基于科學思維培養的物理表象內化教學
——以《波的干涉》為例

何晨芯

（福州高級中學，福建 福州 350007）

物理作為一門科學學科，承擔著科學思維的教育的重要使命。《普通高中物理課程標準（2017 年版）》中，“科學思維”亦處于重要地位。根據思維對象的不同，可將科學思維分為科學抽象思維、科學形象思維和科學直覺思維三種。其中，科學形象思維，是以科學表象為思維材料而進行的。

表象是認知心理過程之一，它是在感知覺的基礎上形成的，表現在記憶和思維活動中的一種感性形象。［1］在物理學習中，學習者對過去已經感知過，但再現時并不直接感知的物理現象、物理過程、物理模型的感性映像即物理表象。通俗地說，過去的物理現象反映在頭腦中留下的痕跡，在人的物理學習過程中恢復或再現時，就成為物理表象。［2］物理表象主要分為時空表象、理想化表象、圖景表象和圖形表象。

物理表象是物理概念、規律建立過程中不可或缺的橋梁，它對學生形成完整的認知結構、物理問題創造性解決具有顯著的促進作用。［3］可以說，物理表象是物理科學形象思維的基本元素，也是科學形象思維的基本形式。［4］因此，在教學過程中，注重相關物理表象的內化，引導學生積累豐富的物理表象庫，是發展科學形象思維的首要策略，亦是發展科學思維的重要策略之一。

一、表象“內化-復述”模式

“內化-復述”模式是在概念、規律教學中注重把學生感知的物理現象內化為物理表象，及時對產生的物理表象進行鞏固的一種重視表象建立的教學方式。［2］其基本流程如圖1 所示。其中“內化”環節是本模式的核心，基于科學思維的培養，對該模式的中“內化”環節做具體說明：

圖1 “內化-復述”模式

（一）感知操作

物理學習過程中，學生在進行科學思維時，必須從不同的方面、不同的角度獲得關于科學事物本質屬性的外部表現的信息，然后加工改造。因此，教學中首先要使學生獲得豐富的感性素材，例如實驗演示、生活現象、物理攝影作品、動畫、視頻等。教師應有目的、有計劃地引導學生觀察、感知物理現象，突出重點要素，明確要研究的問題。

（二）內化表象

內化表象是將所感知的物理現象或過程，先加工成個別表象，接著對一系列個別表象進行感性概括形成概括表象，最后內化為頭腦中正確的物理表象的過程。［5］學生在教師的指導下自覺活動，通過回憶、語言描述、構建模型、畫示意圖等加工活動，形成清晰正確的物理表象等儲存于認知結構中。

該環節還未上升至思維加工，僅是事物在腦海中的感性概括。表象中的事物被省略了部分細節，具有大致的輪廓，且突出主要特征，因此具有直觀性、具體性和形象性的特點。它是科學形象思維的重要加工材料，為概念、規律的得出奠定基礎，具有重要意義。

（三）得出概念或規律

獲得物理表象后，學生基于認知結構中已有的知識和經驗，在教師引導下從物理學視角對物理表象進行分析，找出客觀事物的本質屬性、內在規律及相互關系。一般涉及的科學思維活動有分析與綜合、抽象與概括、歸納推理、比較與分類等。該環節是科學形象思維發展的重要環節，是從感性認識到理性思索，從形象到抽象的過程。形象思維和抽象思維相互作用，相互補充，推動著物理概念和規律的形成。

“復述”環節則是通過學生自覺回憶表象，教師通過提問、習題等方式鞏固表象、概念和規律的教學過程，是從“懂”到“用”的升華。

二、波的干涉與表象“內化”教學

《波的干涉》是一節典型的概念規律課，其中“波的疊加原理”和“波的干涉規律、特點”都需要物理表象作為依托。本章應用“內化-復述”模式中的“內化”環節，細化本節科學思維教學目標并設計教學環節。

（一）《波的干涉》科學思維教學目標

根據本章目標，結合《波的干涉》教學內容實際，細化本節科學思維教育目標有：

1.通過實驗演示波的疊加過程，引導學生構建模型，將復雜的實際問題抽象、簡化成一系列質點的振動，增強學生基于已有理論和經驗事實，進一步建構模型的科學思維能力。

2.通過引導學生觀察、分析、計算波疊加前后、疊加時的位移，內化波疊加的物理表象，總結波疊加過程的特點，了解波的疊加的一般性規律，提升學生分析綜合能力。

3.通過物理攝影作品和實驗演示干涉現象，引導學生觀察、分析干涉圖樣的規律特點，內化形成清晰的物理表象，知道干涉是波的疊加中的一種特殊表現，歸納總結波的穩定干涉的條件，培養學生的科學推理能力。

（二）《波的干涉》教學環節

1.問題的提出與波的獨立傳播原理

研究波的相遇問題是本節課的核心任務。教師提問：“兩顆小球相遇碰撞后，會改變各自的運動狀態，兩列波相遇后，各自的運動狀態會改變嗎？”學生可舉例一些生活實例，如嘈雜的教室里，仍能分辨是誰的聲音；交響樂團演奏時，仍能分辨各種樂器的聲音，從而引出波的獨立傳播與原理。

解決了相遇后的問題，可進一步提問：“波在相遇過程中會有怎樣的現象呢？”，由此進入波的疊加教學。

2.波的疊加原理

應用表象“內化”環節，設計如下教學過程（圖2）。

圖2 波的疊加原理教學過程

物理學中研究問題總是從簡單到復雜，可以從繩波入手，演示兩列繩波（半波）相遇的實驗作為感知素材，或提前拍攝為視頻，方便重播和慢鏡頭回放。引導學生觀察并描述相遇前、相遇后，以及相遇時的場景，先使學生在腦海中形成一組圖景表象。為了使表象更細致，便于計算分析，引導學生做出模型示意圖，形成直觀、形象的圖形表象，如圖3 所示。

圖3 波峰與波峰相遇前后示意圖

為了得出波疊加的一般規律，應具體分析、計算相遇時的位移，設計兩個活動：

【畫一畫1】：兩列波長相同的半波（波峰）在傳播過程中，完全重疊時刻的實際波形？（以P 點為來分析）（如圖4）

圖4 波峰與波峰相遇時分析

【畫一畫2】：兩列波長相同的半波(波峰與波谷)在傳播過程中，完全重疊時刻的實際波形？如果兩個波的振幅完全相同，實際波形又會怎樣？（如圖5）

圖5 波峰與波谷相遇時分析

完成作圖后，學生腦海中便能形成一組清晰的波疊加時圖形表象，基本能了解波疊加的一般性規律。再結合認知中已有的運動的合成知識，回歸運動的本質，解讀波的疊加原理。

3.波的干涉

在習得波的疊加原理的基礎上學習波的干涉現象，設計如圖6 所示的教學過程。

圖6 波的干涉教學過程

（1）認識波的干涉現象

美國中學生物理攝影大賽作品是非常好的課程資源。本節課選取了兩幅獲獎作品。

作品1：兩只鴨子下方形成了水波。鴨子為波源，波形為一組同心圓，這樣的波形稱為“球面波”。物理學中用圖7表示。

作品2：兩只鴨子向遠方游去，身后的水波相遇，相遇的區域波形發生了變化，是否有某些規律呢？

圖7 球面波

為了幫助學生形成波干涉的圖景表象，用波的干涉演示儀演示實驗并在希沃上投屏展示，便于直觀觀察。此時，攝影作品和實驗現象已在學生腦海中形成了初步的圖景表象，但主要特征還不夠細致，需要在教師的引導下進一步加工、補充。

拍下某一時刻的實驗圖樣，作出幾條實線和虛線引導學生對比分析（圖8）?？梢园l現，相鄰兩條實線或虛線之間的區域內起伏明顯，說明該區域內振動劇烈，但兩個區域并不連續，實線和虛線之間還有一個細小的，起伏相對平靜的區域。由此引入振動加強區和減弱區的概念。再次回到動態的實驗現象中，在屏幕直接畫出一片振動加強區或減弱區，觀察一段時間后總結，兩種區域出現的位置固定，是穩定分布的。

至此，學生腦海中已形成了形象、特征突出、有規律的波的干涉圖樣表象，有利于理解波的干涉概念。

圖8 某時刻波的干涉圖樣照片

（2）解釋波的干涉現象

要解釋波的干涉現象，首先要引導學生構建模型方便研究。

教師引導：如何構建波的干涉模型？水面那么多質點，取哪些點來研究更方便呢？

學生在“球面波”的啟發下，想到用兩列相交的球面波來表示某時刻的干涉圖樣，取波峰、波谷來研究更為方便，如圖9（上）。接著，選取M、N、P 三點進行分析，認識振動加強點（區）和減弱點（區）。為了加深理解，教師提出問題：“加強點的位移一直最大，減弱點的位移一直最小嗎？”引導學生分析M 點經過T/4 后的位移，并在腦海中想象，對表象進行加工，建立動態的時空表象，理解實際是振幅的加強或減弱。

以上環節，學生通過自主模型構建，教師引導下內化表象進而思維加工，在腦海中形成輪廓清晰、特征突出的波的干涉理想化表象（如圖9（下）），理解概念。形象思維和抽象思維共同作用，有利于建模思維的發展。

圖9 波的干涉模型圖

那么，形成穩定的干涉圖樣的條件是什么?

教師借助PPT 動畫演示兩列頻率相同和不同的波，在同一介質中傳播時，波形隨時間變化情況，如圖10、11 所示。以M 處的質點為研究對象，運用波的疊加知識可知，當頻率相同時，M 點始終為振動加強點。推理分析可知，形成穩定干涉圖樣的條件——振動方向相同、頻率相同?？梢姡ǖ母缮媸遣ǖ寞B加中的一種特殊表現。

形象思維具有動態性。動畫演示有利于學生感知物理過程，關注空間、位置、量度關系隨時間的變化情況，內化形成時空表象，促進學生形象思維的發展。在波的教學中，時空表象的形成對相關概念規律的形成具有重要意義。

圖10 λ（f）相同時M 點始終為加強點

圖11 λ（f）不同時M 點振幅疊加情況

4.板書設計

基于以上教學環節，設計流程圖模式的板書，幫助學生思維中搭建知識網絡，每個元素中都有相應的表象存在，有利于學生腦海中形成一個完整的認知結構。

圖12 板書設計

上述《波的干涉》教學設計中，讓學生從實驗、物理攝影作品、動畫三方面獲得豐富感性材料，注重表象的內化過程，在形成正確清晰的表象基礎上，進一步思維加工改造，得出相應概念和規律。由于表象具有不穩定性，易動搖和模糊，所以在后續教學中，教師要注意表象的鞏固，利用“復述”模式，不斷地鞏固、活化概念和規律。

三、討論與反思

在目前的物理教學中，教師相對較注重學生抽象思維的培養，易忽視形象思維的發展以及物理表象的獲取細節。要注意的是，形象思維和抽象思維的培養不是獨立的，形象思維作為科學思維的先導，在具體的科學思維中與抽象思維協同作用，相互補充。一方面，物理表象的形成受學生自身能力的影響，如觀察力因素、右腦發育因素和想象力因素；［2］另一方面，學生的思維方法及表現形式與教師的教學理念及教學方法的影響關系密切，學生的科學思維方法、表象的內化情況是可以通過教學環節來潛移默化地培養與影響的。本章介紹的表象“內化-復述”模式教學模式僅適用概念規律課的教學，僅僅是科學思維培養中的一小步，落實科學思維教育目標，還需要不斷探索。