中學以下的素養教育與經驗談：國二上自然科，光學

1. 個人因素
2. 社經背景
3. 對應教材與年齡

抽象的解決方法三種，一種是用具體的比喻去表達，像有的老師會拿教具或放影片，另一種是透過題目練習，逐漸抓到抽象概念的意涵，最後一種就是放棄，去背吧。

光學

直進性：為何要用點光源解釋？

直進性請看下圖，由於數學的相似三角形並不會在國二教，所以若貴校想教，或是家長想要講，請不要直接代公式，下面幾張圖可以解釋。

新進老師應該懂為何了，若不採用點光源，那麼光線出去照射的結果會很奇怪，至少在國中來說只會造成學生混亂。知道點光源後，之後的作法是了解直進性，不要急著上針孔，而是影子。

這種多障礙物的解釋，遠比課本只有一個障礙物好，而且不會不好理解。重點在於，讓學生了解光怎麼直進，以及陰影出現的理由，現在國小大致都會提到一點，中學把圖畫好，用處很大。

總之，直進性比想像的要難，老師不覺得是因為自己本來就比較厲害，家長是學過才覺得簡單，學生會因為直線所以好懂，結果就是針孔成像直接爆炸。如下圖。

一般學生很難理解，都講點光源了為何出現左圖？這算常見的新手錯誤，因為教師自己習慣了，就順順講下去。左圖要用，也建議分成兩條線，但筆者的經驗是右圖最好，更好的方式是下面兩圖，漸進式的講解，雖很花時間，不過效果好。

看圖就能明白，讓學生先了解到，紅光打出的範圍在哪，藍光又在哪，中間可以用粉筆把光中間都塗滿，加強印象。接著在把中間的縫隙，縮到右邊的情況，時間多可以分三次，依序把中間的縫隙縮小，得到「上下顛倒的兩個光點」。

各位教師跟家長看到這裡大概可以明白，就是透過拆解跟分開解釋，讓學生抓到針孔成像的「顛倒性質」。這種上課法的優勢是，後面講到光的三原色，就可以把左圖中間的紅藍塗成紫色，以及方便解釋成像的三角形。

針孔成像：熟悉比例感，課後稍微補強即可跟上

針孔的成像大小計算，算是相當頭痛的，會的就是會，不會的就是不會。關鍵在於對數學的掌握度，已經在小學就有相似三角形概念的會很好懂，不然這邊就只能慢慢講，如下圖。

務必塗色一下，加強那個三角形的感覺，然後不要代公式，請用三角形的底跟高解釋。例如「底跟高如果是1cm：2cm，那麼把放大兩倍就變成了2cm：4cm」這種說法，多講幾個數字，帶入比例感。上圖可以多幾個變化，物距跟像距，但請不要突然多一個7cm、13cm的質數去整人，儘量用方便整數拆解的數字。

就經驗來說，中等程度的學生大概可以透過這種做法，「全部都學會」，筆者的經驗是，自然程度在PR40~80之間的，沒有失敗過。只不過，隨著後面反射跟折射進來，程度在後面的會越來越跟不上。

不是這種教法有問題，是時間不夠，尤其108課綱的自然課時間又更短，要透過學習單去加強，真的沒辦法。加上其他科也要考試，這裡我建議家長自己在家補強，不行就送補習班，但請確認這個老師知道怎麼教，一直丟考卷的就不建議，不如家長看筆者講一講後，能的話試試看花三個晚上的時間。

三個晚上？對，光的直進性大概會講1~2堂課，依照課程大概一周內會上過，晚上花一小時補強，程度只要不太差，夠了。若沒有課後補強，那後面跟不上也是理所當然。

重點就是把步驟拆解簡化，以及透過自己畫圖，寫學習單去理解，不是刷題目，刷題有用的大概都是PR60以上。

反射與折射：如何解釋「虛像」？

講這麼久都不談反射跟折射？對，因為直進性好，這兩個都沒問題。課本跟參考書都有成像的圖表，筆者這邊就再做一次，反射折射的困難，在於了解「虛像」的概念，就經驗上來說，不少學校的理化老師，這點沒有做很好。

不是指責教學功力，而是忽略了「業界的常識不是常識」，我們物理人懂，太過習慣，以至於忘記學生根本不知道實虛像，變成死背，然後模糊的度過，好一點的上大學釐清，其他慘的就是連解題都弄錯。

基本上，請各位老師跟家長記得一個概念：

「不管實像虛像，你的眼睛都有接受到光線。」

筆者指的是國中，物理老師麻煩不要去拿大學光學課本，學生能懂才奇怪。以下用鏡子來解釋，對象是學生，筆者曾經的解釋法

1. 第一，強調光線的直進性，告訴學生一個很重要的概念，就是眼睛並不能「看到」物體，只是一個接收器（國一生物受器），然後轉成電子訊號被大腦「解讀」。
2. 第二，由於光的直進性，大腦會解讀物體的位置，在光線過來的直線方向上。
3. 所以，我們稱右圖中，觀察者以為的位置，那個看到的像稱為「虛像」。

請注意喔，筆者沒有講實像，因為照道理講，實像要從凸透鏡的會聚（vergence匯聚）去解釋，但課本編排是先講反射，還是鏡子虛像優先，這導致學生很容易望文生義，認為實像就是實際存在於那個位置的像。這想法留到折射，就會造成混亂。

這邊比較難的題型，像是「鏡子擺在某人的前方幾公分，才可以看到後方布告欄全體」，只要針孔成像有教好，這邊絕對不會有問題。光路弄清楚，直進性到反射都可以承接。

藉由教具、實際現象去理解實像虛像的差異

所以問題在於，折射這邊開始解釋實像，會遇到什麼麻煩。根據定義，實像是指「透過光學儀器如透鏡，讓物體發出的光線會聚，可以被直接看到的成像」，因為光線實際會聚在這點，所以可以藉由光屏去承接。而這邊，筆者強烈強烈建議，使用教具教學，過去的經驗會使用兩種類交互使用。

一種是雷射筆，另一種是手電筒，但在手電筒前方用黑色膠帶包住，挖一個三角形的洞。然後拿出凸凹透鏡跟鏡子，實際秀給學生看，到底差在哪裡。由於雷射光是一條線，讓學生可以觀察光路的前進，有些出版社會給這種教具（三條光線），使用起來很便利，請務必利用。

告訴同學，「左邊的是實像，因為光線會聚在此，其他地方並不是沒有像，只是有沒看到？三條光打出三個點，表示像會打散。」說到這能懂的學生就很厲害了，故要拿包黑布的手電筒，照做一次。

「同學看到了嗎？左邊的成像跟原本的一樣，只是倒立，因為光路到此已經交錯了，跟針孔一樣。右邊的不是沒有像，只是有沒發現越遠越模糊？越遠越看不出三角形了。」

用這種方式讓同學了解，實像指的是「會聚後跟原本很相似的像」，到此為止。不要再講更多了，開始進入折射的各種倒立正立、放大縮小、實像虛像等概念。

虛像反倒要再進一步解釋，虛像不是不存在的像，也不是虛無縹緲，因為一定有學生會以為，虛像不存在。這千萬要打醒，不存在你怎麼看到？

關鍵在於，我們是使用眼睛觀察，故要讓同學了解，虛像指的是透過反射折射，光路發散後被我們眼睛接收，但我們由於「光線的直進」，大腦會解讀物體在光線過來的前方，造成一種錯覺，而物體並不存在於我們想像的位置。

這是讓學生理解虛像的關鍵步驟，首先左圖讓人清楚明白，光線射出後並非沒東西，很多人會以為虛像就是沒有光，實際上是光線被打散，紙屏上會很清楚，三道雷射小圓點被誇大成模糊的團塊。其次是在光線的延長線後方，記得要錯開位置，虛像的成像點，其實啥米東西都沒有。若使用包黑布的手電筒，效果會更好。

眼睛就是一種光學儀器

那麼，怎樣確定虛像存在？這到底怎麼回事？使用手電筒比較好，找同學實際站在凹透鏡後方，用眼睛觀察，確實有發現成像，如下圖。

亦即，實際上光線是有進入眼睛，只是根據光線直進性，我們會以為會聚的光線，是在光像過來的前方，也就是左邊虛線的交點。因為我們「以為」在那邊，就跟看鏡子一樣，並沒有真的光線聚集在那，故稱我們看到的是虛像。

但是，光線依然有進到眼睛喔！而且眼睛看到的是實像！

同學一定大吃一驚，這時候可以把後面光學儀器帶進來，直接講眼睛的構造，水晶體就是一個凸透鏡，光線進到水晶體後，折射會聚到視網膜上，所以眼睛實際上有接收到光線，是一個倒立縮小的實像。

講到這邊，光學儀器幾乎就不需要額外多講，我們只需要列出儀器的鏡片，學生自己就可以理解狀況。像是複式顯微鏡，兩個凸透鏡構成的放大構造，不需要死背實像虛像也可以，因為能懂這種概念的人，就可以理解為何「物鏡要成倒立放大實像」，不能是放大虛像？因為虛像代表光線發散，得要很大的鏡片或是夠近的距離，不然匯聚不起來。

剩下就是教師怎樣臨機應變，至於傳統的透鏡成像怎麼背，在這之後列表即可。通常一路跟到這邊的學生，至少有一半可以理解成像原理，表格背不背只差在速度。

教學時間絕對不夠，手繪光路加強理解

但還是要重申，一周三堂絕對不夠用，教師請依照狀況，挑選適合的方式教學。家長發現孩子程度不足，請自己在家加強，光學這邊沒有捷徑，沒手繪光路，理解光線曲折跟成像關係，死背就是背到死，變成拚記憶。

最後，光學儀器就還好，色散就是講歷史跟背光的三原色，理論上有三色光去混是最好啦，以前筆者有空的時候，還真的會去弄三原色照白板配色。這邊的問題主要有兩個，一個是三稜鏡的二次折射，以及虹與霓差在哪，理論上現在不需要上，但不保證有些老師會考，看狀況而定。

筆者是建議不需要太過特殊的去看待，會去繪製稜鏡跟虹、霓的光路，效益並不高。

另外一個有趣的是，可以讓學生去想，為何光的三原色混出白光，但把水彩混在一起是黑色？這是穿透跟反射的差異，想通這題目就可以理解，其他的用什麼玻璃紙擋住何種光，會看到什麼現象，如標準的紅花綠葉用紅色玻璃紙看，就是看穿透光的結果。

弄清楚一兩個有效的案例，會比刷題目效率要高。

光學大概就這樣，花非常多時間，嚴格來說國中光學就是砸時間換分數的地方，補習班多數著重刷題本，所以若是同學問題出在搞不清楚光路，那麼家長該做的，是留時間在家，看著他畫圖畫到懂。

這邊成績落後的問題要釐清，不然無法對症下藥，學生會更挫折。