整合資源以優化情境 強化體驗以喚醒思維

張 飛

（江蘇省外國語學校，江蘇 蘇州 215104）

問題情境就是將問題或疑難蘊含于特定的場合（環境）之中，當學生面臨這種特定場景時，根據已有的知識或經驗不能加以解釋，導致認知失衡，從而產生困惑，且又急于消除這種困惑的一種心理狀態.在這一特定的問題情景中，學生對前認知中的成分進行加工、補充、修正和重組，形成新的認知結構，新的認知結構又將成為下次學習的前認知.學生的學習就是這種不斷重構自己前認知的過程.在認知重構的過程中，物理問題情境呈現方式不同，會使學生的思維方式和思考速度等顯示出不同的狀態.因而課堂教學中，教師應遵循思維發展規律，遵從科學家科學研究的原生過程，基于物理學家的思維活動特征，整合教學資源優化設置問題情景，以濃縮方式，在有限的時間和空間內，讓學生重蹈物理概念建立、物理規律發現、物理實驗設計等物理知識構建中的那些最關鍵的步子，讓學生重演物理知識的發生、形成和發展過程，讓思想在學生的頭腦里產生出來，教師只是充當學生的“思想助產婆”，使學習成為學生的“亞研究”、“再創造”的過程.這將不僅有助于學生加深對物理知識本質的理解，而且也為激發學習動機，明確思維指向，喚醒學生思維提供認知起點，培養他們的科學思維方式，提供了極好的情境體驗的素材.

1 開發生活資源，在追問原始問題的根源處喚醒思維

蘇赫姆林斯基認為：“讓學生體驗到一種自己在親身參與掌握知識的情感，乃是喚起少年特有的對知識的興趣的重要條件.當一個人不僅在認識世界，而且在認識自我的時候，就能形成興趣.沒有這種自我肯定的體驗，就不可能有對知識的真正的興趣.”現代物理教學呼喚科學世界向生活世界的回歸，強調問題情境的原始性，追尋問題情境的自然性、真實性.緊密聯系學生的生活實際，結合學生熟悉的生活情境，激發豐富學生的生活體驗，回歸到學生的認知原點，從教學活動（學生原有的知識和經驗）的起點出發，為學生的思維發展創造一個最佳的原始問題情境，在原始問題產生的根源處喚醒思維，引導學生展開分析、綜合、比較、抽象、概括、判斷等思維活動，深化思維，活化思維，促使學生思維向縱深發展，讓學生經歷了思維的過程，培養學生的思維興趣，逐步形成質疑、反思的科學思維習慣，訓煉深刻、靈活、批判、敏捷和創新的思維品質.

教學片段1：波的獨立性.

圖1

生活情境導入：播放2014年4月22日上海新聞報到丹麥Derek Muller打造了瘋狂的火焰波形成錄像，當音樂響起時，火焰隨著音樂燃起熄滅，用真正的火焰來表示音樂波形，如圖1所示，看上去真是奇觀.激發興趣，引發問題：他究竟是怎么做到讓火焰伴隨音樂起舞的呢？（音樂聲波相遇引起的氣壓變化影響可燃性氣體的排放量變化，從而使得火焰的高度和顏色產生差異，創造出這種讓人嘖嘖稱奇的效果.）波相遇時，會出現什么樣的物理現象？（用生活新聞創設原始問題情境，引發沖突，激起質疑.）

追問1：（當學生心生疑問時，追問）在日常生活中是否見過兩列波相遇的情況？（學生舉例：a.教室里幾個同學同時在說話，每個人發出的聲波在空氣中傳播時相遇；b.下雨天，雨滴落到水塘中就會形成一圈一圈的水波，這些波同時在水中傳播并相遇…….）（了解學生認知起點，在問題產生的根源處喚醒思維.）

追問2：播放雨滴落在水面的錄像，要求學生邊看邊思考：兩列水波相遇后，是否與小球相碰一樣，會改變原來的運動狀態？（學生通過觀察，發現水波相遇后繼續一圈一圈的向外傳播，此時教師指出兩列波相遇，跟小球相碰不一樣，小球相碰后運動狀態會改變，而兩列波相遇，它們能彼此穿過，穿過后波的形狀和傳播的情形都不變，保持各自的運動狀態繼續傳播，彼此都不受影響，如圖2所示，這種現象表明波具有獨立傳播性.）

圖2

追問3：得出了水波具有獨立傳播性后，現在你們是否還能舉出其他的例子，說明波具有獨立傳播的性質.（提示：日常生活中除了水波，你能聯系生活舉例說明還有什么波具有獨立傳播的性質嗎？）（緊密聯系學生的生活實際，結合學生熟悉的生活情境，激發豐富學生的生活體驗，回歸到學生的認知起點，播放音樂會多種樂器演奏錄像，如圖3所示，讓學生體驗區分不同樂器樂音，讓學生經歷了比較與判斷、抽象與概括、喚起直覺、誘發靈感、構建圖景等思維的過程.）

追問4：我們剛才觀察了兩列波相遇彼此穿過，保持原來的波形繼續傳播，那么在它們相遇時的重疊區域又會出現什么現象？你們平時注意過嗎？（引導學生回歸上述生活現象，進行分析、綜合、比較、抽象、概括、判斷，并科學推理、猜想結果，然后實驗驗證.）

圖3

反思：學生思維的喚醒、意識形成、習慣的收獲都很難通過集中灌輸來建立，當下的學生所缺的“解決實際問題的能力”，本質上缺的是把原始問題變成合適的物理問題的能力.其原因是學生經常面對的所謂實際問題，大多是理想化的物理習題，實際情景只是附加的背景而已.要改變這一現狀，就要求課堂教學回歸至認知起點——從現象出發，盡可能開發生活資源，向學生提供原始的材料，在追問原始問題的根源處喚醒思維，讓學生在各種體驗性活動中，打破思維平衡，通過結合日常生活與實際經驗，構建新知識與已有的觀念間的非任意的和實質性的聯系，并基于自己的知識和自己的努力思考去“想通”問題，教師只是充當學生的“思想助產婆”，思維方向指引者，這樣做也是與現代教學理念及教材提供課程資源相吻合的（教科書中提供的大量物理情景和學習資料，以及“思考與討論”、“說一說”、做一做，如通過照片估算照相機的曝光時間，實踐活動如制作飛鏢、搖繩發電等都是依托生活資源提供情境的原始材料）.這也將有利于實踐意識的形成，學習方式的改變，思維習慣的養成，做到播種行為，收獲習慣.

2 開發實驗資源，在追尋知識發生的過程中喚醒思維

物理學是一門實驗科學，在物理教學中，物理概念的建立、每個物理定律的發現，都有堅實的物理實驗基礎.物理實驗是物理教學的重要基礎、重要內容、重要方法和重要手段，讓學生重演物理知識的發生過程，離不開觀察實驗，觀察和實驗是獲取物理思維材料的重要途徑.各種物理實驗以其直觀性、形象性為學生提供了豐富的感性材料，使其充滿著趣味性、思維性、挑戰性、探索性和創造性，利用實驗的魅力創設問題情境，能讓學生體驗實驗設計、實驗過程、實驗數據分析、實驗結論得出和實驗誤差分析，使學生通過對實驗的觀察、研究和分析去思考問題、探索問題，從而喚醒思維，激發學生的好奇心和求知欲，調動學習的積極性，培養發散思維和收斂思維.

教學片段2：波的疊加.

實驗創景1：水波實驗.如圖4所示（學生猜想波相遇時的重疊區域又會出現的現象后，引導學生參與做大水槽中水波實驗），在大水槽中演示波的疊加現象.演示時分4個步驟：第1次演示如何在水槽中制造水波，即搖動刮板；第2次演示如何產生單個脈沖波，即一個來回迅速抖動刮板；第3次，第4次請兩位學生在兩邊同時產生單個脈沖波的疊加，但兩次觀察的側重點不同，一次注意峰峰相遇，另一次注意谷谷相遇.（學生通過觀察實驗歸納得出：峰峰相遇，新的波峰變高了；谷谷相遇，新的波谷變低了）（豐富感性材料，引導分類比較，抽象概括，激發興趣，指導學生質疑，提問并猜想）

提問并猜想：如果恰好一邊是波峰傳過來，另一邊是波谷傳過來，它們相遇會怎么樣？（猜想后，在水槽制造水波恰好一邊是波峰傳播過來，另一邊是波谷傳播過來，觀察相遇現象，平了.）

圖4

實驗創景2：繩波實驗（如圖5所示）.（為了進一步驗證實驗結論，學生分組用彈簧繩做實驗，注意同時產生相向的兩列波，最好控制在1～2周期觀察情況.）

圖5

教學片段3：波的干涉條件.

實驗創景：（實驗裝置介紹：在同一振片上引出兩個振源，因此就可以在水面上形成兩列頻率相同的水波.如圖6）兩列相同波相遇時，在它們重疊的區域里會發生什么現象？（同步演示圖6實驗）

問題1：觀察方形水槽中兩列相同水波相遇的重疊區域出現的圖樣，與雨滴形成的疊加圖樣的錄像相比較，找出相同及不同之處，特別是找出不同的特征.

演示實驗1：適當調節頻率旋鈕，（引導觀察方形水槽中兩列相同水波相遇的重疊區域出現的圖樣，觀察、分析、抽象、概括，并與教師提供的雨滴形成的疊加圖樣的錄像相比較，找出相同及不同之處，特別是找出不同的特征；觀察后小組內部交流，用語言描述水槽中圖樣的特征.）探究產生干涉波的條件（實驗同時播放雨滳錄像）.

問題2：如何描述疊加區域圖樣的特征？（教師引領學生觀察比較實驗與雨滴形成的疊加圖樣，如圖7所示，并共同探討，抽象、概括出圖樣特征：圖樣穩定，位置固定，間隔分布.）

圖6

圖7

問題3：兩列相同水波相遇時，在它們重疊的區域里出現的位置固定，間隔分布的穩定圖樣，是否是波的共性？有無推廣價值？（問題創景，引領反思，引發學生批判性、發散性思維）

分組實驗2：學生分組實驗.觀察繩波干涉實驗（用兩個打點計時器同時振動傳播相向繩波演示）.［繩波的疊加實驗（在常規情況下）幾乎不能做成功，而且實驗現象轉瞬即逝，受駐波實驗的啟示（一列波在向前傳播的途中遇到障礙物或者兩種介質的界面時，行進波和反射波相遇疊加就會形成駐波.可以認為駐波是一種特殊的干涉現象），將反射波改為起振波源（如圖8所示），用兩個電磁打點計時器產生相干波，并使兩相干波在同一直線弦繩上沿相反方向傳播時疊加，將會產生干涉現象.］（引導學生觀察，分析實驗現象，與演示實驗1水波實驗現象比較，概括抽象描述現象特征，促進培養收斂思維.）

圖8

問題4：如何表述頻率相同的兩列波相遇疊加區域圖樣的特征？（頻率相同的兩列波疊加，使某些區域的振動加強，某些區域的振動減弱，而且振動加強和振動減弱的區域相互隔開的現象叫做波的干涉.干涉是波特有的現象.）（引導學生合作交流，抽象概括得出結論，培養抽象思維.）

引導學生質疑5：兩列頻率不同的波相遇疊加是否也會形成這樣特殊的疊加圖樣？（不會）（激發學生質疑，給學生發現問題、提出問題的機會，使學生既會“學”又會“問”，必將引領學生主動思維，提高學生發現與解決問題的能力，培養學生思維習慣.）

圖9

實驗3：用兩個頻率可調的振子作為振源，（如圖9所示）借助投影儀觀察兩列不同頻率水波在空間的疊加情況.（在原有水波實驗基礎之上做一些改進，使頻率f1＞f2，然后緩慢調低頻率f1逐漸減小至f2，然后繼續減小f1.學生縱觀整個過程的波紋圖樣變化現象，得出印證結論.）（學生通過實驗實現探究學習，既培養敢于質疑的良好思維習慣，又實現了“變學為思”、“變學為悟”，發揮實驗的功能）

圖10

拓展實驗4：如圖10所示，演示聲波的干涉，兩只喇叭輸入同一頻率的音頻訊號產生干涉，讓學生聽其“聲”，觀其“形”.（拓展實驗提供豐富的感性材料，使學生認知充滿著趣味性、思維性、挑戰性、探索性和創造性.有條件還可進一步猜想：撤去一只喇叭，還會有干涉現象嗎？演示：結果仍有干涉現象，這是為什么？……喚醒學生思維的深刻性.）

反思：利用實驗創設教學情境，學生在沖突的實驗情景中產生問題，并借助實驗觀察而獲取的物理思維材料，并使學生更全面地考察問題，多角度地思考問題，多方面地聯想，抽象概括實驗現象的共性，比較判斷并揭示現象之間的多種聯系，想象事物變化的多種可能，尋找解決問題的多種途徑.引導學生在問題情境中將“問題串”變成“知識串”，達到知識的建構，方法的滲透，有助于培養學生的開放、發散思維；將物理教學根植于“做中學”.讓學生思考問題時，能始終做到有理有據，使推理過程環環相扣，合乎邏輯，不以想像代替分析，不以直覺代替推理，有助于深化學生理性的嚴密思維；基于實驗解決問題，使學生能夠善于透過紛繁復雜的現象，把握事物的本質，善于進行抽象概括，抓住問題的核心，揭示隱含的問題情境信息，善于根據事物的初態預見事物的發展，有助于深化學生理性的深刻思維，深化學生理性思維的培養.

3 開發虛擬資源，在情景資源的優化整合中喚醒思維

從物理課堂教學的進程來看，學生在思考問題形成物理思維時，往往是既要用大腦的右半球進行形象思維，又要用大腦的左半球去進行抽象思維.物理概念形成、物理規律探究、物理實驗數據分析都是形象思維與抽象思維的互補結合，共同作用的結果（當兩種思維“互補”最完美之際，也就是問題解決之時）.物理教學中，如何優化整合問題情境資源，為大腦提供豐富的形象思維與抽象思維的素材，讓學生體驗并喚醒思維呢？信息技術憑借其強大的數據平臺，函數計算功能、圖形顯示功能和動畫功能，為物理課程資源深度的整合提供支撐，信息技術不僅可向學生提供圖形、圖像、動畫、聲音和色彩等豐富的感性的具體形象材料，還可以用二維或三維的圖像、實驗大數據分析及動畫模擬等虛擬資源，以動態方式呈現物理圖景的過程，向學生提供豐富多彩的理性的科學素材，為優化教學效果，激發學生思維的主動性，激活學生的創造性思維創設良好的資源環境.

教學片段4：波的疊加與獨立的理解.

虛擬創景：根據學生大腦中已有的對繩波（也可通過圖景展示，如圖11所示，引發學生想象再現其表象）的表象，用flash展示繩波疊加（如圖12所示）虛擬動畫（尊重真實依據及教師對繩波疊加的理解模擬制作，目的是提供形象素材，展示思維表象的動態過程，幫助學生進行思維抽象），分兩次演示分析：第1次整個過程演示一遍，在學生頭腦中建立整體概念（兩個波峰相向傳播→相遇了→分離了）；第2次慢鏡頭演示并定格，從定量的角度，結合運動合成的知識研究相遇區域中各質點的運動.（我們看到波峰與波峰相遇開始出現重疊區域，形成新的波形的幅度比原來大，在相遇過程中波形較原來變化了，然后分離保持原來的波形繼續傳播.）

圖11

圖12

問題1：為什么會形成這樣的現象呢？（引導學生思考解決問題方法，更深一步從定量的角度來研究波在傳播過程中質點是如何運動，同時繼續演示出現原波形.）

問題2：我們看到左右兩邊的波峰都在向中心傳播，那么波在傳播過程中，這些質點有沒有隨著波遷移？（沒有）

問題3：質點如何運動的？（質點上下振動）

問題4：（動畫展示）兩列波都傳到這兒，現在它們相遇了，出現了重疊區域，兩列波都要引起質點振動，質點的位移是多少呢？（選擇其中一個質點來看一看，紅色波峰引起這點振動的位移是紅色箭頭所示，綠色波谷引起這點振動的位移是綠色箭頭所示，它們彼此沒有影響.）按照已經學過的運動合成知識，形成新的波形，這個質點的位移與原來波峰、波谷引起該點的振動的位移有什么關系？（按照運動合成的知識可知，應該是兩個位移的矢量和.）（通過虛擬展示，讓學生發現當兩列波相遇時，它們重疊的區域介質的質點是同時參與了這兩列波引起的振動，質點的位移等于這兩列波單獨傳播時引起的位移的矢量和，根據形象表象，經過分析、比較、抽象、概括得出波的疊加.進而想象出，如果是幾列波相遇也是這樣，峰峰相遇、谷谷相遇，引起質點的振動都是相長的，峰谷相遇引起質點的振動是相消的.）

教學片段5：波的干涉的理解.

圖13

圖14

問題1：為什么兩列相同的波相遇疊加會形成這樣特殊的疊加圖樣？［對“波的干涉”概念的形成是很抽象的，在做完干涉實驗之后，應用Flash動畫虛擬展示水波（如圖13所示）物理情境，增加感知素材；PPT設計（如圖14所示）動畫虛擬展示繩波的物理情境：左右兩列波長相等的簡諧波相向傳播，在相遇區域內兩波邊線上取一個波長中的所有質點作為研究對象，觀察并描述這些點的運動情景.通過觀察相同質點的振動情況，學生自主歸納：（1）相遇區域內的所有質點都在自己的平衡位置附近振動；（2）各質點振動的頻率相同但振幅不同，質點振幅超過原振幅的區域為振動加強區，質點振幅小于原振幅的區域為振動的減弱區；（3）振動加強區是一個區域，其中心位置的質點振幅最大，振動最強；振動減弱區也是一個區域，其中心位置的質點振幅最小、振動最弱，振動的加強區和減弱區相互間隔；（4）如果兩列波頻率相同，圖景如圖15所示.這樣，學生就描述了干涉現象，自己抽象并理解了“波的干涉”以及“相干條件”的概念，并在概念形成過程中自覺糾正錯誤認識.］

圖15

問題2：波的干涉圖樣的是如何分布的？有何規律可尋呢？（借助Flash用紅色的實線表示波峰，用藍色的虛線表示波谷，波源S1產生一列波，波源S2也產生一列波，當S1、S2同時產生頻率相同的兩列波，就形成這樣一幅動態的平面疊加圖樣.讓學生利用前面疊加認知，選點描述某一時刻該點的振動是加強的，那么它的振動始終是加強，如果某一時刻該點的振動是減弱的，那么它的振動始終是減弱.并推理某一區域的規律，描述疊加圖樣，并與觀察到的實驗現象比較，抽象并深化理解 “波的干涉”以及“相干條件”的概念.促使學生形象思維與抽象思維的互動發展.）

反思：依托信息技術提供的虛擬資源，其素材內容固然十分豐富，但它也存在運用誤區，如用其模擬實驗來替代真實實驗，它在情感態度價值觀方面就會產生負面的教育效果，學生失去了發現自然規律時的振奮感，更沒有誤操作損壞器材甚至傷害人身的擔心，學生失去的是對自然和自然規律的敬畏.出于這些考慮，教學中真實的物理實驗不可用虛擬實驗替代.信息技術與物理課程的整合，只能從（1）輔助搜集和處理實驗數據，減少繁瑣的重復性的操作，提高實驗效率（如DIS實驗和Excel數據處理）；（2）為豐富思維素材，展示科學家思維、再現教師思維、喚醒學生思維提供輔助平臺（波疊加與干涉思維展示）；（3）為重復再現瞬間暫態過程，延遲思維過程，提供物理情境（動態平衡的過程展示）；（4）為拓展時間和空間，重復提供尊重事實而不可復制事實情景（如引入共振提供美國塔柯姆大橋共振被毀錄像）及難以實現實驗（如太空實驗）等方面著手開發優化運用虛擬資源，激發喚醒學生思維.

學習過程一般是從生動直觀開始的，通過觀察、實驗和虛擬信息整合等過程，學生對學習內容的認識是感性的、具體的，而當學生了解了事物的本質以后，認識就變得理性并抽象.學生借助于邏輯推理，又輔助于形象變換，在兩種思維結合的同化和順應中構建新的認知結構.當下的物理教學提倡優化整合多元教學資源，構筑“回歸生活”、“貼近生活”問題情境喚醒學生思維，誘發和驅動學生自主探究，在情境體驗中追尋前人從事科學研究的足跡，了解科學的本質并進而形成正確的科學觀，促進學生邏輯思維能力和非邏輯思維能力的發展.

1 張飛.用電磁打點計時器做波的干涉實驗［J］.中學物理，2008（12）：33－33.

2 張延慶.物理教學中的形象思維與抽象思維［J］.物理教師，1983（6）：5－9.

3 陶洪.著名特級教師教學思想錄 中學物理卷［M］.南京：江蘇教育出版社，2012.