例談物理教學情境的創設

孫玉棟

(白銀市實驗中學 甘肅白銀 730900)

例談物理教學情境的創設

孫玉棟

(白銀市實驗中學 甘肅白銀 730900)

1 提出問題

在中學,總有一部分學生認為物理“難學”,物理“抽象”,原因是什么?教師又應該如何做才能帶領所有的學生完成從客觀實體到物理模型再到數學模型的抽象過程?

物理學是一門以客觀物質世界為研究對象的學科.物理學的發展首先是從生活中的實際問題開始,從簡單的現象、問題出發,去認識現象,揭示規律,逐漸深入和發展.其基本研究模式一般為從客觀對象到物理模型描述再抽象為數學模型描述.現在提倡的“從生活到物理”就是要求物理學教學過程符合物理學研究的客觀過程.

以簡諧振動為例,現行的物理教材直接從動力學角度去定義并直接給出最抽象的數學模型,學生們普遍感覺到非常突兀,難于接受,形成了物理“真難”的印象;究其原因,就是沒有“從生活到物理”的過程,違反了認識事物的普遍規律.筆者在長期的教學實踐中體會到,從認知論的角度看,學生的“最近發展區”有兩塊,一塊是學生的“生活最近發展區”,另一塊是“知識系統最近發展區”.教師的責任就是以符合物理學研究客觀過程的教學過程在學生的兩塊最近發展區之間打開一條通路使學生完成從生活到物理遷移,使學生從生活體驗出發自主建構其物理學知識體系.

下面就是筆者在實際教學中的一個典型教學案例,筆者在其中通過給學生創設貼近生活的教學情境,讓學生在真實的情景中去體驗,還原其對事物認識的本來過程,使之易于接受和掌握簡諧振動的概念,真正搞清簡諧振動數學模型的物理意義和對應的客觀現象.

2 教學案例

直線運動中較簡單的有勻速運動、勻變速直線運動.還有哪些直線運動比較簡單呢?可以提出問題,引導學生思考,往復的直線運動即振動,簡單嗎?學生自然會回答不簡單,因為常見的振動物體的運動規律很難掌握,很難確定振動物體在任一時刻的運動情況.進而引導學生思考生活中有沒有一種振動形式就像變速直線運動中的勻變速直線運動做有規律的、人們易于掌握其規律的運動呢?

帶著這個問題筆者給學生了一個他們身邊的例子.水車是我市公園中的一處景觀,絕大多數學生都曾在此處游玩.給出這個情景之后,筆者問學生是否見過木桶的影子在地上的運動過程.很多同學都稱“有印象”,“動來動去”.然后筆者講,古人在河邊觀察日夜不停轉動的水車,發現正午的時候,水車邊緣的小木桶在地上的影子沿直線來回往復運動(即振動,動來動去),這種振動應該最簡單!因為它的運動和水車的勻速圓周運動有關系,其規律容易掌握,人們當時把這種運動稱為“簡單振動”,就是我們現在要學習的“簡諧運動”.

然后筆者給學生展示水車運動時小木桶影子運動的課件,自然地完成從生活現象到物理模型的初步抽象,并提出問題:如果你是科學家,你如何描述水車邊緣上的小木桶的影子的運動?其運動規律是否能夠用數學來表達?物體要滿足這樣的運動規律需要什么條件?學生帶著這些問題利用他們學過的數學知識、物理知識深入思考,進行分組交流、討論.

圖1

因為小桶的運動和水車有規律的運動(勻速圓周運動)有關系,利用幾何知識學生可以總結小木桶影子的運動規律.根據水車運動模型,可以畫出如圖1所示的簡圖,質點繞O′勻速圓周運動,其豎直方向的投影在BC間運動 .設質點勻速圓周運動的角速度為ω,從最低點開始繞 O′逆時針運動,因圓周運動的半徑就對應振動物體的振幅A,從圖易知其投影相對O點的位移x和運動速度v分別為

再進一步提出問題,如果物體滿足如小木桶投影這樣的運動規律要有什么樣的條件?利用幾何知識,學生得出小木桶投影的加速度(即簡諧運動的加速度)

由牛頓定律滿足這個運動規律物體所受到的力:

因為m、ω是一個固定值,可將描述形式進一步簡化得到

即滿足這個運動規律物體所受的回復力方向與位移方向總相反,大小與位移成正比.這時筆者告訴學生,這種運動形式叫做簡諧振動.

教師最后說明現實中這樣的振動有很多,例如彈簧振子、單擺、漂浮在水面上的木塊的隨水波的上下振動等等,在一定的條件下都是簡諧運動,它們的運動都一定能和一個勻速圓周運動相對應.讓學生在課下自已去探索一下這些物體的運動規律,研究一下它們是否是簡諧運動.

在這個教學案例中,學生從生活中有切身體會的情景出發運用已有的數學、物理知識思考、討論的結果,親自得出結論:這種水車小桶投影的運動真的是一種最簡單的振動.教學中的每一個過程都有合理的順序,每一個出發點都基于學生已有的知識或體驗,這樣的教學可使學生的每一個落腳點都落在其最近發展區之中.

在課堂教學中創設情境非常重要.讓學生在真實的情景中學習物理,可以使物理課堂面向客觀世界,與學生的生活融為一體,使物理教學回歸物理學的本來面目.結合具體的教學內容,鮮明有趣的物理實驗,生動形象的圖片、錄像片段,鮮活的實物展示等等,都是情境教學的內容.