基于科学探究的凸透镜成像规律深度学习方案-以八年级科学（华东师大版）为例

基于科学探究的凸透镜成像规律深度学习方案——以八年级科学（华东师大版）为例

一、教学内容分析

从《义务教育科学课程标准（2022年版）》看，本课隶属于“物质科学”领域“能的转化与能量守恒”主题下的“光现象”部分。课标不仅要求学生知道凸透镜成像的几种主要情况，更强调通过科学探究来“发现”成像规律，体验从物理现象中归纳科学规律的过程。在知识技能图谱上，本课是“光的反射与折射”知识的纵深应用，也是理解照相机、投影仪、放大镜等光学仪器原理的基石，具有承上启下的关键作用。其核心认知要求从“识记”现象跃升至“理解”规律并对规律进行“应用”，思维层次要求较高。过程方法上，本节课是训练学生完整科学探究能力的绝佳载体，涉及“提出问题猜想与假设设计实验进行实验分析论证评估交流”的全流程，尤其是控制变量法和数据图像分析法的综合运用。在素养价值层面，本节课通过严谨的实验探究，旨在培养学生尊重证据、实事求是的科学态度；通过小组合作探寻规律，发展协作与交流能力；通过将规律应用于解释生活科技产品，体会科学对技术、社会的推动作用，实现知识学习与素养发展的同频共振。

基于“以学定教”原则，对八年级学情进行研判：学生已具备光的直线传播、反射与折射等基础知识，生活中对放大镜、眼镜等透镜应用有感性经验，兴趣浓厚。然而，学生的前概念（如普遍认为“凸透镜只能成放大的像”）将成为探究的认知起点与冲突点。主要的思维难点在于：从纷繁的实验现象中归纳出“物距像距像的性质”三者间的动态、定量关系，并理解“焦点”和“二倍焦距点”在规律中的分界意义。为动态把握学情，将在课堂中设计系列“前测”问题（如：“用凸透镜看近处和远处的物体，像有何不同？”）和观察任务，通过巡视指导、倾听小组讨论、分析随堂实验数据等方式进行过程性评估。针对不同层次学生，教学将提供差异化支持：对基础薄弱学生，提供操作步骤提示卡和关键概念脚手架；对思维敏捷学生，则引导其思考更深入的开放性问题（如：如何用此规律改良一款光学设备？），确保每位学生都能在“最近发展区”内获得成长。

二、教学目标

知识目标：学生将系统建构凸透镜成像的规律体系。他们不仅能准确描述物距（u）大于二倍焦距（u>2f）、介于一二倍焦距之间（f<u<2f）及小于焦距（u<f）时的成像特点（倒立/正立、放大/缩小、实像/虚像），还能理解焦点（F）和二倍焦距点（2F）作为成像性质变化的两个关键分界点的意义，并能在新的问题情境中应用该规律进行解释和预测。

能力目标：学生将以小组为单位，经历完整的探究性实验过程。他们能够独立或在同伴协作下，规范操作光具座，有序收集多组物距、像距及像的性质数据；进而能够运用表格和坐标图像（如1/u1/v图像）对数据进行处理与分析，从中归纳出成像的初步规律；最后，能够清晰、有条理地陈述本组的发现，并对他组的结论进行质疑或补充。

情感态度与价值观目标：在协同探究的“微科研”氛围中，学生将体验科学发现的曲折与乐趣，培养严谨求实、乐于合作、敢于质疑的科学态度。当实验现象与预期不符时，能秉持实事求是的态度记录并分析原因，理解科学探索中“试错”的价值。

科学思维目标：本节课重点发展学生的模型建构与证据意识。学生将学习如何将复杂的成像现象，通过控制变量转化为可测量的“物距像距”关系模型；并学会依据实验数据这一“证据”，进行归纳推理，得出结论，初步形成“基于证据的论证”科学思维方式。

评价与元认知目标：引导学生依据实验操作量规进行组内互评；在规律总结阶段，鼓励学生反思本组探究过程的得失（如：“我们漏掉了哪个关键区域的实验数据？”“数据的记录方式是否便于分析？”），从而提升其对学习过程进行监控和调整的元认知能力。

三、教学重点与难点

教学重点：通过实验探究归纳凸透镜成像的规律。其确立依据在于，该规律是光折射原理的具体化与系统化，是统领本课所有知识的核心“大概念”。从学业评价看，它不仅是各类考试中的高频、高分值考点，更是考查学生科学探究能力与科学思维水平的经典载体。掌握此规律，意味着学生能从根本上理解众多光学仪器的设计原理，实现知识的迁移与应用。

教学难点：在于对成像规律动态变化过程的整体性理解，以及“焦点”（F）和“二倍焦距点”（2F）分界意义的把握。难点成因主要源于思维的跨越：学生需要从观察静态的几种成像情况，上升到理解“当物体由远及近移动时，像及其性质如何连续变化”的动态图景。学生常见错误是将几种情况孤立记忆，无法建立联系，导致在复杂情境中判断失误。突破方向是强化实验中的连续观察（缓慢移动蜡烛），并引导学生将多组数据绘制在uv坐标系中，通过图像直观揭示分界点与变化趋势。

四、教学准备清单

1.教师准备

1.1媒体与教具：交互式课件（含凸透镜成像原理动画、分步骤探究任务单）、实物投影仪、照相机模型（可拆解）。

1.2实验器材（按小组配备）：光具座（带标尺）、凸透镜（焦距f已知，如10cm）、LED蜡烛光源、光屏、擦拭镜头的擦镜纸。准备“学习支持包A”（含图文并茂的实验步骤指南）和“挑战任务卡B”（含拓展性问题）。

2.学生准备

复习光折射相关知识；预习课本，尝试回答“为什么放大镜看远处物体不成像？”；以4人异质小组为单位就坐，便于合作探究。

五、教学过程第一、导入环节

1.反常现象，激疑引思：教师手持一个凸透镜（放大镜），先贴近书本，呈现放大的正立虚像。“同学们，放大镜只能放大物体吗？”接着，将凸透镜对准远处窗外景物，在另一侧用白纸承接。“请大家仔细观察，纸上出现了什么？”当学生看到倒立缩小的窗外景色的实像时，认知冲突产生。“咦，同一个透镜，为什么成像有天壤之别？”

1.1核心问题提出：“看来，凸透镜成像的秘密，并不简单。到底是什么因素决定了它所成像的大小、正倒和虚实呢？今天，我们就化身光学研究员，通过实验来揭秘。”

1.2勾勒探究路径：“我们的探究将分三步走：首先，利用专业仪器——光具座，收集多组实验证据；然后，像科学家一样分析数据，寻找规律；最后，用我们发现的规律，去解释生活中的光学设备。请大家先回忆一下，实验中我们需要测量和比较哪些物理量？”（唤醒对“物距”、“像距”等旧知的回忆）。

第二、新授环节

任务一：搭建探究框架，明确操作变量

教师活动：首先明确探究主题：“探究像的性质与物距（u）的关系”。通过提问引导学生确定变量：“要研究这个关系，我们必须控制什么不变？（凸透镜焦距f）。需要测量和记录哪些量？（物距u、像距v、像的性质）”。接着，利用课件动画演示光具座的正确组装与共轴调节方法，强调“烛焰中心、透镜光心、光屏中心大致在同一高度”是成功实验的关键。然后，分发两种学习资源：“支持包A”给需要操作指引的小组，“挑战卡B”给进度较快的小组。提出初步观察任务：“先别急着记数据，慢慢移动蜡烛，从很远的地方逐渐靠近透镜，全程观察光屏上像的变化，感受一下这个过程。”

学生活动：小组讨论，明确本实验的自变量、因变量和控制变量。观看演示，学习器材组装与调节要点。领取差异化学习资源。动手组装并调节光具座。按照教师引导，先进行探索性移动观察，对成像的连续变化获得初步的感性认识。

即时评价标准：1.能否准确说出本实验的三大变量。2.小组合作组装器材是否有序、迅速。3.调节共轴时操作是否细致、有耐心。

形成知识、思维、方法清单：★科学探究始于明确变量：任何有意义的科学实验都必须清晰界定自变量（我们主动改变的，即物距u）、因变量（随之变化的，即像的性质及像距v）和控制变量（保持不变的，即透镜焦距f）。▲“共轴调节”是关键操作：这是减少实验误差、获得清晰像的前提，体现了实验的严谨性。方法：先整体观察后精确测量：避免一上来就陷入机械的数据记录，先获得整体感知，有助于后期理解规律的连续性。

任务二：收集关键数据，建立证据体系

教师活动：引导学生规划数据收集方案：“为了发现规律，我们的数据点应该怎么选取？是不是随便找几个位置就行？”启发学生关注特殊点：“在刚才的观察中，大家有没有注意到像突然消失或者性质发生突变的位置？这些位置附近应该重点测量。”明确要求：至少收集u>2f、u=2f、f<u<2f、u=f、u<f五个区域的68组有效数据，并规范记录在表格中。巡视指导，重点关注：1.测量物距、像距时读数是否准确（从透镜中心算起）。2.对“虚像”如何观察与记录（撤去光屏，通过透镜直接观察）。对遇到困难的小组进行个别提示。

学生活动：小组商议，制定数据采集计划。分工合作：一人移动蜡烛并确定位置，一人测量并报出物距/像距，一人操作光屏寻找最清晰的像并记录像的性质，一人负责填写表格。在u=f附近小心尝试，理解“不成像”的含义。在u<f区域，练习观察和描述虚像的特点。

即时评价标准：1.数据采集是否有计划性，是否覆盖了几个关键区域。2.读数与记录是否准确、规范。3.组内分工是否明确，合作是否高效。

形成知识、思维、方法清单：★数据是科学的语言：规律隐藏在海量数据中，有目的、有计划、规范地收集数据是分析的基础。▲关注“临界状态”：u=f（焦点）是成实像与虚像的分界点，u=2f是成放大与缩小实像的分界点。在这些点附近加密测量，能更精准地定位规律。易错点：物距/像距的测量起点：必须是从物体/像到透镜光心的距离，而非透镜边缘。

任务三：分析处理数据，初探规律

教师活动：收集23个小组的数据，投影展示。“大家注意看，虽然数据略有差异，但有没有共同的趋势？”引导学生横向比较：当u从大到小变化时，v如何变化？像的大小如何变化？提出进阶任务：“能否将你们的u和v数据，绘制在坐标纸上？或许图形能告诉我们更直观的信息。”引入图像法，演示如何建立uv坐标系并描点。

学生活动：观察投影数据，尝试口头描述初步发现，如：“物体越远，像越近且越小”。小组合作，将本组数据绘制成uv散点图。观察点的分布趋势，讨论其特点。

即时评价标准：1.能否从数据中说出至少一条有价值的趋势。2.绘制图像是否认真、准确。3.能否根据图像提出合理的猜测。

形成知识、思维、方法清单：★分析数据需要多角度：既要纵向分析单组数据，也要横向比较不同组数据的变化趋势。方法：图像法是发现物理规律的利器：它可以将抽象的数据关系转化为直观的几何关系。凸透镜的uv图像是一条曲线，其渐近线恰好对应焦点位置，这揭示了f的核心地位。思维：从定性到定量：这是科学思维的一次跃升，为最终用精炼语言概括规律做准备。

任务四：归纳成像规律，建构核心模型

教师活动：这是本节课的“攻坚”阶段。教师引导学生将散点图中的数据点分区：“我们以u=2f和u=f这两条竖直线为界，把整个坐标平面分成三个区域，再对应回我们观察到的像的性质。”组织全班进行“规律发布会”：请不同小组代表分享结论，教师同步在黑板上用结构化的板书进行梳理和整合。通过追问深化理解：“当物体从2f以外向焦点靠近时，实像是变大还是变小？像距如何变化？（像变大，像距变大）”“那么，物体从焦点向透镜靠近时，虚像又如何变化？”

学生活动：各小组对照数据表和散点图，尝试用简洁、准确的语言概括凸透镜成像规律。派代表发言，与其他小组交流、辩论、补充。在教师引导下，共同完善并记忆规律。尝试脱离笔记，描述物体移动时像的连续动态变化过程。

即时评价标准：1.归纳的规律是否完整、准确。2.语言表达是否清晰、有条理。3.能否理解并描述成像的动态过程。

形成知识、思维、方法清单：★凸透镜成像规律（核心模型）：1.u>2f：成倒立、缩小的实像，f<v<2f（应用于照相机）。2.u=2f：成倒立、等大的实像，v=2f（测焦距方法之一）。3.f<u<2f：成倒立、放大的实像，v>2f（应用于投影仪）。4.u=f：不成像（平行光出射）。5.u<f：成正立、放大的虚像，物像同侧（应用于放大镜）。▲动态视角看规律：物体从无穷远向透镜移动，实像从焦点处向远处移动且逐渐变大；越过焦点后，虚像从无穷大向透镜同侧靠近且逐渐变小。记忆口诀（辅助）：“一焦分虚实，二焦分大小；物近像远像变大，物远像近像变小（适用于实像）”。

任务五：规律迁移应用，解释生活现象

教师活动：出示实物投影仪（或解剖模型）、照相机镜头组件、近视眼镜和远视眼镜。“现在，我们是光学工程师，请用刚发现的规律解释它们的工作原理。”提出问题链：“1.投影仪要得到放大的实像，幻灯片应放在哪个位置？（f<u<2f）如何调节才能让屏幕上的像更清晰？（微调镜头位置以改变像距v）2.用手机拍照时，从拍全景切换到拍特写，镜头内部的透镜是怎么移动的？（物距u变小，为得到清晰像，需增大像距v，透镜向传感器移动）”

学生活动：小组讨论，将实物与成像规律对号入座。尝试解释教师提出的问题。并联系生活，提出其他可以用凸透镜成像规律解释的例子（如：显微镜的目镜和物镜原理、望远镜等）。

即时评价标准：1.能否正确判断光学设备所利用的成像区间。2.解释是否合理，能否清晰表达其调节原理。

形成知识、思维、方法清单：★技术是科学规律的应用：几乎所有基于透镜的光学设备，其设计原理都根植于凸透镜成像规律。▲应用规律解决问题：从“知道规律”到“会用规律”，是学习层次的一次飞跃。这要求我们在复杂情境中识别关键条件（判断物距所在区间）。跨学科联系：工程技术中的权衡：如相机设计要在像质、体积、成本之间取得平衡，这体现了科学、技术与社会的互动。

第三、当堂巩固训练

设计分层变式练习，通过希沃课堂互动工具实时反馈。

基础层（全体必做）：1.判断题：照相机拍摄时，景物必须位于镜头二倍焦距以外。（）2.选择题：在“探究凸透镜成像规律”实验中，当烛焰位于焦点以内时，我们应在______观察虚像。A.光屏上B.透镜另一侧C.透镜同侧

综合层（多数学生完成）：3.情景分析：小华用焦距为10cm的凸透镜做实验，将烛焰放在距透镜35cm处，移动光屏至某位置，在屏上得到一个清晰的像。请判断该像的性质。若他将烛焰向透镜方向移动10cm，则应将光屏向哪个方向移动才能再次得到清晰的像？此时像的大小如何变化？

挑战层（学有余力选做）：4.开放设计：给你一个凸透镜（焦距未知）、光屏、刻度尺，如何粗略测量该凸透镜的焦距？请写出你的实验方案和原理。5.跨学科思考：请从能量角度思考，凸透镜将光会聚成实像的过程中，光的能量是如何变化的？这对光屏材料的选取有何启发？

反馈机制：基础题采用全班快速应答，即时呈现正确率，针对错误选项进行精讲。综合题请学生上台讲解思路，教师点评其逻辑是否严密。挑战题答案通过展台展示优秀方案，并组织简短讨论。

第四、课堂小结

引导学生进行结构化总结与元认知反思。“请同学们闭上眼睛，回顾一下今天的探索之旅，然后用思维导图或关键词云的方式，在白纸上梳理本节课的核心收获。”随后邀请几位学生分享他们的知识图谱。教师总结提升：“今天，我们不仅‘发现’了一条物理规律，更体验了科学发现的完整路径：从问题出发，用实验收集证据，分析数据归纳模型，最后应用模型解释世界。这才是科学的真正模样。”布置分层作业：必做——完成练习册基础题，并梳理实验报告；选做A（拓展）——查阅资料，了解凹透镜成像规律，并与凸透镜进行对比；选做B（探究）——利用手机和放大镜等简单器材，自制一个微型投影仪，并录制短视频说明其原理。

六、作业设计

基础性作业（必做）：1.整理课堂实验数据，完成一份完整的实验报告，包括实验目的、器材、步骤、数据记录表、规律总结和误差分析。2.教材课后练习中，关于凸透镜成像规律判断的基础应用题。

拓展性作业（建议完成）：3.情境设计：假设你是一位科普馆讲解员，需要向小学生讲解“神奇的透镜”。请设计一个包含演示实验和互动问题的5分钟讲解稿，重点说明凸透镜成像的几种不同情况。4.数据分析：提供一份不完整的凸透镜实验数据表，其中包含几组错误的测量数据，请学生甄别并修正，然后根据正确数据归纳规律。

探究性/创造性作业（选做）：5.微型项目：“设计我的简易光学仪器”。选择一种光学仪器（如简易显微镜、幻灯机），利用身边的材料（如凸透镜、纸盒、LED灯等）制作一个模型，并撰写设计说明书，阐明其成像原理和调节方法。6.文献调研：查阅科学史资料，了解伽利略、开普勒等科学家在透镜与光学仪器发展中的贡献，写一篇300字左右的简短评述。

七、本节知识清单及拓展

1.★凸透镜：中央厚、边缘薄，对光有会聚作用的光学元件。有两个实焦点。

2.★物距(u)、像距(v)、焦距(f)：物体到透镜光心的距离为物距；像到透镜光心的距离为像距；焦点到光心的距离为焦距。是分析成像规律的三个核心物理量。

3.★实像与虚像的根本区别：实像是实际光线的会聚点，能用光屏承接；虚像是光线反向延长线的交点，不能用光屏承接，只能通过透镜观察。

4.★凸透镜成像规律（表格归纳核心）：这是本课最核心的结论，必须结合实验理解记忆。详见教学过程任务四。

5.▲焦点(F)的分界作用：是成实像与虚像的分界点。物体在焦点处不成像。

6.▲二倍焦距点(2F)的分界作用：是成放大实像与缩小实像的分界点。

7.★动态规律（实像区）：成实像时，遵循“物近像远像变大，物远像近像变小”的变化规律。这是理解许多光学设备调节原理的关键。

8.★照相机原理：利用u>2f时，成倒立缩小实像。镜头相当于凸透镜，胶卷或图像传感器相当于光屏。

9.★投影仪/幻灯机原理：利用f<u<2f时，成倒立放大实像。需要平面镜改变光路，使像正立投在屏幕上。

10.★放大镜原理：利用u<f时，成正立放大虚像。使用时物体必须放在焦点以内。

11.方法：共轴调节：实验前确保烛焰中心、透镜光心、光屏中心在同一高度，目的是使像能完整成在光屏中央，减少误差。

12.方法：利用太阳光粗测焦距：将凸透镜正对太阳，移动光屏找到最小最亮的光斑，此时光屏到透镜的距离近似等于焦距。

13.易错点：认为“放大镜只能成放大的像”。纠正：放大镜（凸透镜）当u<f时成放大虚像；但当u>f时，可以成缩小或放大的实像。

14.易错点：测量物距、像距时，误从透镜边缘量起。纠正：必须从透镜的光心（通常近似为中心）量起。

15.思维：模型建构：将复杂的成像条件抽象为u与f的数量关系模型，是物理学中常用的方法。

16.拓展：人眼的成像：人眼的晶状体相当于一个可变焦距的凸透镜，视网膜相当于光屏。近视眼需戴凹透镜矫正，远视眼需戴凸透镜矫正。

17.拓展：显微镜原理：物镜（f短）成放大实像于目镜焦点内，目镜（f长）将此实像作为物体，再次放大成虚像，两次放大。

18.拓展：望远镜（开普勒式）原理：物镜成缩小实像于目镜焦点内，目镜将此实像放大成虚像，增大视角。

八、教学反思

（一）目标达成度与证据分析。本课的核心目标是让学生通过探究归纳凸透镜成像规律。从当堂巩固练习的反馈来看，超过85%的学生能准确判断基础情境下的成像情况，表明知识目标的达成度良好。在能力目标上，各小组均完成了数据收集与初步分析，但能主动、规范绘制uv图像并从中发现趋势的小组约占一半，这说明图像分析法的掌握需要更多练习。情感目标在实验过程中表现突出，小组合作有序，当出现“找不到像”的困境时，多数学生能积极排查原因而非放弃，体现了良好的探究态度。

（二）教学环节有效性评估。导入环节的“反常现象”成功制造了认知冲突，迅速抓住了学生的注意力。“大家注意，这个数据非常关键，它暗示了成像性质转变的‘临界点’。”这样的点评在巡视时能有效引导学生聚焦关键观察。新授环节的五个任务构成了逻辑清晰的“脚手架”，但任务三（数据分析）到任务四（规律归纳）的过渡坡度对部分学生而言仍显陡峭。下次可考虑在此之间插入一个“小组内尝试用一句话概括某一区间规律”的过渡活动，让思维台阶更平缓。巩固环节的分层设计满足了差异需求，挑战题关于“能量”的思考激发了少数尖子生的深度思维，但讨论时间稍显不足。

（三）学生表现深度剖析。在小组探究中，观察到一个普遍现象：操作能力强的学生往往主导实验进程，而思维型学生则在数据