基于教學邏輯進行教學設計
——以人教版“簡諧運動”為例

付鸝娟

(北京市第一〇一中學,北京 100091)

1 問題的提出

教學的有效性在于邏輯性．[1]物理核心素養有效的落實,需要教師根據教學的邏輯設計學生活動,引導學生自主探究．什么是教學邏輯?應該如何遵循教學邏輯設計教學?本文以“簡諧運動”中對簡諧運動的認識及其位移—時間圖像的得出過程為例,嘗試對上述問題進行探討．

2 教學邏輯

教學邏輯是教學思維的秩序、規律．它包含學科邏輯、學的邏輯和教的邏輯．[2]學科邏輯關注學科知識的生成過程,旨在回答“為什么要教這個內容”．學的邏輯關注學生認知發展規律,旨在回答“為什么要這么學”．教的邏輯關注把學科知識轉化為學生個體經驗的轉化過程,旨在回答“為什么要這么教,效果如何”．學科邏輯、學的邏輯和教的邏輯之間是相互關聯的,可用圖1表示．

圖1 教學邏輯系統各要素關系

“學科邏輯、學的邏輯內隱于教的邏輯背后,是教師形成教的邏輯的前提”．[2]在某種意義上,教學設計的過程就是教師厘清教的邏輯的過程．

3 基于教學邏輯的教學設計案例分析

下面以人教社選修3-4第十一章第1節“簡諧運動”教學設計為例,探討如何基于教學邏輯進行教學設計．

3.1 教的邏輯

3.1.1 基于學科知識邏輯理解教學內容

物理學有嚴謹的知識體系．教師進行教學設計時首先要明確所教授的這部分知識在整個物理學知識體系建構和發展過程中的地位和作用．

經典物理學通常分為力、熱、電、光等學科．某些形式的運動橫跨這所有的學科,最典型的就是振動和波．力學中有機械振動和機械波,電學中有電磁振蕩和電磁波,光也是一種電磁波．近代物理也處處離不開波,量子力學又稱為波動力學,可見振動和波的概念在近代物理中的重要性．[3]

本章的學習不僅局限于力學,它將為整個物理學習打下基礎．

3.1.2 基于教材編排邏輯挖掘教學價值

教材遵循學科知識的邏輯順序以章節的方式編排．教學不是照本宣科,而是對教材的再度創作,這就是我們常說的“要用教材,而不是教教材”．教師要著眼于學生的發展,發現知識的育人價值,把教材的文本知識轉化為蘊含教育價值的教學知識．

“機械振動”一章共5節,依次是從運動學角度定義簡諧運動、描述簡諧運動、從相互作用與能量觀念分析簡諧運動、研究具體的振動(單擺和受迫振動)．這種從運動的描述到動力學分析的順序,與研究直線運動和曲線運動中的邏輯保持了一致性,凸顯了研究不同運動方法的統一性和內在邏輯．因此,“簡諧運動”的教學應開篇明義,為學生展現這套研究方法．

3.1.3 基于學生認知基礎安排教學序列

“簡諧運動”一節根據簡諧運動的位移—時間圖像定義簡諧運動,是整章學習的起點．通過前面的學習,學生會用圖像描述運動,把這種用圖像研究運動的方法遷移到對陌生、復雜運動的研究中,并用所學知識獲得圖像,是本節教學的關鍵．

教材介紹了頻閃照相和數碼相機實驗獲得圖像,但學生對這樣的方法缺乏相關經驗,因而都較難理解,這樣就會掩蓋用圖像研究運動的思想方法這一教學重點．

因此筆者的設計是:創設彈簧振子實際運動的情境,讓學生用最熟悉的“描點連線”的方法獲得振子位置—時間圖像,并深化振動位移的概念．在學生對圖像有了一定認識后,引導學生設計實驗去獲得圖像,體會把時間軸展開的思想．最后用傳感器實驗,得到比較精確的圖像,讓學生根據圖像寫出位移隨時間的表達式,從定性到定量給出簡諧運動的運動學定義．這樣的設計,每一個環節都基于學生原有的認知,不斷創設新的問題情境,促進學生的認知發展．

3.2 學的邏輯

3.2.1 基于知識建構的邏輯設計問題

知識建構的過程包括知識形成過程的具體途徑、方式,即科學方法的運用過程．[2]教師在設計問題時要把這個“隱性”的過程用問題線索“顯性化”．

簡諧運動概念的建立,體現了從自然現象到物理模型再到物理概念的知識生成過程．首先從大量的實例歸納振動的特點給出機械振動的定義;然后通過彈簧振子這一理想裝置,構造理想振動的模型,并抽取理想振動的特征(周期性以及對稱性);最后探究理想振動的運動學規律,得出簡諧運動的概念．這一過程可用圖2表示．

圖2 簡諧運動概念建構過程

教師用問題推動課堂按這個順序展開,問題不是孤立的,而是一個問題鏈．問題的序列遵循這個過程的發展脈絡,問題間的過渡和銜接體現關鍵的物理思維．

定義機械振動的教學環節,設計的問題鏈如下.

問題1： 請舉出生活中振動的實例,并用一個動作表現振動；

問題2： 播放視頻展現各種形式的振動．請用關鍵詞描述振動；

問題3： 播放秋千運動的視頻,請歸納機械振動的特點；

問題4： 請給機械振動下一個定義．

問題1旨在探查學生對振動的界定是否清晰,能否感受振動的特點．問題2說明什么形式的運動屬于這節課要研究的振動,讓學生通過觀察描述振動．學生能用“來回動”、“重復動”等生活用語描述,很難發現振動“圍繞中心位置”的特點．問題3視頻中記錄秋千在不同時刻的位置(如圖3),引導學生有效觀察,歸納振動的特點．在學生對振動特點有認識的基礎上,問題4引導學生用物理語言概括機械振動的定義．可見,這組問題是用從學生已有的經驗出發,通過觀察—歸納—概括得出定義的方法線串起來的．

圖3 秋千運動

為研究復雜的機械振動,需要建立物理模型．這里建模有兩個層次:一是對彈簧振子裝置的模型建構,二是對彈簧振子振動的模型建構．設計的問題鏈如下．

問題5： 教師演示滑塊在彈力作用下振動但很快停下來,為什么?

問題6： 在什么情況下滑塊受到的阻力可忽略?

問題7： 這種理想的運動有什么特點?

“彈簧振子”是一個忽略阻力理想的運動裝置,實際中要構造一個接近理想狀態的振動裝置,需要忽略次要因素,這就是建模．近似的條件如表1．

表1

通過對這個理想裝置運動的分析,可以初步感受這種振動對稱性和周期性的特征,對這一運動的深入探究將圍繞這兩個特征展開．

3.2.2 基于認知發展的邏輯設計學生活動

學生有效的學習是在原有認知結構的基礎上,經過同化、順應形成新的認知結構,而學生重組新的認識結構是在問題解決的過程中實現的．因此,一個良好的學生活動就是為學生創設問題解決的機會,使他們形成新的認知．

這節課設計的第一個學生活動是:播放3個視頻,分別是從不同位置開始運動的水平彈簧振子和豎直彈簧振子(如圖4,其中①表示平衡位置,②表示起始位置),分組畫出視頻中振子運動的位置—時間圖像,并說明圖像如何與實際運動相對應．

圖4

教師沒有任何提示,學生典型作答情況如圖5、圖6、圖7．

圖5

圖6

圖7

圖5反映學生不能用圖像正確表示位置的方向；圖6反映學生不能用圖像正確描述振子的運動；圖7反映學生忽略了振子的起始位置．如果教師直接問“位置有方向嗎?”、“振子的速度如何變化?”大多數學生都能說出答案,但學生可能只是機械記住了這些結論,而教師只憑答案的正確會以為學生理解了這些知識．如果教師在學生作圖之前,就提示應該如何確定坐標原點等易錯點,學生暴露錯誤的機會就會降低,當學生在教師提示下畫出正確圖像,他們會以為自己掌握了這些知識．本節課的上述設計就是要通過活動,讓學生自己發現錯誤并加以修正,這是發展認知的開始．

圖8規定“正半軸為向左運動”,可見學生以為正方向是運動方向,說明學生認為位移的方向和運動方向有關．圖9規定“設向上為正”,但圖像中起始時刻位置卻為正,說明學生不理解位移是相對平衡位置的．位移反映物體位置的變化,機械振動中物體的位置圍繞中心位置變化,這個中心位置就是平衡位置,位移是相對平衡位置而言的,與速度無關．如果選取平衡位置為坐標原點,位置—時間圖像就是位移—時間圖像,圖像體現振子運動的對稱性．從位置到位移,學生的認知得到發展．

圖8

圖9

學生通過圖10和圖11發現水平彈簧振子和豎直彈簧振子圖像形式一樣,說明圖像作為一種物理的語言反映了運動的共同特征,進一步發展認知．

圖10

圖11

最后引導學生小結(如圖12):作圖首先應確定坐標原點,規定正方向,然后,確定不同時刻運動物體的位置(通常需要找到典型的位置)．如何把這些典型的位置用線連接起來,取決于物體從一個位置到另一個位置是如何運動的,也就是速度是如何變化的,位移—時間圖像的斜率可以反映速度．

圖12

為了獲得更為準確的位移—時間圖像,需要盡可能多的,甚至是連續記錄振子的位置,可用實驗的方法獲得．

這節課設計的第二個學生活動是: 請用一張白紙、一把尺子和一支筆設計一個實驗,模擬振子的運動,并記錄振子的位移隨時間變化的情況．

這個設計有兩個意圖：一是通過對簡諧運動實物操作表征深化學生對簡諧運動特征的認識;二是讓學生體會“把時間展開”的思想．

學生經過討論能進行正確的操作,如圖13．

圖13

引導學生小結(如圖14)．模擬振子運動要抓住振子運動的特點,提取關鍵的要素,筆代表振子的運動,其軌跡是直線,并且是變速運動．

圖14

如果不抽動白紙,只能得到一條直線．因為振子的運動具有周期性,不同時刻能運動到相同的位置,要區分不同時刻的位置,就要在不同的空間記錄振子在不同時刻的位移,所以要抽動白紙．

抽紙實際上是用紙移動的距離表示時間,只有勻速抽動才能保證通過相等的距離所用的時間相等,也就是時間軸是均勻的,這樣圖像才能呈現周期性的特點．

通過學習活動,引導學生在真實情境中主動建構,置課堂教學于形散而神不散的境界,這是教的邏輯向學的邏輯轉化的核心．

4 結論

基于教學邏輯進行教學設計應把握兩條主線： 一是基于學科邏輯、教材邏輯、學生認知基礎厘清教的邏輯； 二是通過問題設計,學生活動設計外顯學的邏輯．符合教學邏輯的教學設計能通過外在的表現形式展現課堂內在的思維本質,提升教學的深度．