妙用“可視化”技術促進科學思維進階
——以“簡諧運動”教學為例

尹慶豐 劉霽華

(1. 常州市武進區教師發展中心,江蘇 常州 213164; 2. 常州市武進區禮嘉中學,江蘇 常州 213176; 3. 常州市教育科學研究院,江蘇 常州 213000)

在2017版課標中將科學思維能力由低階至高階劃分為5個水平等級．這5個等級的劃分啟發了我們在培養學生的科學思維能力的過程中,需遵循認知規律,循序漸進,達到能力的逐級提升．[1]由此可見,從高中物理學科教育著手,培養學生的思維能力,已經成為當今教育改革,特別是課堂教學改革的重點．

筆者以“簡諧運動”為例,綜合運用“可視化”技術,為學生創造良好的思維環境,使之經歷由點至面、由近及遠、由現象到本質等多個不同的思維狀態,從而展開思維進階課堂教學,讓學生在學習活動中完成思維的深度進階,培育物理學科核心素養．

1 基于“科學思維進階”的教學設計思路

科學思維,是從物理學視角對客觀事物的本質屬性、內在規律及相互關系的認識方式,是基于經驗事實建構理想模型的抽象概括過程．科學思維的培養,是一個不斷積累、不斷發展、不斷推進的過程．

在具體教學實踐中,我們也發現學生對某一主題或核心概念的理解不是一蹴而就的,而是需要依次進階、逐級深化的思維方式．將科學思維的培養和認知心理學相結合,設計教學流程,這就是基于“科學思維進階”的課堂．

“簡諧運動”這節課,首先通過各種振動情景,讓學生了解簡諧運動既是最基本也是最簡單的一種機械振動,植入清晰的運動觀念;其次,指導學生從位移時間圖像的角度去描述和解釋簡諧運動;最后,讓學生學會綜合應用簡諧運動的知識解決實際問題．可見,在“簡諧運動”的教學中,應該從建立理想模型開始,探究其內在規律,從而推進學生科學思維能力的培養．

基于本節課教學認知目標的特點,以2017版課標中科學思維進階的5個水平為指導思路,融入“可視化”技術,教學設計思路如圖1所示．

圖1 融入“可視化”技術的科學思維進階教學設計

從圖中可以看出,課堂采用了“可視化”技術輔助推進科學思維進階的整個過程．在提出物理問題時,引入了視頻播放、建立了理想化模型;在猜想和驗證時,采用頻閃照片、幾何畫板、DIS傳感器等手段,從特殊點到很多點再到所有點,層層遞進,直至驗證成功得出結論;在應用拓展交流階段,利用“希沃授課助手”軟件,實現同屏技術．

“可視化”技術具有傳遞速度快、反饋效率高的特點,能夠將傳統技術無法展示的現象呈現在學生的眼前．“可視化”技術的應用讓學生獲得直觀的真實感受,讓抽象的概念具體化、形象化,為科學思維過程的推進提供強有力的輔助作用．[2]

2 融合“可視化”技術的具體實施方案

2.1 播放演示視頻,分析常見物理現象

視頻引入: 把iPhone手機放在吉他里,近距離拍攝琴弦的振動,圖2(a)為琴弦振動截屏．

演示實驗: 敲擊音叉,音叉振動發出聲音,將振動著的音叉靠近懸掛著的靜止的乒乓球,觀察乒乓球的運動,如圖2(b)所示．

圖2 振動截屏示意圖

從聽覺到視覺,親身感受振動．對上述常見的物理現象進行簡單分析,明確振動也是生活中常見的一種運動形式:鐘擺、秋千的擺動,過獨木橋時橋的顫動,敲動音叉時叉股的振動．

設計意圖: 應用視頻導入教學,旨在誘發科學思維動機,讓學生能對常見的物理現象進行簡單分析,達到科學思維水平的第一層次．

2.2 抽象物理模型,明確機械振動概念

投影: 實驗室里,一根輕彈簧和小球就能組成一個最簡單的振動系統,如圖3所示．現在小球處于平衡狀態．若將小球向下拉一段距離后放手,仔細觀察,小球在運動形式上最顯著的特點是什么?

圖3 振動系統

生: 往復性、周期性、對稱性．

建立模型: 我們把這種物體在某一位置附近的往復運動,叫做機械振動．而物體靜止時所在的位置稱為平衡位置．這個由小球和彈簧組成的振動系統,顯然比我們生活中的很多振動形式都要簡單,可以抽象為一個理想化模型——彈簧振子．

接下來,根據彈簧振子這一理想模型,研究機械振動,明確機械振動中位移的概念．

投影: 機械振動的位移:物體偏離平衡位置的位移．下面我們就振動的位移這個新的概念來練習一下．

練一練: 彈簧振子在A-O-B間做簡諧運動,如圖4(a)所示,試著說出每一個T/4質點的運動方向、位移方向和位移大小的變化情況?結果見圖4(b)．

圖4 “練一練”截屏

設計意圖: 應用投影的方式,讓學生能在熟悉的問題情境中提煉出理想化的物理模型,并會對該模型進行簡單的分析,建立機械振動的基本概念,了解機械振動位移的特點,達到科學思維水平第二層次．

2.3 拍攝頻閃照片,猜想位移-時間圖像

對于這樣一個復雜的運動,暫時沒有公式可用．我們可以用位移-時間圖像來研究．如何得到彈簧振子振動的x-t圖呢?

師: 仔細觀察水平方向彈簧振子的運動過程,變化太快,肉眼來不及反應．如何記錄呢?

生: 頻閃照片．

師: 我們將頻閃照片等間距排列,得到了彈簧振子運動的位移-時間圖像,如圖5所示．

猜想: 我們所得到的x-t圖可能是什么規律的曲線?

生: 正弦函數．

設計意圖: 通過拍攝頻閃照片，挑選恰當點照片,形成位移-時間圖像,從而進一步猜想其規律．讓學生在熟悉的問題情境中,根據需要選用恰當的方式,建立自己的思維模式,解決簡單的物理問題,達到科學思維水平第三層次．

圖5 彈簧振子的運動過程

2.4 應用不同方式,驗證正弦函數規律

2.4.1 通過頻閃照片,特殊值驗證

驗證這條曲線是否符合正弦函數規律,實際上就是驗證這條曲線上的每個點是否滿足正弦函數．驗證每一個點比較困難,我們能不能先驗證某幾個特殊點呢?

生: 可以．由于對稱性,我們只研究1/4周期．1/4周期內比較熟悉的特殊點:T/4,T/6,T/8,T/12,如果在正弦曲線上應該對應位移A,0.866A,0.707A,0.5A,再測出實際位移,看是否吻合．

師: 下面我們就來驗證這一條曲線是否滿足我們的猜想．請同學們用手中的頻閃照片驗證．

學生活動: 設計表格及測量計算驗證．

學生展示: 測量的數據及計算驗證數據,如表1所示，其中,振幅A=2.6cm,周期T=9.6 s．

表1 特殊值驗證法數據表

結論: 曲線符合正弦函數規律．

2.4.2 應用幾何畫板,數據擬合

特殊點驗證法只能說明我們驗證的那些點在正弦函數上,如何來驗證頻閃照片中所有的點都在正弦曲線上呢?

屏幕顯示: 繪制的新函數通過了這些點,如圖6所示,學生瞬間發出了巨大的驚嘆聲.

圖6 幾何畫板數據擬合

2.4.3 應用DIS傳感器,圖線擬合

驗證整條曲線滿足正弦關系還是不夠嚴密,除非我們能驗證所有瞬間的點都在正弦函數上．運用了現代科技的傳感器可以幫我們解決這個問題．

圖7 DIS實驗儀器介紹

儀器介紹: 這是一個懸掛的彈簧振子．如圖7所示,位移傳感器可以測量振子在不同時刻的位移,我們用位移傳感器記錄不同時刻振子的位置,就可以得到振子的位移-時間圖像,再用正弦函數擬合．

DIS實驗: 描繪散點圖及函數的擬合,如圖8所示．(運用朗威DIS傳感器系統,記錄離散點,頻率20 Hz)

3種不同的方法,最后都能得到同一結論:彈簧振子的x-t圖為正弦函數．由此我們驗證了前一環節的猜想.

定義: 質點的位移與時間的關系遵從正弦函數的規律,即它的振動圖像(x-t圖像)是一條正弦曲線,這樣的振動叫做簡諧運動．

設計意圖: 通過頻閃照片的特殊點、幾何畫板擬合整條曲線,到DIS圖線擬合所有瞬間的點,層層遞進地驗證簡諧運動圖像滿足正弦曲線規律．在這個過程中,讓學生能恰當使用證據證明物理結論,能對已有猜想提出有依據的質疑,學會采用不同方式分析解決物理問題,達到科學思維水平第四層次．

圖8 DIS實驗圖像

2.5 引入單擺實驗,深化認識簡諧運動

引導: 圖9(a)這臺儀器是單擺(單擺的詳細知識后面會學到),利用高壓脈沖放電可在白紙上打點,接通電源后讓小球開始運動,如何能顯示小球的位移隨時間的變化規律呢?根據今天學到的知識,你有沒有辦法直接記錄小球擺動過程的x-t圖呢?

學生討論: 待小球擺動穩定以后,勻速拖動紙帶,就能得到x-t圖．

同屏技術: 請一位學生配合完成實驗,利用“希沃授課助手”軟件,將實驗過程用手機拍攝后同屏顯示在大屏幕上．

師: 接通電源,開始實驗,把得到的圖9(b)圖像與學生分享,并思考以下問題:

(1) 用筆標出白紙的運動方向,時間軸的方向和白紙的運動方向是什么關系?

(2) 單擺運動的x-t圖是什么形狀?說明單擺的運動是什么運動?

學生活動及展示: 得到單擺的x-t圖,時間軸的方向和紙板的運動方向相反．從直接記錄的圖像看,圖像為正弦函數,說明單擺的運動也是簡諧運動．

設計意圖: 通過同屏技術,將單擺實驗的位移-時間圖像呈現在學生的眼前,讓學生能應用已有知識在新的情境中對物理問題進行分析和推理,獲得正確結論并從運動學角度作出解釋,認識到簡諧運動是最基本最簡單的振動,達到科學思維水平第五層次．

圖9 單擺實驗x-t圖記錄

3 結束語

蘇霍姆林斯基說:“在人的心靈深處有一種根深蒂固的需要,這就是希望自己是個發現者、研究者、探索者．”而正處于成長期的高中生,這種需要表現得特別強烈．[3]這樣的認知心理學在高中物理教學中的最佳著手點就是“科學思維”．

提高學生的“科學思維”能力是課改的重要命題,教師要開放思想、融合多種方法、創新教學,讓學生經歷科學思維的5個水平等級全過程,使得高中物理教學不僅能夠滿足學生的學習認知需求,還能夠提升學生的物理學科核心素養．對比傳統教學,這節課以“可視化”技術為腳手架,引導學生動手體驗、動腦猜想、論證、觀察、分析、綜合、歸納、交流、提升、創造,促進學生思維水平由低到高的進階發展.