種規律不再是教學的唯一難點和增長點.實驗的功效絕非只是得出某一結論或某一規律，而應認識到實驗對學生發現問題、分析問題能力的培養.上述對于像的觀察，觀察到像的形狀不一定就是所成像的性質，觀察方位對所看到像的形狀有直接的影響.凸透鏡成像實驗和小孔成像實驗在教材中雖獨立呈現，但在實驗的目的、器材的選擇等方面卻有很多相通之處.教學中進行相互比較借鑒，可優化實驗的成效，可使學生更深刻地理解成像與觀察到的像的本質問題.