從“觀念組成部分”向“子觀念”整合的物理觀念教學(xué)策略探索與實(shí)踐

張嘉弘

(海寧市第一中學(xué)，浙江 嘉興 314400)

觀念決定著做事方向和質(zhì)量,因此構(gòu)建完善的物理觀念對(duì)于解決物理問題起著至關(guān)重要的作用,根據(jù)梁旭老師《認(rèn)識(shí)觀念形成的過程與要素指導(dǎo)教學(xué)設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)》一文的觀點(diǎn),觀念的形成與完善不是一蹴而就、一朝一夕完成的,因?yàn)橛^念的形成基礎(chǔ)是知識(shí)[1](觀念的組成部分),而知識(shí)的積累需要長期的學(xué)習(xí).但是在我們的教學(xué)實(shí)踐中,明明學(xué)生已經(jīng)完成了3年的高中物理的學(xué)習(xí),可并不是每個(gè)學(xué)生都能形成較為完善的物理觀念(從解決物理問題的表象推斷),究其原因,主要是這些學(xué)生僅僅是完成了知識(shí)的積累(堆積),而沒有主動(dòng)構(gòu)建,概括出形成“最終觀念”的“子觀念”,從而導(dǎo)致“最終觀念”的難產(chǎn),鑒于此,在學(xué)生已經(jīng)具備構(gòu)成“子觀念”所需要的知識(shí)時(shí),教師需要通過教學(xué)引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建出“子觀念”[2],并通過運(yùn)用“子觀念” 解決一些問題,鞏固所構(gòu)建出的“子觀念”,為下一步形成“觀念”打下基礎(chǔ).

作為一名高中生,大概率在高二后期或者高三時(shí),已經(jīng)具備構(gòu)成“子觀念”所需要的知識(shí),因此,在設(shè)計(jì)高三的復(fù)習(xí)教學(xué)時(shí),應(yīng)注意引導(dǎo)學(xué)生梳理已知的“觀念的組成部分”,對(duì)其進(jìn)行相互關(guān)系的深入認(rèn)識(shí)與理解,并概括出“子觀念”,為在高中階段結(jié)束時(shí)形成階段性的“觀念”做好準(zhǔn)備.下面筆者將以“運(yùn)動(dòng)觀”的整合教學(xué)為例進(jìn)行論述.

1 梳理運(yùn)動(dòng)種類,尋求實(shí)例支撐

運(yùn)動(dòng)種類是運(yùn)動(dòng)觀形成的基礎(chǔ),對(duì)已學(xué)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行梳理,有利于全面了解高中階段的運(yùn)動(dòng)種類,而通過實(shí)例的列舉,將進(jìn)一步鞏固腦中的各種運(yùn)動(dòng)種類與概念.

《課堂實(shí)例1》:

任務(wù)1.提取高中物理課本中的運(yùn)動(dòng)種類

問題情境:展示生活中一些物體的運(yùn)動(dòng)場景.(相應(yīng)問題如表1)

表1 問題與目標(biāo)

教學(xué)建議:問題1比較簡單,建議學(xué)生獨(dú)立完成,問題2比較開放,建議學(xué)生分享自己的實(shí)例.

學(xué)生的操作結(jié)果(如表2):

點(diǎn)評(píng):通過運(yùn)動(dòng)種類的尋找以及相應(yīng)實(shí)例的分享,大多數(shù)學(xué)生在腦海中逐漸建立了形成“運(yùn)動(dòng)觀”的大致框架.

表2 運(yùn)動(dòng)的種類和實(shí)例

2 厘清運(yùn)動(dòng)關(guān)系,完善特征理解

關(guān)于運(yùn)動(dòng)的概念和規(guī)律是形成“運(yùn)動(dòng)觀”的關(guān)鍵,但是零碎知識(shí)堆砌并不能自發(fā)的形成“運(yùn)動(dòng)觀”,因此通過對(duì)各類運(yùn)動(dòng)的特征有效對(duì)比,有助于加深對(duì)各類運(yùn)動(dòng)的理解以及厘清相互之間的關(guān)系,促進(jìn)“運(yùn)動(dòng)觀”的形成.

《課堂實(shí)例2》:

任務(wù)2.厘清各種運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系網(wǎng)絡(luò)

問題情境:展示表格2中大家分享的實(shí)例.(相應(yīng)問題如表3)

教學(xué)建議:問題1則比較抽象,因此教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生模仿數(shù)學(xué)建立二維坐標(biāo)系(如圖1),幫助學(xué)生從序度和尺度兩個(gè)方面同時(shí)描述各種運(yùn)動(dòng).而在解決問題2時(shí),教師應(yīng)提供表格形式的學(xué)案(如表4)幫助學(xué)生分類,并盡量引導(dǎo)學(xué)生從速度、位移、加速度、軌跡、周期等角度進(jìn)行思考,對(duì)比分析各種運(yùn)動(dòng)的特征,要求學(xué)生盡量用圖象配合文字描述,便于學(xué)生形成結(jié)構(gòu)性的觀點(diǎn).

表3 問題與目標(biāo)

學(xué)生的操作結(jié)果(如圖1和表4):

圖1 二維分類圖

表4 各類有序運(yùn)動(dòng)的特征

續(xù)表

點(diǎn)評(píng):通過對(duì)問題1和問題2的解決,大多數(shù)學(xué)生潛移默化地對(duì)運(yùn)動(dòng)觀的內(nèi)涵進(jìn)行了豐富拓展,為運(yùn)動(dòng)觀的結(jié)構(gòu)化奠定了基礎(chǔ).

3 深挖運(yùn)動(dòng)變換,促進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

表象不同的運(yùn)動(dòng)之間并不一定是毫無關(guān)聯(lián)的,從不同的角度看待這些運(yùn)動(dòng),會(huì)有新的發(fā)現(xiàn),并在原有認(rèn)知的基礎(chǔ)上產(chǎn)生新的認(rèn)知,促進(jìn)對(duì)此類運(yùn)動(dòng)的認(rèn)知結(jié)構(gòu)的優(yōu)化.

《課堂實(shí)例3》:

任務(wù)3. 挖掘部分運(yùn)動(dòng)之間的變換關(guān)系

問題情境1:手拉住一條軟繩一端連續(xù)抖動(dòng)(圖2).(相應(yīng)問題如表5)

圖2 繩波

表5 問題與目標(biāo)

教學(xué)建議:問題1在新課講授過程中已經(jīng)分析總結(jié),學(xué)生比較容易能夠理解,對(duì)于問題2,學(xué)生平時(shí)思考的較少,但只要教師有意的去引導(dǎo)提示,學(xué)生不難解決.

學(xué)生的操作結(jié)果:

結(jié)論:振動(dòng)是單個(gè)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng),是局部的運(yùn)動(dòng),而波動(dòng)則是大量質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng),是整體的表現(xiàn).(如圖3)

舉例: 1. 彈簧振子的運(yùn)動(dòng)從整體角度理解是一種振動(dòng),從局部角度理解每一小段的運(yùn)動(dòng)也是直線運(yùn)動(dòng).

2. 單擺的運(yùn)動(dòng)從整體角度理解也是一種振動(dòng),從局部角度理解每一小段的運(yùn)動(dòng)也是圓周運(yùn)動(dòng).

圖3 波動(dòng)與振動(dòng)

也可以這樣理解,圓周運(yùn)動(dòng)是整體,單擺的振動(dòng)看成是圓周運(yùn)動(dòng)的一個(gè)部分(局部性).(如圖4)

圖4 圓周運(yùn)動(dòng)與單擺

圖5 豎直平面圓周運(yùn)動(dòng)

問題情境2:手拉細(xì)繩讓小球在豎直平面內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng)(圖5).(相應(yīng)問題如表6)

教學(xué)建議:對(duì)于問題1,學(xué)生通過實(shí)踐觀察或者空間想象去解決,不難得到物體是做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)的結(jié)論.對(duì)于問題2,大多數(shù)學(xué)生也只能得到問題1的結(jié)果,但是對(duì)于這樣的結(jié)論,學(xué)生的內(nèi)心可能并不是滿意,教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生從對(duì)稱性角度思考,學(xué)生可能猜想這是簡諧振動(dòng)(特殊的振動(dòng)形式). 而問題3是一個(gè)追問,就是需要引導(dǎo)學(xué)生從勻速圓周運(yùn)動(dòng)出發(fā),利用運(yùn)動(dòng)的合成與分解,觀察物體在側(cè)面投影點(diǎn)的位移與時(shí)間的關(guān)系,從而證明觀點(diǎn).

表6 問題與目標(biāo)

學(xué)生的操作結(jié)果:

判斷1:觀察直接得出結(jié)論物體是做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)的結(jié)論(如圖6).

圖6 不同視角觀察圖

判斷2:設(shè)有一質(zhì)點(diǎn)沿半徑為R的圓周以角速度ω做逆時(shí)針勻速圓周運(yùn)動(dòng)(如圖6),令x軸過圓心且與圓在同一平面內(nèi),如果把質(zhì)點(diǎn)在各個(gè)時(shí)刻的位置向x軸投影,則可以確定投影點(diǎn)在以O(shè)為平衡位置左右振動(dòng).

圖7 理論證明示意圖

證明:如圖7所示,若該時(shí)刻質(zhì)點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)的半徑與x軸夾角為φ0,經(jīng)過時(shí)間t,則該質(zhì)點(diǎn)在x軸上的投影點(diǎn)坐標(biāo)為x=Rcos(ωt+φ0),因此投影點(diǎn)在x軸上做的是簡諧運(yùn)動(dòng).

圖8 行星運(yùn)動(dòng)

問題情境3:播放太陽系中各星體運(yùn)動(dòng)的視頻(圖8).(相應(yīng)問題如表7)

教學(xué)建議:問題1比較簡單,學(xué)生可從課本找出相關(guān)解釋來解決,教師可引導(dǎo)學(xué)生從橢圓標(biāo)準(zhǔn)方程入手,通過修改參數(shù)來印證課本的解釋,問題2雖然是同類問題,但是由于需要極限的思維,教師可通過幾何畫板演示(如圖9)幫助學(xué)生理解.

表7 問題與目標(biāo)

圖9 橢圓變化圖

學(xué)生的操作結(jié)果:

分析2:當(dāng)b→0時(shí),橢圓的兩側(cè)就將重合為一條直線,此時(shí)c≈a,中心天體即將出現(xiàn)在直線的一個(gè)端點(diǎn).

點(diǎn)評(píng):通過上述問題的引導(dǎo)與思考,對(duì)運(yùn)動(dòng)原有的認(rèn)知將受到強(qiáng)烈的沖擊,在這樣的學(xué)習(xí)過程中,更新認(rèn)知結(jié)構(gòu)將成為必然,認(rèn)知水平將更上一層樓.

4 使用運(yùn)動(dòng)觀念,解決實(shí)際問題

在解決問題的過程中,運(yùn)用的是運(yùn)動(dòng)學(xué)的知識(shí)和規(guī)律,經(jīng)歷的是運(yùn)動(dòng)學(xué)中具體的結(jié)構(gòu)化案例,得到的是對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)問題的本質(zhì)認(rèn)識(shí),形成的是對(duì)于該類問題解決的系統(tǒng)化觀點(diǎn).通過問題解決的方式,體驗(yàn)“運(yùn)動(dòng)觀”使用的程序性、靈活性和綜合性,促進(jìn)“運(yùn)動(dòng)觀”的建構(gòu)整合.

《課堂實(shí)例4》

圖10 波形圖

任務(wù)4:強(qiáng)化“運(yùn)動(dòng)觀”在解決問題中的使用

圖11 神話情境圖

問題情境1:一列波速為1 m/s的簡諧橫波沿x軸正方向傳播,在t=1 s時(shí)刻的波形如圖10所示,質(zhì)點(diǎn)P的x坐標(biāo)為3 m.

問題情境2:赫菲斯托斯是希臘神話中的冶煉之神,剛出生的時(shí)候過于虛弱多病而且還是個(gè)瘸子,他的母親赫拉就把他從奧林匹亞山頂扔了下去(如圖11),經(jīng)過整整一天,赫菲斯托斯才掉進(jìn)海里.

圖12 交通工具圖

問題情境3:現(xiàn)有兩種交通工具,一個(gè)是地球近地軌道空間站,另一個(gè)是貫穿地球的直通隧道車,(如圖12)它們各自的運(yùn)動(dòng)軌跡處于同一平面內(nèi).(相應(yīng)問題如表8)

教學(xué)建議:問題1比較簡單,學(xué)生應(yīng)該會(huì)有不同的方式去畫出振動(dòng)圖象,教師應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生分享解決問題的思路或程序.問題2和問題3容易上當(dāng),主要是思維定式的問題,教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生從情境信息中提取有效信息“整整一天”,從側(cè)面說明這個(gè)山是非常高的,進(jìn)而促進(jìn)學(xué)生思考,靈活地選擇處理問題的規(guī)律.問題3和問題4則是需要幫助學(xué)生運(yùn)用動(dòng)力學(xué)知識(shí)確定或構(gòu)建未知的運(yùn)動(dòng),從而感知“運(yùn)動(dòng)觀”的綜合性.

表8 問題與目標(biāo)

學(xué)生的操作結(jié)果:

解答1:思路①: 利用波形平移畫出t=0 s時(shí)刻的波形圖,確定t=0 s時(shí)質(zhì)點(diǎn)P的位置和振動(dòng)方向,進(jìn)而從t=0 s開始畫出質(zhì)點(diǎn)P的振動(dòng)圖像.

思路②: 直接從t=1 s時(shí)刻的波形中確定質(zhì)點(diǎn)P在該時(shí)刻的位置和振動(dòng)方向,進(jìn)而把t=1 s時(shí)刻的狀態(tài)定為起始狀態(tài),向前向后延伸畫出質(zhì)點(diǎn)P的振動(dòng)圖像.(如圖13)

解答2:從時(shí)間角度思考,運(yùn)動(dòng)距離相當(dāng)大,那么運(yùn)動(dòng)過程中萬有引力有比較大的變化,加速度不是常數(shù)g,不能用自由落體規(guī)律計(jì)算高度.因此需要從天體運(yùn)動(dòng)角度處理問題,設(shè)想有一個(gè)狹長的橢圓軌道,近地點(diǎn)為A,遠(yuǎn)地點(diǎn)為赫菲斯托斯開始下落的B點(diǎn),在極限情況下,橢圓兩側(cè)軌道就靠攏為直線,橢圓的焦點(diǎn)就無限接近A點(diǎn),下落距離就約為橢圓的長軸長度.那么下落時(shí)間就為橢圓軌道周期的一半.(如圖14)

圖13 學(xué)生解答過程

設(shè)橢圓半長軸為a,沿橢圓運(yùn)動(dòng)的周期為T,沿半徑為R地,運(yùn)動(dòng)的近地衛(wèi)星周期為T0,對(duì)近地衛(wèi)星有:GMmR地2=m·4πT02·R地得R地3T02=GM4π2,由GMmR地2=mg表得R地3T02=g表R地24π2根據(jù)開普勒第三定律,a3T2=R地3T02,取T≈2天,R地=6.4×106 m,g表=9.8 m/s2,得a=3T2·R地3T02=3T2·g表·R地24π2=6.7×107 m,所以奧林匹亞山的高度為h=2a=1.34×108 m

圖14 學(xué)生解答過程

解答3:(如圖15)

設(shè)地球半徑為R地,地表重力加速度為g表,隧道長度為L,地心到隧道的距離為d,運(yùn)動(dòng)的近地衛(wèi)星周期為T0,近地空間站的運(yùn)動(dòng)為勻速圓周運(yùn)動(dòng),由萬有引力提供向心力GMmR地2=m·4π2T02·R地得T0=2πR地g表.若直通隧道車到隧道中點(diǎn)的距離為x時(shí),所受引力大小為F引=GMmR地3·x2+d2所以該引力沿隧道方向的分力大小為Fx=GMmR地3·x2+d2·xx2+d2=GMmR地3·x=mgR·x若取隧道中點(diǎn)為原點(diǎn)坐標(biāo),則隧道車的位移矢量x的方向與引力沿隧道方向的分力Fx的方向相反,即Fx=-mgR·x此關(guān)系恰好滿足簡諧運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)特點(diǎn),由此確定直通隧道車做簡諧運(yùn)動(dòng),且運(yùn)動(dòng)周期為T=2πR地R表,直通隧道車到達(dá)隧道口B的時(shí)間為t隧道車=πR地g表它們同時(shí)從隧道口A出

發(fā),若近地空間站順時(shí)針做圓周運(yùn)動(dòng),則近地空間站先到隧道口B.若近地空間站逆時(shí)針做圓周運(yùn)動(dòng),則直通隧道車先到隧道口B.新發(fā)現(xiàn): 1. 直通隧道車運(yùn)動(dòng)周期與隧道長度無關(guān),且與近地空間站的運(yùn)動(dòng)周期相同.2. 直通隧道車穿越地球的時(shí)間是定值,類似等時(shí)圓情況.

圖15 學(xué)生解答過程

點(diǎn)評(píng):通過上述問題的的解決,學(xué)生將積累更多具體典型的運(yùn)動(dòng)案例,為學(xué)生構(gòu)建在“運(yùn)動(dòng)的物理概念和規(guī)律”之上的“運(yùn)動(dòng)觀”提供了支撐,并進(jìn)一步潛移默化的將“運(yùn)動(dòng)觀”印刻在了學(xué)生的意識(shí)中.

5 反思感悟

縱觀整個(gè)教學(xué)過程,筆者以教材內(nèi)容為起點(diǎn),以學(xué)生學(xué)習(xí)為中心,通過分解任務(wù)、設(shè)計(jì)情境、跟進(jìn)問題和引導(dǎo)整合的聯(lián)動(dòng)方式,幫助學(xué)生將“運(yùn)動(dòng)觀”從已有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)中剝離、更新并進(jìn)行重構(gòu),主動(dòng)呈現(xiàn)在學(xué)生的觀念意識(shí)中,令之成為“運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念”建立的一個(gè)重要組成部分,為下一步物理觀念的整體搭建做好鋪墊.