探究式教學與講授式教學的有機整合研究——“受迫振動和共振”的教學案例

陳菊梅 張祖榮

（國防科學技術(shù)大學理學院，湖南 長沙 410073）

講授式教學是指教師通過語言與學生相互作用，向?qū)W生描繪情境、敘述事實、解釋概念、論證原理和闡明規(guī)律的教學方法。在講授式教學過程中，教師的講授能使深奧、抽象的課本知識變得具體形象、淺顯通俗，采取定論的形式直接向?qū)W生傳遞知識，從而排除學生對知識的神秘感和畏難情緒，使學習真正成為輕松的事情，還可以避免認識過程中的許多不必要的曲折和困難。借助教師對教材的系統(tǒng)講授和透辟分析，以及個人學識、修養(yǎng)、情感的輸出，學生能夠比較深刻準確地掌握教材，理解其中蘊含的豐富內(nèi)涵，領(lǐng)會吸收各種思想觀點、思維方法，并接受潛移默化的影響、感染和熏陶，收獲其中豐富的精神財富，從而全面提升學生的學科能力以及個人整體素養(yǎng)。講授式教學也有其局限性。在講授式教學過程中，教師把知識講解得清清楚楚，學生以聽講代替思考，這樣不靠思維獲得知識，不僅知識本身掌握不牢固，而且很難舉一反三、實現(xiàn)遷移應(yīng)用，促進能力的發(fā)展。講授式教學容易使學生產(chǎn)生依賴和期待心理，從而抑制了學生學習的獨立性、主動性和創(chuàng)造性。

探究式教學[1]把開發(fā)學生的智力放在突出位置，發(fā)展學生的創(chuàng)造性思維，培養(yǎng)學生的自學能力，以探究活動引導(dǎo)學生學會學習和掌握科學思維方法，提升學生的科學素養(yǎng)，為終身學習和工作打下堅實的基礎(chǔ)。學生作為探究式教學的主人，根據(jù)教師提供的條件，明確探究的目標，思考探究的問題，掌握探究的方法，敞開探究的思路，交流探究的內(nèi)容，總結(jié)探究的結(jié)果。學生在探究活動的過程中經(jīng)常伴隨驚奇、困惑、不滿足和不完善，然后緊張地思考、設(shè)想、提方案，找理由、找證據(jù)和得答案等，最大程度地激發(fā)學生學習的興趣，調(diào)動學生的主動性和創(chuàng)造性。同時學生在探究活動中學會用科學的觀點認識和評價規(guī)律，總結(jié)規(guī)律，從而學會科學研究的方法和工作方法，培養(yǎng)科學思維意識，提高發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力，全面提升科學素養(yǎng)。而且在探究活動過程中，學生在一種開放的環(huán)境中自主地發(fā)現(xiàn)和提出問題、設(shè)計解決問題的方案、收集資料、分析資料和得出結(jié)論等。這些活動有助于長期記憶和信息的復(fù)現(xiàn)，有助于把已掌握的知識遷移到新的情景中去應(yīng)用，進一步提高發(fā)現(xiàn)和解決問題的能力以及舉一反三的能力。探究式教學由于其開放性與拓展性的特點，也具有先天的不足。由于探究問題的設(shè)置，學生個性等原因，是很難兼顧到每個學生，嚴重的甚至會銼削個別學生的學習積極性，作用適得其反；而且探究式教學需要學習者花費較多的時間和精力，不利于學生掌握大量的、系統(tǒng)的知識和練就全面的必要的技能。另外對于基礎(chǔ)較差的學生，在某些領(lǐng)域會有無所適從的感覺，將會給這些學生造成學習上的心理障礙，在教學過程中很可能加劇兩極分化。教師和學生在開展探究活動過程中，經(jīng)歷挫折，彎路甚至失敗是在所難免的，這其中的許多感受和體驗對學生成長具有重要的教育價值。但教師一旦不能做出適當?shù)囊龑?dǎo)，很容易使學生喪失學習的積極性和主動性。

講授式教學和探究式教學各有優(yōu)勢與不足，分別適用于不同的教學情境[2]。由于探究式教學實踐會占用大量時間，單純采用探究式教學很難完成教學任務(wù)；講授式教學能夠有效地提高課堂效率，有機整合講授式教學與探究式教學，能夠彌補探究式教學效率低的缺陷。在探究式教學實踐中，隨著探究活動的開展，學生會在觀點上出現(xiàn)意見分歧，分散學生對知識點的注意力，導(dǎo)致學生對知識點的理解、把握不準確。我們可以借助講授式教學幫助學生全面、深刻、準確地把握教材，夯實學生的基礎(chǔ)知識。因此有機整合講授式教學與探究式教學，能夠提高探究式教學在知識點上的把握力度[3]。探究式教學重視發(fā)揮教師與學生雙方的主動性、創(chuàng)造性，并強調(diào)學生的主體地位，講授式教學往往忽視了學生的主動性和創(chuàng)造性。如果將講授式教學與探究式教學有機整合，就會使講授式教學取探究式教學之長，補己之短。講授式教學經(jīng)常會導(dǎo)致理論與實際脫節(jié)。探究式教學能夠提高學生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，促進學生學以致用，而如果將講授式教學與探究式教學有機整合，就會解決這一問題。探究式教學教會學生分享與合作，師生平等協(xié)作，相互補充，而講授式教學往往出現(xiàn)教師一言堂，教師居于權(quán)威、主控地位，學生的主體地位常被忽視，不利于學生科學探究精神與合作意識的培養(yǎng)。如果將講授式教學與探究式教學有機整合，就不會出現(xiàn)這一問題。講授式教學與探究式教學在很多方面優(yōu)勢互補，相互之間可以取彼之長，補己之短?？梢姡v授式教學與探究式教學有機整合極具價值。

因此在大學物理的教學中，如何把尊重傳統(tǒng)的講授式教學與追求創(chuàng)新的探究式教學進行有機整合，實現(xiàn)講授式教學和探究式教學的優(yōu)勢互補，找到講授式教學與探究式教學的最佳結(jié)合點，最大限度地發(fā)揮兩種教學模式的優(yōu)勢，相得益彰地應(yīng)用在大學物理的教學情境中，更好地促進學生發(fā)展，是大學物理教師需要認真研究的理論問題和實踐問題。

1 教學案例

大學物理的定位是公共基礎(chǔ)課，因此學生不僅要學習基本知識，更重要的是培養(yǎng)科學思維習慣，學會運用科學思維方法，才更有利于創(chuàng)新能力的提高。針對我們學校學生普遍基礎(chǔ)扎實，思維靈活的特點，在教學過程中，以建立清晰的物理圖像為基礎(chǔ)，著重培養(yǎng)學生的探究意識和創(chuàng)新意識。我們在教學過程中嘗試將探究式教學和講授式教學有機整合，以期實現(xiàn)相應(yīng)的教學目標和培養(yǎng)目標。

本文希望通過“受迫振動和共振”這節(jié)課，探討在大學物理課程中如何有機整合探究式教學和講授式教學。

之所以選擇這堂課來探討，基于以下幾點考慮。首先從內(nèi)容上，考慮到受迫振動和共振現(xiàn)象非常常見，與日常生活、工程技術(shù)以及前沿領(lǐng)域都有非常緊密的聯(lián)系；尤其是共振，不僅在宏觀領(lǐng)域隨處可見，在微觀領(lǐng)域也具有非常普遍的意義。學生生活中很容易接觸體驗受迫振動和共振現(xiàn)象，所以適合探究學習活動的開展。其次從方法論上來看，這節(jié)內(nèi)容應(yīng)用了多種科學思維方法。面對復(fù)雜的實際問題，遵從物理學的簡單原則，建立簡單物理模型，簡化問題。將模型的結(jié)論延伸到特定的復(fù)雜系統(tǒng)，提高學生通過建模來解決實際復(fù)雜問題的能力。通過分析受迫振動的特點，討論共振條件，了解固有頻率的角色，拓展應(yīng)用，探討防范有害共振，提高理論聯(lián)系實際的能力，并滲透內(nèi)因和外因以及一分為二的哲學思想；受迫振動和共振不僅發(fā)生在宏觀力學領(lǐng)域，而且在其他領(lǐng)域也非常普遍，因此相應(yīng)的方法以及結(jié)論可以類比到其他領(lǐng)域，從而可以在未知領(lǐng)域借助清晰的物理圖像發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題；同時結(jié)合應(yīng)用，培養(yǎng)學生關(guān)注科技前沿發(fā)展的意識，關(guān)注環(huán)境，同時了解體會學科的開放性；可以借助豐富而簡潔的演示實驗，提高發(fā)現(xiàn)、觀察和分析問題的能力。

教學過程分四步[4]。

第一步，我們經(jīng)常會看到許多周期性振動，這些周期性振動有些什么特征？通過討論引入受迫振動的概念，引領(lǐng)學生進入到受迫振動和共振的世界。然后簡要分析受迫振動的要素：周期外力，引導(dǎo)同學們思考如何處理復(fù)雜的實際問題；滲透物理學的簡單原則，從最簡單的情況入手，討論什么形式的周期外力最簡單，如何加入這種簡單的周期外力（余弦函數(shù)形式的周期外力）；從中體會物理學中分析和處理問題的方法之一——建立理想化模型；借助一個精心設(shè)計的簡單實驗儀器，清晰明了地分析實驗儀器對應(yīng)的簡單振動模型，體會怎樣針對實際問題建立對應(yīng)簡單物理模型。針對建立的物理模型，分析并講解余弦外力作用下，受迫振動的動力學及運動學特性；借助曲線建立受迫振動振幅和外力頻率的定量數(shù)學圖像；進一步借助演示實驗，通過改變周期力頻率觀察受迫振動振幅，檢驗數(shù)學定量圖像的對應(yīng)物理現(xiàn)象，建立相應(yīng)的物理圖像；在實驗中通過觀察，發(fā)現(xiàn)受迫振動中的共振現(xiàn)象。

第二步，探討共振發(fā)生的條件及意義。結(jié)合受迫振動中發(fā)生共振現(xiàn)象的條件，借助玻璃杯被聲音震碎的視頻，體會共振的威力，探討共振威力的來源以及威力來源對應(yīng)的物理原理；通過討論，探究共振現(xiàn)象發(fā)生時，系統(tǒng)自身的固有頻率在其中的角色。借助一組玻璃杯實驗驗證系統(tǒng)固有頻率在共振發(fā)生中起到作用。

第三步，再次提出問題供同學們討論：在實驗中，在同樣形式的作用力條件下，多個不同的系統(tǒng)都能發(fā)生共振現(xiàn)象，而且所加的周期外力比較復(fù)雜，如何研究在復(fù)雜周期外力作用時的受迫振動？在實際情況中，共振現(xiàn)象在為什么能夠發(fā)生？通過同學們討論，得出：可以借助數(shù)學分析方法，可以從簡單到復(fù)雜，將簡單模型推廣到任意周期外力作用的受迫振動以及在復(fù)雜外力作用下共振發(fā)生的可能性。和開篇的探討呼應(yīng)：為什么在物理學中解決實際問題時，可以首先建立簡單模型；體會物理學中的理想化模型方法作為一個基本物理方法的重要性和可行性；體會如何針對實際情況，建立簡單模型分析基本物理圖像，進而分析和解決實際復(fù)雜的問題。

第四步，拓展受迫振動和共振話題，討論生活中實際存在的受迫振動模式以及共振現(xiàn)象，討論共振的應(yīng)用，以及共振危害的防范。

討論過程中提出相關(guān)問題，留作課后小論文題目，供學生課后進行探討：由于學生存在興趣和相關(guān)能力的個體差異，留存多個課后討論的小論文題目，方便同學們有較大的選擇自由。通過幾段視頻，提出相關(guān)的討論問題供學生選擇：（1）1985年9月19日墨西哥發(fā)生8.1級地震。通常地震中破壞最為嚴重的地區(qū)在震中附近。這次墨西哥地震發(fā)生了奇怪的現(xiàn)象：墨西哥地震的震源中心位于墨西哥城400公里以外的西海岸，地震波從震源傳播到墨西哥城的途中，破壞相對較小；而墨西哥城內(nèi)卻遭到了非常嚴重的破壞，尤其是5～15層等中等高度的建筑物。希望同學們通過調(diào)研，結(jié)合墨西哥的地貌特征以及墨西哥城的演化歷史，探討為什么會發(fā)生特殊的地震現(xiàn)象；為了盡量減小地震可能帶來的破壞，建筑設(shè)計需要考慮哪些因素，建筑所在位置的地形地貌有什么樣的要求？（2）1940年11月7日，美國僅通車四個月的塔克馬海峽大橋被一陣不太大的海風吹斷了。當時的風速穩(wěn)定在42英里每小時，遠遠低于大橋的設(shè)計風速。但就在這陣速度不太大的海風中，大橋在經(jīng)歷激烈的震蕩后轟然倒塌。為什么在不太大的風速下，塔克馬大橋會出現(xiàn)震蕩而坍塌？如何避免這樣的坍塌事件？同樣的現(xiàn)象在通常的高層建筑中是否會出現(xiàn)？在什么地區(qū)的建筑物發(fā)生這種現(xiàn)象的可能性大？這對相應(yīng)地區(qū)的建筑物提出什么要求？結(jié)合大橋坍塌事件，和其他相類似的地理氣候條件的大橋建筑進行比較；通過調(diào)研，結(jié)合相應(yīng)的地貌特征，針對現(xiàn)行環(huán)境中異常的天氣情況，探討建筑跨?；蛘呖绾哟髽虻脑O(shè)計要求；以及類似的特殊地區(qū)高層建筑設(shè)計時需要注意哪些條件？（3）在我們前面演示的聲音震碎玻璃杯的視頻中，玻璃杯震碎需要什么條件？如何測試玻璃杯的固有頻率？采用什么方法產(chǎn)生所需的音頻？為了最終利用聲音震碎玻璃杯，對喇叭有什么要求？設(shè)計一套可以通過聲音震碎玻璃杯的實驗設(shè)備。（4）不僅在宏觀領(lǐng)域有共振現(xiàn)象，在微觀領(lǐng)域也存在共振現(xiàn)象。例如醫(yī)學中的核磁共振設(shè)備。分析核磁共振設(shè)備的工作原理。比較宏觀領(lǐng)域和微觀領(lǐng)域共振中，系統(tǒng)與外界交換能量的差異，探討差異的來源，充分理解宏觀領(lǐng)域的連續(xù)分布和微觀領(lǐng)域的量子分布。（5）面向軍隊學員，提出問題：如何將共振現(xiàn)象用于軍事武器設(shè)計中？希望設(shè)計的軍事武器可以在殺傷敵方的同時，又要能夠避免己方的力量的傷害。

希望通過教學過程達到相應(yīng)的教學目標和培養(yǎng)目標。在認知層面上，透析理論。在此基礎(chǔ)上，運用原理，關(guān)注應(yīng)用，讓學生深刻理解受迫振動和共振的特性。通過提出問題，然后運用原理解決問題；進一步分析問題，為什么共振非常廣泛，并從不同側(cè)面提出新問題：一方面，如何有效地利用共振效應(yīng)；另一方面，如何有效地防范有害共振。希望在此過程中實現(xiàn)相應(yīng)的能力目標。通過不斷提出問題、分析問題、解決問題，希望能夠提高學生的科學素質(zhì)。激發(fā)好奇心，培養(yǎng)探索、創(chuàng)新意識，同時關(guān)注環(huán)境，關(guān)注科技前沿。

在具體實施教學過程中，我們充分借助演示實驗，發(fā)揮演示實驗在物理課程中的作用。演示實驗不僅是為了便于學生更好地觀察某些物理現(xiàn)象及原理，讓學生更容易抓住問題的關(guān)鍵而設(shè)置；還可以培養(yǎng)學生觀察能力、提高學生的實際操作能力，鍛煉學生良好的科學研究習慣及科學品質(zhì)等。更重要的是，學生如果充分參與到實驗中，可以通過與教師或同伴的交流學習到更多的知識，在培養(yǎng)學習能力的同時提高學習熱情。演示實驗不但能夠創(chuàng)建形象化的物理情景，其新穎的物理現(xiàn)象還可以吸引學生，使學生能夠保持好奇心，從而培養(yǎng)學生的探究意識與創(chuàng)新精神，培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力。在“受迫振動和共振”的教學中，我們自制了一個能夠演示受迫振動和共振現(xiàn)象的簡單儀器。將教材中的驗證性實驗改為探索性實驗，引導(dǎo)學生動手、動腦，在實踐中探究。同時進行形象化教學，以增強學生的感性認識，激發(fā)學生積極討論探究，誘導(dǎo)學生辨析疑難，以辨激思、以辨明理，使學生在辨疑解難的過程中有所感、有所思，還要有所悟，積極培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維能力。同時仍然借助于演示實驗，釋疑檢驗，引申探究，引導(dǎo)學生進一步探究問題更深層次的物理本質(zhì)。我們在教學過程中，播放第二個視頻：聲音震碎玻璃杯，從而驗證共振的威力，提出問題：威力巨大的來源？并通過定量分析共振威力巨大的物理本質(zhì)。激發(fā)學生的好奇心，并引導(dǎo)學生通過自己分析、自己操作，完成課后的相關(guān)作業(yè)題。然后引導(dǎo)學生動手進行實驗：四個相同的玻璃杯，分別盛有不同高度的水；通過手摩擦杯口邊緣施加周期外力，觀察實驗現(xiàn)象。提出問題，通過分析問題，將簡單模型延伸到實際問題，得出受迫振動和共振的普遍性結(jié)論，并進而解釋相應(yīng)的問題。

借助實驗，提出問題，引入受迫振動概念；從最簡單的模型入手，分析實際系統(tǒng)在特殊周期外力——余弦函數(shù)外力驅(qū)動的余弦受迫振動，以及在特定條件下發(fā)生的共振現(xiàn)象；然后利用數(shù)學工具——傅里葉分析推斷：對于線形系統(tǒng)而言，周期外力驅(qū)動的受迫振動是由多個余弦分量疊加的周期振動。而且只要某個分振動滿足共振條件，就會發(fā)生共振現(xiàn)象；由于受迫振動和共振現(xiàn)象非常普遍，因此可以應(yīng)用類比的方法將力學領(lǐng)域的結(jié)論拓展到其他領(lǐng)域，同時也可以將其他領(lǐng)域得到的規(guī)律應(yīng)用到力學等領(lǐng)域。類比方法在物理學中應(yīng)用非常廣泛，經(jīng)常一些非常重要的理論就是借助類比方法獲得的。物理類比利用一種科學定律和另一種科學定律之間的部分類似性，用它們中的一個去說明另一個，類比方法建立在兩類定律數(shù)學形式上相似的基礎(chǔ)上，可以溝通不同領(lǐng)域，可以啟發(fā)新的物理思想，幫助人們?nèi)フJ識和發(fā)現(xiàn)一些尚待研究的物理過程和規(guī)律。其中大家非常熟悉的麥克斯韋就是用類比的方法推演電磁理論。他將通過把電場和流速場類比，對法拉第的力線思想作出了精密的數(shù)學處理，并在此基礎(chǔ)上，建立起電磁場的基本方程。在學習近代物理中我們還會看到很多科學大師們利用類比的方法發(fā)現(xiàn)新的物理理論。

2 小結(jié)

通過精心設(shè)計教學場景，激發(fā)學生探索興趣；在不斷探索中得出物理規(guī)律；在不斷探索中發(fā)現(xiàn)新的現(xiàn)象，提出新的問題；思考問題背后的物理原理，發(fā)現(xiàn)問題的物理本質(zhì)；用實驗進一步驗證所得出的結(jié)論，并提出新的問題，呼應(yīng)開篇的探索問題。通過不斷探索，層層深入，不僅解決了實際的復(fù)雜問題，深刻理解相應(yīng)的物理原理；而且通過探索，培養(yǎng)了學生探究問題、分析解決問題的能力；更多的是培養(yǎng)探究意識，創(chuàng)新意識，從而全面提升科學素養(yǎng)。有機整合探究式教學和講授式教學，能夠讓學生在有限的時間內(nèi)充分理解領(lǐng)悟物理內(nèi)容，而且通過探究激發(fā)學生學習興趣，不斷地提出問題、分析問題、解決問題，又從新的角度提出更多的問題；激發(fā)學生的探究意識，體驗分析研究問題的成就感，從而可以不斷地提高學生的科學思維，培養(yǎng)創(chuàng)新能力，不斷提升綜合科學素養(yǎng)，實現(xiàn)大學物理課程的培養(yǎng)目標。如何找到探究式教學和講授式教學的最佳結(jié)合點，我們還將不斷進行探索[5]。希望能夠借助于各種教學手段和方法，使大學物理課程在大學生成長過程中的真正作用充分發(fā)揮出來。

[1] 蔡鐵權(quán). 物理教學叢論[M]. 北京: 科學出版社, 2005: 24-26.

[2] 袁運開, 蔡鐵權(quán). 科學課程與教學論[M]. 杭州: 浙江教育出版社, 2004: 226-229.

[3] 劉儒德. 探究學習與課堂教學[M]. 北京: 人民教育出版社, 2005: 240.

[4] 李隨源. 啟發(fā)探究四步教學法[M]. 河南教育, 2001(4): 26.

[5] 孟萬金. 優(yōu)質(zhì)高效——因材施教的教育追求[M]. 上海: 華東師范大學出版社, 2004: 23-25.