数字化赋能下的初中物理课堂教学新模式实践——人教版八年级物理《凸透镜成像的规律》优秀案例

一、案例背景

（一）政策背景

《义务教育物理课程标准（2022版）》明确，要引导学生经历完整科学探究过程，才能基于实验现象收集证据、归纳物理规律；可借助数字仿真技术，弥补实物实验局限，化解抽象难点，兼顾不同层次学生发展，培育学生科学观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任四大物理核心素养。

（二）教材分析

《凸透镜成像的规律》是人教版八年级上册光学单元的核心探究课，是照相机、投影仪、放大镜生活应用的理论根基。本课要求学生经历猜想、设计实验、动手操作、采集数据、分析归纳完整探究流程，渗透控制变量、证据推理、模型建构的科学思维。

本案例以“少年光学探究工程师”作为情境，围绕凸透镜为什么既能成放大像，又能成缩小像的核心驱动问题开展项目化探究，结合AI数字化仿真工具弥补实物实验短板，打通“生活情境—实物实操—数字补位—迁移应用”完整学习链条。

（三）学情分析

借助问卷开展课前学情诊断：92%的学生已经认识凸透镜，知晓凸透镜对光线有会聚作用；90%学生对放大镜、照相机成像现象兴趣浓厚，具备基础小组实验能力，能够完成器材组装与现象记录。同时学生存在明显认知短板：仅68%学生能够区分实像与虚像；72%存在错误前概念，认为“物体离凸透镜越近，像就一定越大”；仅有60%学生具备误差分析、优化实验方案的意识，对抽象光路难以建立直观认知。

（四）核心素养目标

1.物理观念：通过完整探究实验，认识凸透镜成像规律，厘清实像、虚像本质，能运用规律解释蝴蝶杯、照相机、放大镜等光学现象，建立透镜成像相关的物质与相互作用观念。

2.科学思维：经历猜想、取证、数据分析、归纳规律的探究过程，辨析实验误差；依托数字化光路仿真建构物理模型，纠正错误前概念，提升证据推理、模型建构能力。

3.科学探究：小组协作完成光具座实物实验，规范组装器材、如实记录实验现象与数据；正视实物实验局限，把数字仿真作为探究补充，体验“实物实操—仿真补证—归纳结论”完整流程，提高动手与合作探究能力。

4.科学态度与责任：尊重原始实验数据，不刻意追求理想化实验结果，树立严谨求实的科学态度；感受蝴蝶杯蕴含的传统光学智慧，激发物理探究好奇心，理解数字化工具服务科学探究的价值。

（五）教学重难点

1.教学重点：亲历科学探究，通过分组实物实验获取证据，归纳凸透镜成像基本规律；对比分析物距、像距、像的特征，运用成像规律解释生活光学现象。

2.教学难点：理解实像、虚像光路本质；开展实验误差分析；建立物距连续变化带动成像动态改变的物理模型，破除生活经验带来的错误认知，培育证据推理思维。

（六）教学思路

本课采用项目化+问题式探究教学，坚持实物实操优先、AI数字化工具补位，设置三大递进项目任务。 

项目任务一：少年光学探究工程师。依托蝴蝶杯“酒满蝶显，酒干蝶隐”创设情境，结合AI学情诊断找准学生认知误区，抛出驱动问题开启探究。

项目任务二：凸透镜成像探究实验。学生分组开展实物实验采集真实数据，开展全班思辨研讨；利用AI动态光路仿真，弥补实物实验只能获取离散数据的缺陷，把肉眼不可见的光路可视化，突破虚实像教学难点。

项目任务三：探究成果迁移与展示。引导学生解释生活光学实例，完成分层学习任务，交流探究收获。

课堂拒绝直接灌输结论，以实验证据推导物理规律，明确AI仿真不能替代动手实操，落实物理四大核心素养。

二、案例内容

（一）教学片段一：情境导入，项目任务发布

问题一：为什么同一个凸透镜，既能成放大的像，又能成缩小的像？

教师利用AI生成“蝴蝶杯”动画视频

师：古代蝴蝶杯有“酒满蝶显，酒干蝶隐”的奇妙现象，同样一块凸透镜，用作放大镜成放大的像，照相机里却成缩小的像，这是什么原因？

结合课前AI学情报告，师：不少同学认为物体离透镜越近像就越大，这个观点一定正确吗？今天我们化身少年光学探究工程师，通过实验解开凸透镜成像的秘密。

学生结合生活经验提出猜想，指向物距会影响成像特点。教师出示三大项目任务，明确本节课五个探究问题，开启课堂探究。

（二）教学片段二：分组探究实验

问题二：怎样开展实验获取可靠实验数据？

教师出示光具座、F光源、凸透镜、光屏，引导学生梳理实验要点：实验保持凸透镜焦距不变，改变物距；做到三心同高；前后移动光屏寻找最清晰实像。

4人一组开展实验，两人负责器材组装调节，两人观察记录，如实记录现象，允许记录模糊、存在偏差的实验结果。小组分别完成u＞2f、f＜u＜2f、u＜f三种情形实验，记录像的大小、正倒、虚实。

学生分组实验

问题三：从实验数据当中我们能找到哪些成像规律？

教师投屏多组学生原始实验记录单

师：部分小组成像清晰，部分小组成像模糊，请分析可能的原因？

学生指出三心未对齐、光屏调节不到位、光源亮度不足等因素。全班基于真实实验数据开展思辨，归纳成像特点。受课堂条件限制，学生只能得到几组离散实验现象，无法观察物距连续变化的完整过程。

问题四：实物实验存在局限，如何借助数字化仿真补齐实验短板？

师：实物实验很难观察物距连续变化的全过程，光路肉眼也无法看见，我们借助AI仿真做补充。

打开AI可视化仿真实验工具：一是拖拽物体连续改变物距，完整演示物距远近变化时，像距、像的大小、虚实同步改变的全过程；二是可视化光路，直观演示实像由实际光线会聚、虚像由光线反向延长线相交形成。

教师利用仿真实验进行光路可视化讲解

教师着重强调：仿真只是补充，不能替代实物动手实验。

（三）教学片段三：成果迁移与展示

问题五：生活当中哪些现象可以用凸透镜成像规律解释？

师：经过猜想、实操、仿真补充、数据分析，请同学们分享本节课的探究收获。

学生总结不同物距条件下凸透镜成像特点，纠正“物体越靠近透镜像就越大”的错误认知，体会物理实验反复调试的严谨性。

教师引导小组讨论蝴蝶杯的工作原理，联系照相机、放大镜解释生活实例。布置分层拓展任务：A类学生绘制完整光路示意图；B类整理凸透镜成像表格；C类完成生活实例连线。学生交流展示探究成果。

师：每位同学都是少年光学探究工程师，希望大家保持好奇心，学会运用实验、观察、证据推理开展科学学习。

三、案例反思

本节课依托项目化任务与AI数字化工具，改变死记成像口诀的传统课堂，把科学探究落到课堂实处，结合课例实施，形成如下几点反思。

（一）坚持项目化问题驱动，构建深度探究课堂

本课以五大递进探究问题串联学习全过程，遵循“提出问题—猜想假设—动手取证—数据分析—仿真补证—迁移应用”学习路径，坚守实物实操优先，仿真仅弥补实验缺陷。以真实问题驱动思考，有效避免探究活动形式化，推动学生物理核心素养发展。

（二）立足学情分层设计目标，落实因材施教理念

针对班级学情差异明显，课堂将学生分为A、B、C三类，设置差异化学习要求，依托小组合作让全体学生参与探究。学有余力学生获得拓展空间，基础薄弱学生在观察协作中获得成就感。但小组合作中存在少数学生包办全部操作的问题，后续教学需要细化小组分工与评价细则，保障全员深度参与。

（三）挖掘跨学科融合价值，拓宽科学探究视野

课堂利用蝴蝶杯传统工艺素材，实现物理与传统文化的轻度融合；家庭水滴透镜、水杯成像小实验对接生活观察。但跨学科目前仅停留在情境素材层面，深度任务不足。后续可开发简易光学制作、光影探究等跨学科实践任务，落实新课标跨学科实践要求。

（四）尊重实验真实生成，重塑物理课堂证据意识

本节课接纳成像模糊、数据存在误差的真实实验现象，不追求理想化实验结果，引导学生自主分析误差来源。数字化仿真只做可视化辅助，不直接输出结论，帮助学生摒弃死记硬背，建立证据优先的物理思维。部分学生误差分析能力偏弱，后续可以增加相关微练习逐步提升。

（五）把握数字化工具使用边界，打通完整教学闭环

数字化是教学手段而非目标。本课把AI学情诊断、光路仿真、分层练习贯穿课前、课中、课后，解决实物实验的固有短板，实现以学定教。教学中要警惕过度依赖仿真演示，杜绝“看仿真代替做实验”。

本案例以《凸透镜成像的规律》为教学内容，采用项目化、问题式探究教学模式。课堂设置少年光学探究工程师（情境导入）、凸透镜成像探究实验、探究成果迁移展示三大递进项目任务，以五个驱动问题贯穿教学全过程。教学以蝴蝶杯传统文化创设学习情境，组织学生开展分组实物实验，获取真实实验数据；再借助希沃仿真虚拟实验，弥补实物实验光路不可见、虚像难以观察等教学短板，实现光路动态可视化。教学不直接灌输结论，引导学生立足实验证据推导成像规律，辨析虚拟仿真与真实实验的关系，落实物理学科核心素养，实现知识学习、科学探究与文化育人相统一。

该模式亮点鲜明，具备可复制可推广的条件：一是硬件要求低，依托县域学校现有智慧黑板、国家中小学智慧教育平台等资源即可落地；二是项目化探究框架通用性强，能够迁移应用于其他物理实验教学；三是可通过教研组备课组教研集体备课研课，可沉淀符合校情的本土化教学资源，形成县域物理数字化探究教学范式。

图文：洞口县文昌街道中心学校 肖坚

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