光学启蒙教育的研究与实践，本文主要内容关键词为：启蒙教育论文,光学论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
启蒙教育课程教材的编写以及教学实验都应当以学生的生活积累或已熟悉的知识为基础，以此为出发点，依据学生的年龄特征，心理、生理特点循序渐进地逐步深化、扩展。然而考查传统的初中物理教材和教学结构，在有关光的知识部分似乎与上述常理有悖。传统初中光学教材缺少由生活现象到形成理论知识的过程，一开始就以定义几何光学的光线为起点，并一直以光线描述平面镜、凸透镜成像等问题。这样处理教材学生难于真正理解光线的行为，教学中也反映出这一问题。我们认为初中光学的知识起点应当是日常生活中的光线、光束，随着教学实施过程的发展再逐步抽象、概括提高，不能把初中光的知识定位于几何光学的高度，充其量也只能是光现象，光的初步知识。
1 对不同层次教材进行比较，提出教材改革的理论框架
为了研究国内外光学教材中最基本的概念的描述，规律的建立，研究初中光学教材内容与体系的发展变化。我们首先对不同层次的教材进行统计，然后对统计结果进行分析，最后提出我们的建议。
对光线概念的描述，教材中有三种说法：传播方向说（有许多教材是这样给光线下定义的。即光传播方向上的直线叫做光线。有些教材是从波的角度给光线下定义的。即光线这个概念代表平行波列的传播方向。）能量说（有些教材从能量角度给光线下定义。即辐射能量流动方向的一条直线叫光线。）细小光束说（有些教材从光束角度给光线下定义。即极细小的光束叫做光线。）
反射、折射规律的建立，各本教材都采用了观察实验的方法，通过实验总结出了规律。
初中光学教材内容按通常的分法分成8个部分，即（1）光的直线传播；（2）光的反射；（3）平面镜成像；（4）球面镜；（5）光的折射；（6）透镜；（7）凸透镜的应用；（8）光的色散和物体的颜色。
通过对8种初中教材的统计可以看出，初中光学教材的体系有4种。
A体系顺序是：（1）—（2）—（3）—（4）—（5）—（6）—（7）—（8）；
B体系顺序是：（1）—（2）—（4）—（3）—（5）—（6）—（7）—（8）；
C体系顺序是：（1）—（8）—（2）—（3）—（4）—（5）—（6）—（7）；
D体系顺序是：（1）—（2）—（5）—（8）—（3）—（4）—（6）—（7）。
内容比重分析： 各部分所占比重解放前后有较大的变动， 人教社1979年版中，光的折射、透镜部分所占比重较大，20世纪90年代后各种版本教材除了透镜、透镜应用及光的色散、物体的颜色比重差异比较大外，其他各部分比重基本上稳定，变化不大。
我们认为教材的编写和教学实施的起点应贴近生活，对光线应当容许在不同的范围有不同的说法。特别是从教学的角度，这是早有先例的。生活中关于光线的说法早已成为客观存在的事实，我们必须以此为起点，向几何光学过渡那是后续要做的工作。先从生活经验中总结出光沿直线传播的规律，在此基础上提出一个关于光线的模糊说法：由于光是沿直线传播的，所以人们常用光线一词来谈论光；在物理学的研究、学习中常用标有箭头的直线表示光线的传播路径和方向；实验中常用细小的光束代表光线来研究光的行为。
我们生活中充满了光现象，但是认识、理解真实存在的光束并不是不说自明的，因为如果不是直接进入眼睛我们是看不见光的。这就需要借助一些手段来显示光束的形象。各种手段之中当首选实验。例如，借助烟尘对光的散射可以三维地显示真实光束的形象。其次是借助作图或模拟三维或二维地对光束形象进行描述，利用计算机制成多媒体三维动画则是更为先进的手段。不管利用什么手段都是为了认识真实的光束，只有学生对真实光束有了清晰形象的认识才能使教学建立在实实在在的基础上。初中物理光学教学应贴近生活，设计、选用从实验、画图、模拟、多媒体等各种手段以真实光束的形象描述光的反射、折射、平面镜成像、凸透镜成像等光现象，并在后续的教学中以真实光束的行为为背景进行抽象概括，提出光线概念并用几何方法描述光的行为。如此才符合启蒙教育的认知规律。
2 调查前概念对光学启蒙教育的影响
前概念是学生在没有接受正式的物理教育以前，对所感知到的现象、生活中的常识与经验进行总结加工得出的认识和理解。在教学实践中大量事实说明前概念对物理教学干扰很大，极大地阻碍了学生对科学概念的建立，严重地影响了物理的教学质量，为了考查学生对初中光的知识的理解和掌握情况，我们设计了问卷进行调查。
从调查结果可以看出，绝大部分学生认识到光是沿直线传播的，但光的传播需要时间，许多学生认识不清；有一部分学生认为人眼、动物眼是发光的，认为光是无色的；他们对反射与折射问题已有了初步的认识，但不少学生没有认识到物体对光的反射及光通过两种介质的交界面时要发生偏转；从问卷中可以看出初一学生对凹、凸面镜不十分了解；有81％的学生认为日常我们照的镜子成像大小与物体距镜的远近有关，离镜越近成像越大。有58％的学生认为用穿衣镜照人时，如果想照到全身像，必须保证镜子高度大于或等于人的身高，可见平面镜成像是教学上的一个难点；从调查可以看出初一绝大部分学生已对透镜有了初步的了解，我们认为教学意味着给学生提供这么一个环境，让他们意识到自己存在着前概念，让他们清楚自己知道些什么以及怎样获取这些东西的。教学应该引导学生逐步转变、拓宽、建立、改进、重建他们的思维结构。
3 以光束为基础解释平面镜成像
应用平面镜对光束的作用解释平面镜成像。可以把平面镜与球面镜加以对比，得出结论：凸面镜对光发散，凹面镜对光会聚，而平面镜对光既不会聚也不发散，只改变光的传播方向，如图1所示。 得出这一结论的途径可以用实验、作图或计算机模拟。 （我们已制成多媒体课件1件，并于1999年8月北戴河全国评比会上获三等奖）
以平面镜对光的作用为基础对平面镜的成像进行解释， 过程如图2所示。图2（a）表示物点S射向四面八方的光，其中虚线MN 为将要放置的平面镜位置，SMA与SNB两条虚线所夹范围内的光束将照射到未来放置的平面镜上。实际光束是三维的，在平面图中为二维显示。结合三维动画我们可以做下述解释：从光源上S点发出的光传向四面八方， 发出光的这一点通常我们称它为光点或物点，光在传播过程中遇到一面平面镜，射到平面镜上的光是一束以物点为顶，以镜面为底的锥形光束。这束光被平面镜反射。如果人眼在反射光束的范围内，对着光射过来的方向看过去就好像这束光是物点从镜后射过来的一样。这是人们习惯于光的直线传播的缘故。实际上物点并不在镜后。我们把镜后的这一点叫物点的虚像。我们可以用折纸的方法模拟说明平面镜成像的过程。在后续的教学中再以上述入射到平面镜上的锥形光束为背景，提出用其中任意两条光线，并根据反射定律作图进行分析。
图1 平面镜对光束的反射
图2 平面镜成像
4 以光束为基础解释凸透镜成像
对凸透镜成像的解释是以透镜对光的作用为基础的。不妨先用烟尘演示透镜对光的作用，如图3所示，将一个大烧杯倒扣在桌面上， 里面充以烟雾。用手电筒做光源，在其头部玻璃片上贴一黑纸做的光阑。光阑孔径2～3cm。用手电筒发的光从烧杯底处向下照，调节聚光套圈使烟雾中显示的光束呈上下粗细均匀的光柱。然后在烧杯底上放凸透镜，烟雾中显示柱状光束被会聚成对顶的锥形光束；放凹透镜，显示柱状光束被发散成上小下大的台状光束。对光束的显示是立体的，从前后左右都有观察。学生对光束以及透镜对光束的作用有了形象、直观的认识以后再来讲凸透镜成像。 从物点射出的光照射到凸透镜上的是一个以物点S为顶，以凸透镜的镜面为底的锥形发散光束，如图4所示， 经凸透镜会聚后形成一对对顶的锥形光束，其对顶点S′就是光束会交之点。这个点的明暗、色彩均与物点相像，这就是物点的实像。然后再由点的像说到物体的像（这里谈的仅为实像，虚像从略）。至此讲像的形成可以告一段落。在后续的学习中，以上述光束解释为背景从其中抽象出三条特殊光线就水到渠成了。用计算机模拟上述过程会收到良好的效果。（我们已制成多媒体课件1件并于2000年11月在中山市全国评比会上获二等奖）
图3 透镜对光的作用
图4 凸透镜成像
以烟雾显示真实光束的形象，继而以凸透镜对入射锥形光束的作用解释成像，最后抽象出三条特殊的光线，循序渐进由具体到抽象，符合认知规律。
5 开窗口扩大眼界
初中物理光的知识不宜定位于几何光学，基本内容是常识性的，即一方面不应拔高向几何光学靠拢，另一方面也不应局限于几何光学的范围。应将知识面尽可能扩大一些，有些知识可能深奥难懂，但不防开个窗口让学生看一看外面的世界。除光与颜色之外不妨也介绍一些关于光的近现代知识以及光的应用技术和一些史料，这对于扩大学生眼界，提高素质都是有益的。有些内容可以在教材中排成小号字，作为选学或课外阅读材料。
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