思維型課堂視域下的逆向設計與策略實施
——以人教版(新教材)“簡諧振動的描述”備課為例

潘海寧

(東莞市東華高級中學 廣東 東莞 523007)

1 思維型課堂的內涵和原理

思維型課堂教學[1]強調課堂教學中師生活動的核心是“思維活動”， 通過引發學生積極思考、主動探究來加速認知過程．思維型課堂的基本原理包括意義構建、應用遷移、思維監控．

意義構建：課堂中可通過激勵和引導學生自主將知識進行內化，構建屬于個體的認知體系，也可通過在學生的“最近發展區”創設“情境”，形成認知階梯，促進學生思維向前發展．

應用遷移：課堂中可設計問題情境，學生應用知識解決問題，提高知識遷移的能力．

思維監控：引導學生對自己的學習活動進行有意識的反思、診斷檢查自己的思維過程．

總的來說思維課堂不僅僅關注教會學生知識，更多關注學生思維能力的培養，更符合新時代對人才培養的要求[1]．

2 基于思維課堂的逆向教學設計

“逆向教學設計”強調“以終為始”，進行結果導向的教學模式．它分為“預期結果”“評估證據”“學習體驗和教學計劃”3個階段[2]．基于思維課堂的逆向教學設計的預期結果偏向發展學生思維能力，學習計劃更注重設計情境問題引起積極思考，引導學生主動將知識進行內化，實現知識的自主構建，評估證據也強調知識的遷移應用[1]．總的來說思維課堂視域下的逆向教學設計是為了更好落實思維型課堂模式，探索一種新的教學設計方式．

3 思維型課堂視域下的逆向教學設計

以“簡諧振動的描述”為例，該節課的逆向教學設計如表1所示[2].

表1 “簡諧振動的描述”逆向教學設計

續表1

4 逆向設計教學實施策略

4.1 經歷探究過程理解研究對象

學習需要將新知識納入原有認知范疇，而新知識的納入不應該是教師硬將知識塞給學生，而應該通過問題的引導，讓學生對問題進行思考并提出個人見解，教師再提供探究問題解決的過程．學生經歷探究過程，能更好地實現知識的構建和內化，從而提高對新知識的理解程度．

教學片段1：

按新教材的邏輯，在教學開始時設置問題：彈簧振子位移隨時間是怎樣變化的？如何找到位移與時間的關系？學生回答：記錄簡諧運動不同時刻的位移數據，擬合成函數．

經歷探究過程：上節課我們在學習簡諧運動時通過“頻閃照相機記錄水平彈簧振子運動”“沙擺”兩個實驗，大致看出位移隨時間成正弦規律變化．DIS系統是一個能實時記錄物體運動狀態和過程信息的數據工具，能真實呈現簡諧運動的運動數據．現在觀看利用DIS系統定量研究簡諧運動視頻，得出簡諧運動位移-時間的函數關系式．

教師播放視頻[4]：把重物拉到位移基準位置釋放，重物左右做簡諧運動，振動穩定后點擊“開始”，可以觀察到重物在平衡位置兩側來回運動，運用傳感器系統進行數據采集，簡諧運動的運動過程用數據呈現出來，計算機屏幕上可以看出“位移隨時間周期性變化”最后應用計算機軟件數據分析擬合函數得到位移-時間的函數表達式

x=Asin(ωt+φ0)

4.2 數學分析與物理模型結合建立內在關聯

教學片段2：

師：彈簧振子位移與運動時間的函數表達式為x=Asin(ωt+φ0)，表達式中各個物理量與簡諧運動有什么關聯？分別代表什么物理意義？

物理模型分析：不同位置釋放的水平彈簧振子的振動范圍一樣嗎？請寫出振動范圍.并說出振動范圍大小與函數表達式中哪個量有關？

讓學生觀察對比同一水平彈簧振子在不同位置釋放，振子左右做簡諧運動的范圍，體悟振動幅度大小的不同，在分析理解彈簧振子的運動范圍與釋放位置有關，這屬于自主構建總結．振動范圍為背離平衡位置的左最大位移到右最大位移，以平衡位置為坐標原點，向右為正方向建立一維坐標，振動范圍可表達為-xm≤x≤xm.

數學分析:正弦函數x=Asin(ωt+φ0)的范圍為-A≤x≤A.

內在關聯：函數中的A可確定為背離平衡位置的最大距離，物理上把這個物理量命名為振幅．

自主構建：小組討論從大小、標矢性等角度探究振幅、位移、路程的關系．學生經過討論可以發現三者的區別與聯系，可更進一步加深對振幅的理解．

結論：振幅為最大位移的數值，對于一個振動的位移時刻改變，振幅不變．位移是矢量，振幅是標量，完成一次全振動的路程為4個振幅．

教學片段3：

物理模型分析：列舉并分析生活中一些簡諧運動，音叉振動、鐘擺、豎直彈簧振子.

提問：簡諧振動最大的特點是什么？與以往學過的哪種運動相似？除了速度，還可以引入什么物理量描述簡諧運動的快慢？與函數表達式中哪些量對應？

引導學生得出簡諧振動最大的特點：往復性；與圓周運動相似．可引入周期、頻率、角速度描述簡諧運動的快慢．

一次完整圓周運動的往復過程就是勻速圓周運動，周期為完成一次完整圓周運動所用時間．類比圓周運動，簡諧運動也是某一過程的不斷往復：一次全振動．通過問題引導學生思考，若從振子經過某點起，經過怎樣的運動才叫完成一次全振動？學生對問題討論和充分思考后可得出：一次全振動應具備振子重新回到原點，且速度與開始的方向相同等特征．

教師總結：一次全振動即振動物體連續兩次以相同速度經過同一位置所經歷的過程；簡諧運動的周期為完成一次全振動所用時間．水平彈簧振子在一個周期內經歷一次全振動，可以把振動范圍內的位置循環一次，即位移的可能值也循環了一次．

教學片段4：

物理模型：教師準備兩個相同的豎直彈簧和鉤碼，拉到同一位置同時、先后釋放展現相同步調和不同步調的振動.

提問：對于同一位置釋放，步調不同的兩個簡諧運動相同點有什么？

學生觀察分析后得出：同一位置先后釋放的彈簧振子做的簡諧運動的振幅、周期均相同．

進一步提問：如何區別不同步調的簡諧振動？

學生觀察分析后得出：不同步調的兩個簡諧運動在同一時刻運動狀態(位移、速度、加速度)不同．

數學分析：不同步調的兩個彈簧振子的位移時間函數x=Asin(ωt+φ0)中A和ω相同，由于同一時刻位移x不同，根據函數易看出φ0不同，結合數學知識可得出-π≤φ0≤π.

內在關聯：φ0決定彈簧振子的初始狀態，物理上把這個物理量叫初相位，ωt+φ0決定彈簧振子不同時刻的狀態，物理上把這個物理量叫相位．相位差即某一時刻的相位之差．兩個具有相同圓頻率ω的簡諧運動，設其初相分別為φ1和φ2，其相位差Δφ=(ωt+φ2)-(ωt+φ1)=φ2-φ1，若φ2>φ1，振子2比振子1的運動狀態超前，物理上稱振子2相位比振子1相位超前?φ或振子1相位比振子2相位滯后?φ．

4.3 知識遷移應用 完成實作任務

逆向設計認為，實作任務是評價學生是否達到持久性理解、靈活應用的恰當證據．實作任務強調，在真實的情境中解決問題，進行過程性與結果性雙重評價，培養模型建構、問題解決、學習遷移、科學論證等思維能力．因此，本節課設置了實作任務和練習，實作任務具體內容如表2所示.

表2 實作任務

綜合練習：

彈簧振子的平衡位置為 O 點，在 B與C兩點之間做簡諧運動．B和C 相距 20cm．小球經過B點時開始計時，經過 0.5s首次到達C點．

(1)畫出小球在第一個周期內的 x-t 圖像．

(2)求 5s內小球通過的路程及 5s末小球的位移．

思考:振子的振幅為多大？ 振子的周期為多大？振子的圓頻率為多少？振子的初相是多大？

5 備課反思

以思維型課堂模式為基礎，在物理教學中進行逆向教學設計，讓學生經歷自主構建過程，理解簡諧振動函數表達式，數學分析與物理模型結合，建立兩者的內在關聯，目的是從彈簧振子模型的運動情況提煉出振幅、周期、相位物理量．最后通過實作任務和綜合練習實現知識遷移應用．整個備課我們首先關注預期學習結果，再設計合適的教學階段實現學生思維的發展，但是思維的發展不是千篇一律的[1]． 思維型課堂視域下的逆向設計研究為思維的發展提供了一種可借鑒的途徑，以期得出更適合的教學行為．