1. 引言
《义务教育科学课程标准(2022年版)》中指出：科学核心素养主要包括科学观念、科学思维、探究实践、态度责任。核心素养各要素之间相互依存、共同构成一个完整的体系，体现了科学课程的育人价值。实验是科学探究教学的核心，在探究的过程中能够提高学生动手能力、问题解决能力和实践创新能力。“探究凸透镜成像规律”作为中学课程要求里必做的实验之一，对于研究光学现象的物理规律是不可或缺的学习内容。近几年来，除了传统使用的蜡烛和“F”型光源，教研人员还从不同的方面对透镜成像的教具进行了改良。在2018年，周亚洲等[1]利用了LED灯设计了“爱心”形状的灯样，该教具在外形上设计新颖；2021年，邵一充等[2]利用铁丝、圆环、细杆等材料，制成了可以活动的滑杆，能够在纸板上呈现入射和出射透镜光线的光路图，该教具能够将“看不见摸不着”的光线实体化，以光路图的形式展现不同距离下光路的变化过程；2022年，杨涛[3]利用了软磁贴来表示像的大小、正倒的变化范围，该教具能够加强课堂的互动性，提高学生们的参与度；2023年，李体智等[4]对传统的“F”光源进行了改造，将立体光源变成面光源，该教具能够提高光屏成像的清晰度，并且光源与光座在同一竖直平面，减小测量误差。
以上教具各有优点，但在对于“像”的性质和成像过程中观察与分辨的研究还较少，且传统实验中在研究“倒像”规律时只验证上下倒立，很少通过实验去比较像与物的左右特点。初中生正处于从“具体形象思维”向“抽象逻辑思维过渡”的认知阶段，学生对静态图、孤立公式的理解存在困难，而动态视觉在促进学习者主动参与、科学概念理解等方面具有优势。动态视觉包含三维动画、模拟仿真及动态实验等。陈飞等[5]从建构主义视角证明了三维动画制作能够有效提高学生的动手能力和实践能力。陈历轩等[6]以建构主义学习理论和视觉思维理论为基础，探讨了虚拟仿真技术在物理教学中的应用。研究表明，虚拟仿真实验结合常规教学在一定程度上有利于加深学生对物理模型的理解和构建。但是无论是三维动画还是虚拟仿真往往都会忽略物理世界中的关键细节从而导致认知偏差，而真实实验带来的直观感受、实操挑战、核心素养的培养具有其他动态视觉技术都难以复制的优势。
基于此，本文针对传统透镜成像实验演示过程中存在的问题以及学生对知识理解的偏差，对实验教具进行创新性的设计和改造。新型教具突破传统只能以静态图像呈现的效果，改为利用动态光源来演示透镜成像动态变化过程，能够更好地激发学生们的好奇心和学习兴趣，提供更直观、生动的学习体验。
2. “探究凸透镜的成像规律”创新型实验教具设计思路
2.1. 传统教具的不足
传统凸透镜成像实验中大多采用蜡烛和“F”型光源。采用蜡烛作为光源，其材料易于获取，成本低廉，“倒立”的现象直观可见。但由于蜡烛火焰产生的光线并不均匀，易受风力、温度等外界环境的影响，导致成像的稳定性不佳、图像易模糊不清。而且随着实验时间的流逝，蜡烛会越烧越短，所成的像会逐渐偏离光屏中心。此外，由蜡烛产生的“倒像”能看出竖直方向上的倒立情况，但是难以分辨像的左右变化。蜡烛的材料和火焰的形状限制了其成像质量和可调节性，因此只能用于展示基本的透镜成像原理，而无法解释“像”的含义，也无法进行一些需要精密控制和测量的实验。“F”型光源是实验室做透镜成像实验常见的工具之一，相比蜡烛，虽然需要专门购买，利用的场景不多，但胜在能够提供更明亮、稳定持久的光源，而且节能环保、安全性高，装拆简单、携带方便。但仍存在着一些不足，例如“F”型光源中的“F”是竖直放置的，在实验后得出了凸透镜所成的实像是上下左右颠倒的结论，该论据较为单一，论证过程不够科学严谨。此外，将上下倒立和左右倒立的图像结合在一起讲解，使得部分抽象思维和图形构建能力较弱的学生难以立即反应过来，不利于理解形成的过程，只能记住结论，导致解题时生搬硬套。
2.2. 凸透镜成像实验创新思路
动态图像可以通过运动、演变过程等方式呈现信息，使得抽象的概念更加具体化、可视化。此外动态变化的图像往往更加生动有趣，能给学生带来新奇感，激发学生的好奇心和学习兴趣。因此，教师可以通过展示动态变化的图像来增加课堂氛围的活跃度，鼓励学生积极参与讨论和思考。对于F型光源，虽然能够体现成像时上下左右均有变化的整体特征，但是整体描述容易忽略掉图像中一些细节信息，也不利于清晰表达具体方向上的变化。因此，可以将光源设计为两种：一种为单箭头指示光源，将其安装在可旋转支架上，通过旋转其指示不同方向探究“倒像”；一种为可顺时针或逆时针旋转的圆形光源，不仅可探究“倒像”，也可探究物与像的动态转向是否相同。
3. 创新型实验教具
本文设计的创新型凸透镜实验教具原理示意图如图1所示。光源发出的光经凸透镜成像在观察屏上。光源分为单箭头指示型动态光源和可顺时针旋转的圆式光源。两种光源均采用跑马灯原理设计，主要元件有STC89C51单片机、5 mm LED灯、译码器、若干电阻及电容。电路原理图如图2所示，实物图如图3所示。光源、凸透镜、观察屏均可以在光具座上滑动。光具座上带有刻度尺，可直接测量光源、透镜和观察屏的位置。通过改变光源和透镜间(物距)、透镜和观察屏间(像距)的距离可探究凸透镜成像规律。
Figure 1. Schematic diagram of the innovative teaching aid for “exploring the imaging laws of convex lenses”
图1. “探究凸透镜的成像规律”创新型教具原理图
Figure 2. Schematic diagram of the dynamic light source circuit
图2. 动态光源电路原理图
(a) (b)
Figure 3. Physical diagram of the dynamic light source: (a) Single arrow-indicating light source; (b) Circular rotating light source
图3. 动态光源实物图：(a) 单箭头指示型光源；(b) 圆形转圈式光源
4. “探究凸透镜的成像规律”创新型教具应用效果
结合该创新实验装置，教师教学过程可设计两个探究活动。
4.1. 探究一：探究凸透镜成倒立、放大实像和倒立、缩小实像的规律
初中物理“探究凸透镜成像规律”实验的目标包括能够明确焦点、焦距、物距、像距的定义，通过实验操作，总结并掌握凸透镜成像的3种典型规律。笔者设计的创新型教具可为该学习目标提供支持。
将单箭头指示型光源固定在某位置并做好标记，转动支架夹使箭头指向向下，打开光源开关。取用焦距为3 cm的凸透镜，移动凸透镜的位置，并保持与光源相距较远，调整光线的聚焦点，使其与屏幕上的成像位置重合。缓慢移动光屏，直到光屏上出现清晰的像为止，如图4所示，记录光源和光屏的位置刻度，将数据填在表1中。进行多次实验，记录像在光屏上放大、等大、缩小、消失时，物距和像距的大小，探究凸透镜成倒立、放大实像和倒立、缩小实像的规律。
Figure 4. Image formation by a convex lens with a focal length of 3 cm
图4. 焦距为3 cm的凸透镜成像
Table 1. Experimental table for the laws of image formation by convex lenses
表1. 凸透镜成像规律实验表
4.2. 探究二：“倒像”的含义
传统凸透镜成像实验中，当物距大于像距时所成的实像是上下倒立的，我们把它称为“倒像”。那在“倒像”的横向方向上，许多同学对于横向的倒向不是很清楚。本教具通过可旋转的支架将单箭头指示光源灵活转动360度进行各方向的“倒像”演示，并且动态旋转的圆圈式光源也可以加深学生对“倒像”的进一步认识。教学过程如下：
提问一：假如现在我们有一个“F”型光源，利用此光源进行“探究凸透镜成像规律”的实验时，从光源处观察光屏上出现的“倒像”应该是什么形状？请大家在纸上画一下。
学生活动一：在纸上画出各自答案。
教师活动：收集学生答案并进行统计。
实验探究：首先安装好单箭头指示光源，转动支架夹，将单箭头指示光源调整为垂直于竖直平面向内的方向，调节光源与凸透镜之间的距离，保证物距大于2倍焦距，满足成“倒像”条件，调节光屏位置，找到最清晰的像。通过观察，我们可以看到像指向垂直于竖直平面向外的方向。由此说明，成“倒像”时，像的左右方向也发生了颠倒，如图5(a)所示。再将单箭头指示光源更换为圆形转圈式光源，其余保持不变。打开光源开关，观察所成的像转动的方向。实验如图5(b)所示，通过观察我们可以看到像与物转动的方向相同，即光源顺时针旋转，像也顺时针旋转，而且光线在上半圈时，像在下半圈。由此可以说明，像发生了颠倒，而且因为最终转向相同，所以像上下左右都发生了颠倒。由此，我们可以得出结论：“倒像”是上下左右都倒立的像，相当于将原物体旋转180˚后得到的。
(a) (b)
Figure 5. Experiment for the “inverted image” exploration activity: (a) Single arrow-indicating light source; (b) Circular rotating light source
图5. “倒像”探究活动实验：(a) 单箭头指示型光源；(b) 圆形转圈式光源
提问二：通过刚刚的实验探究，我们知道“倒像”是上下左右都倒立的像。回到提问一，请学生再次作答？
学生活动二：在纸上画出各自答案。
教师活动二：收集学生答案并进行统计。
4.3. 应用效果
本文将创新教具应用于课堂教学，对“倒像”实验开展前后测试，学生针对同一问题进行作答，结果显示实验开展前学生作答正确率为43%，实验探究后学生作答正确率为98%。前后对比可发现该创新教具能解决传统教具中学生对“倒像”认识的不足。除了通过课堂中的前后测试外，笔者也在课后询问了学生及老师的感受和意见。通过访谈了解到，该教具动态的图像能够抓住学生的眼球，吸引注意力，从而在后面的实验演示教学中集中精神听讲。另外动态变化的箭头清晰地指明了图像运动的方向，能够帮助理解“倒像”不仅上下倒立，而且左右也颠倒的概念。
5. 总结
本文对凸透镜成像的教学工具进行了创新改造，该创新教具与传统教具的最大区别在于将静态图像变成了动态变化的图像，能够在教学时抓住学生们的眼球，提高注意力的集中度，从而引起学生们的学习热情，活跃课堂气氛，提高学习氛围。将原本“F”型光源整体成像的变化，利用可旋转的支架夹和单箭头指示光源，分为在上下方向的运动和在左右方向的运动，由此来分开说明像在不同方向上的变化。虽然增加了一些操作步骤，但在教师的讲解过程中学生能够更加清晰直观地区分。在外形设计上，舍去了带有特定形状和含义的外观，采用了能够明确指向的箭头和完全对称的圆形，使得学生们的关注点集中于光的动态变化，而不受形状等无关因素的干扰。在教师描述操作步骤和观察方向时，能够准确表达，不引起歧义。利用了学生对新鲜事物的好奇心，将动态变化引入到透镜成像实验中，做到了与传统教具明确区分的亮点，体现了“新”意。同时设计时考虑到该年龄层学生的理解和思维能力，选择了更为明显的图标指示来说明变化的过程，使学生能够“知其然又知其所以然”。