指向素養(yǎng)發(fā)展的物理課堂重構

收稿日期：２０２３－１１－２４

基金項目：江蘇省十四·五規(guī)劃課題“促進深度學習發(fā)生的物理實驗５Ｅ教學模式研究”（Ｂ／２０２１／０２／４５）；江蘇省前瞻性教學改革實驗項目“啟智街道·物理實驗育人探索３０年”（２０２３ＪＳＱＺ０１６０）。

作者簡介：李桂旺（１９７４－），男，正高級教師，江蘇省特級教師，主要從事物理教學研究和物理實驗創(chuàng)新研究。

摘 要：高中物理新課程標準目標定位是培養(yǎng)學生的學科核心素養(yǎng)，將“科學思維”聚焦于物理學科素養(yǎng)開展教育是教育教學的重要目標。從人教版新舊教材中“簡諧運動”的比較研究中嘗試二次開發(fā)整合，體現(xiàn)新教材改革的價值和意義。形成培養(yǎng)“科學思維”的策略，凸顯科學思維培養(yǎng)的內涵，培養(yǎng)學科核心素養(yǎng)。

關鍵詞：核心素養(yǎng)；科學思維；真實情境

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A " " 文章編號：1003-6148（2024）4-0034-5

培養(yǎng)學生的學科核心素養(yǎng)，課程標準是依據(jù)，教材是載體，課堂教學是手段。教學設計是課堂教學的核心所在，在教學實施過程中應突出培養(yǎng)科學思維的過程，包括模型建構、科學推理、科學論證和質疑創(chuàng)新。

“簡諧運動”既是機械運動中相對復雜的運動形式，也是電磁振蕩、電磁波及物理光學的知識基礎。簡諧運動規(guī)律的探究對培養(yǎng)學生的科學思維能力具有非常積極的意義。

１" " 兩版教材“簡諧運動”的比較分析

“簡諧運動”在人教版舊教材中設置在“選修３－４”，在人教版新教材中設置在“選擇性必修一”。如果缺少這部分課程的學習，將影響交流電（正弦式）、電磁波（波長、波速及頻率關系）、物理光學（波動性）及近代物理（波粒二象性）部分知識的學習與理解。新舊教材“簡諧運動”教材內容、課后任務的比較如表1、表2所示。

２" " 基于科學思維培養(yǎng)的重構

課堂教學設計源于教材而不拘泥于教材，結合時代特征、區(qū)域特征和學生素養(yǎng)水平特征以及教材本身的特點對教材資源進行二次開發(fā)。尤其是新一輪課改的跨界時期，新舊教材共存的時代，新課程的實施可以整合新舊教材的資源，一切以培養(yǎng)學生學科核心素養(yǎng)為目標，提高課堂效率的同時，激發(fā)學生深度學習，發(fā)展高階思維能力。

２．１" " 基于大單元知識的課堂導入

“簡諧運動”是力學中相對比較復雜的運動形式，也是比較基本的運動形式。復習已學的幾種基本運動，回顧其基本概念及規(guī)律特點，激發(fā)學生思考，形成知識遷移，有利于新知識的形成。另一方面，可以體現(xiàn)直線運動規(guī)律對研究曲線運動的積極意義，并在歸納整理時前后呼應，使知識系統(tǒng)化，有利于“大單元”設計。

【教學片段１】

教師：（激發(fā)學生回顧舊知識）同學們，我們已經(jīng)學習過哪幾種運動形式？

學生：（交流討論并回答）勻速直線運動，勻變速直線運動，平拋運動，勻速圓周運動。

教師：（反饋并激發(fā)思考）除了這些常見的運動形式外，還有其他有特點的運動嗎？

２．２" " 基于真實情境的問題產(chǎn)生

物理源于生活，物理概念及規(guī)律源于實踐（真實性）。物理教學中利用生活中的真實問題情境可以促進教學方式和學習方式的轉變，有利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)造性思維，充分發(fā)揮物理學科獨特的育人功能。在教學設計中通過演示實驗或視頻（必須是真實場景）創(chuàng)設問題情境，以引導學生分析歸納，培養(yǎng)問題意識，激發(fā)學生了解問題的欲望和興趣，促使他們思維的積極活動，或借此陶冶性情。

【教學片段2】

教師：（視頻展示）播放“２０１８年印尼地震產(chǎn)生的‘晃塔’”監(jiān)控視頻（圖1）。注意“塔頂”運動特點，是不是前面所回顧的運動形式？

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圖1" 視頻截圖

學生：觀看視頻并討論。

教師：（演示實驗）鐘擺、播放音樂時的音響鼓膜、氣墊導軌上的滑塊、一段固定的振動鋼鋸條，讓學生歸納這些運動的共同特點。

２．３" " 基于科學模型的概念構建

基于真實情境（圖2），依據(jù)生活體驗形成心智模型。心智模型是外部世界在個體頭腦的內部表征，能夠在學習過程中理解事物和現(xiàn)象。它是一種思維定式，是指我們認識事物的方法和習慣。當我們的心智模式與認知事物發(fā)展的情況相符，能有效指導行動；反之，當我們的心智模式與認知事物發(fā)展的情況不相符，就會使自己好的構想無法實現(xiàn)。

【教學片段3】

學生甲：物體在重復晃動。

學生乙：物體在往復運動。

學生丙：物體的一部分在往復運動。

學生丁：物體都在振動。

通過實驗及視頻創(chuàng)設情境，結合初中所學習的“振動”和原有認知分析情境，了解生活中“振動”的基本特點（重復性）。心智模型的建立源于前概念和前經(jīng)驗，缺少交流解釋與驗證。在教師的引導下進行科學歸納與論證，有利于構建科學模型。

教師：足球運動員２５米的往返跑是不是屬于“振動”？（往復運動未必一定是振動）

學生：不是，振動是物體在原來靜止的位置附近的往復運動。

教師：這里的“原來靜止的位置”是“合力為０的位置”，即“平衡位置”。

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圖2" 實驗情境

２．４" " 基于思維培養(yǎng)的探究驗證

教育的目的不僅是知識，甚至可能都不是為了知識。著名的美國心理學家伯爾赫斯·弗雷德里克·斯金納說過，“當所學的東西都忘掉之后，剩下的就是教育”。其實，剩下的知識或者說非常實用的知識非常少，更多的是思維的培養(yǎng)與積累。所謂思維即所有的認識和智力活動，是事物的間接反映，是指它通過其他媒介作用及借助于已有的知識和經(jīng)驗認識客觀事物，是認識過程的高級階段，科學的教育過程更是如此。

【教學片段4】

（１）建立模型

教師：鑒于前述的幾個實例，我們發(fā)現(xiàn)了它們的共同特征。但在實際條件下，希望模型更簡單，從而建立“只受一個力，且這個力的大小與位移成正比”的理想化模型——彈簧振子（圖3）。

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圖3" 彈簧振子

教師：彈簧振子真實存在嗎？

學生：不存在，這是個理想化模型，與前面所學的“質點”等概念類似。

教師：由于這個運動具有很重要的特點——重復性與對稱性。在物理上描述振動的位移時，取“平衡位置”為位移起點。

（２）發(fā)現(xiàn)問題

教師：前面我們觀察了幾個“機械振動”，生活中我們也會碰到“機械振動”。一般的振動都非常復雜，但“彈簧振子”的運動相對簡單，它有怎樣的運動規(guī)律呢？

學生回憶勻速直線運動與自由落體運動的研究過程。

教師：我們研究運動，需要了解物體位置隨時間的變化規(guī)律，如何記錄物體的位置？

學生：打點計時器、頻閃照相等。

教師：我們一起回憶勻加速直線運動（自由落體運動）規(guī)律的研究過程（圖4）。

旁白：這個過程是幫助學生理解依托頻閃照片研究物體位置與時間關系這個規(guī)律的原理，是一個科學思維的過程。同時，也是由舊知識向新知識遷移的過程，使得復雜的知識理解形象化、直觀化。

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圖4" 勻加速直線運動頻閃照片

（３）梳理方案

教師：我們從“頻閃”的思路著手，如何操作研究呢？

學生甲：利用手機頻閃功能。

學生乙：利用電腦追蹤軟件。

學生丙：利用追蹤ＡＰＰ。

……

教師：分析討論各種方案的特點及優(yōu)缺點，選擇合適的方案。

（４）實驗探究

經(jīng)過課前的預研究，可以確定手機頻閃與電腦Tｒａｃｋｅｒ軟件追蹤的方案。

將氣墊導軌調節(jié)水平，讓滑塊在兩個水平彈簧作用下振動，滑塊上固定標志物（用透明桿支撐紅色小球）。

在滑塊振動過程中，將手機用支架固定后，采用手機自帶的連拍功能（頻閃），拍攝２～３個周期。

教師：將照片導入到電腦中，在ＰＰＴ中采用疊加的方式，將照片按時間的順序錯位疊放，如圖5所示。

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圖5" 照片疊放

（５）理論驗證

教師：大家看到標志物的分布像什么規(guī)律？

學生：正弦規(guī)律。

教師：如何驗證？

學生：由圖像特殊點（峰值和原點）大致寫出函數(shù)，通過測量觀察其他點（Ｍ，Ｎ，Ｐ）的坐標是不是與這個函數(shù)相符合（記錄并測量計算如表3所示）。學生驗證……

表3" 實驗記錄

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教師：通過大家的測量發(fā)現(xiàn)其他點也符合函數(shù)規(guī)律，說明振動的位移與時間確實是按正弦規(guī)律分布的。

（６）探究驗證

教師：以上方案最主要的不足之處有什么？

學生：測量數(shù)據(jù)少，而且似乎后來的數(shù)據(jù)差距更大。

教師：知道為什么后來的測量差距更大嗎？

學生：是因為振動的周期與頻閃的周期不是整數(shù)位關系，因此峰值位置的確定誤差較大。

教師：因此，老師有必要給大家?guī)硪环N更精確的方法——它可以測量并記錄更多時刻的位置與時間。我們用到一個視頻追蹤軟件——Tｒａｃｋｅｒ。

教師：介紹軟件的工作流程與原理——先將振動對象的運動過程通過慢錄的方式拍攝成小視頻。該軟件能夠追蹤視頻中的運動對象，并能夠記錄每一幀的時間與位置（橫坐標與縱坐標），且可以自動生成橫坐標（ｘ）和縱坐標（ｙ）與時間（ｔ）的圖像。

由于這個軟件流行時間還不長，學生不太了解，都很驚訝、好奇。

教師與學生相互配合演示實驗，得到ｘ－ｔ圖像。實驗中滑塊在水平面上運動，因此基本上沒有ｙ方向的記錄。

教師：與軟件擬合出的正弦函數(shù)基本吻合，所以更加堅信“彈簧振子”運動的位移與時間是按正弦規(guī)律變化的。

（７）概念形成

通過實驗多方案探究，發(fā)現(xiàn)彈簧振子運動過程中存在特殊的規(guī)律，因此物理學中將滿足這種規(guī)律的運動給一個特別的名稱——簡諧運動。

簡諧運動：質點位移與時間的關系遵從正弦函數(shù)的規(guī)律，即ｘ－ｔ圖像是一條正弦曲線，這樣的振動叫作簡諧運動。

探究驗證過程是這節(jié)課的重點，而位移的“表述”是難點。通過前知識的遷移，培養(yǎng)學生由簡單到復雜的思維方法與習慣。通過“頻閃”的方法讓學生在“自由落體運動”的基礎上逐步理解探究的原理。另一方面，通過頻閃方法的誤差分析，培養(yǎng)學生的批判性思維能力，從而追求更嚴謹?shù)奶骄糠桨浮猅ｒａｃｋｅｒ追蹤方案。同時，頻閃也是追蹤的原理基礎，層層遞進，殊途同歸。

２．５" " 基于真實情境的應用分析

學習的“知識”尤如消防栓，消防栓是有其實實在在的價值，但很多情況下，消防栓不僅僅具有消防功能，比如公共場所的消防栓常有為花草樹木澆水的功能，甚至緊急情況下為居民提供生活用水。所學的知識要能夠融會貫通，思維上可以變通。

我們一般都是從直線運動的角度研究運動的規(guī)律。拋體運動（平拋與斜拋）是從運動分解的角度利用“化曲為直”的思想去表述和分析。圓周運動規(guī)律的研究我們更多地是關注動力學的角度（向心力的問題），而運動學角度的研究僅限于“勻速圓周運動”，只是從周期性的角度去分析。實際上，圓周運動也可以從直線運動的角度去理解，這就是兩個振動的合成。受能力要求的限制，可以從直觀感性的角度讓學生了解，另一方面依然是體現(xiàn)“化曲為直”和“化繁為簡”的思想。

通過動畫的形式讓學生了解“熱機”工作的運動學原理（圖6）：曲軸的圓周運動與活塞的振動的牽連關系，從而讓學生理解圓周運動兩個相互垂直方向的（投影）分運動就是機械振動。

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圖6" “熱機”工作運動學原理

簡諧運動的基本模型歸類于直線運動，但相對于常規(guī)運動具有一定的復雜性，特別是動力學的角度。但這種運動形式確實也是生活中比較常見的，更何況圓周運動（包括橢圓運動）也可以從簡諧運動的角度去研究。它將是學生可持續(xù)發(fā)展的基礎，也是知識完整學習的必要。同時，從科學探究的角度看，進一步提升了學生的探究能力與思維能力。

參考文獻：

［１］尹慶豐，劉霽華．妙用“可視化”技術促進科學思維進階——以“簡諧運動”為例［Ｊ］．物理教師，２０２１，４２（１）：２１－２４．

［２］譚國鋒，梁旭．遵循學習路徑 培養(yǎng)核心素養(yǎng)——以“簡諧運動”教學設計為例［Ｊ］．物理教學，２０２２，４４（６）：２０－２３，１１．

［３］李正吉，田潔瑜．在物理情境中建構模型 培養(yǎng)學生科學探究能力——以“簡諧運動”教學為例［Ｊ］．物理教學探討，２０２２，４０（8）：７７－８０．

［４］楊瑤，陳華生，彭朝陽．基于科學思維培養(yǎng)的習題課自主構建模型教學研究［Ｊ］．湖南中學物理，２０１９（１０）：１３－１５．

（欄目編輯" " 劉" "榮）