物理教學(xué)中建立“整體觀念”策略的探索與實踐

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《認識觀念形成的過程與要素指導(dǎo)教學(xué)設(shè)計與評價》一文的觀點，觀念的形成與完善不是一蹴而就、一朝一夕完成的，因為觀念的形成基礎(chǔ)是知識[1](觀念的組成部分)，而知識的積累需要長期的學(xué)習(xí).但是在我們的教學(xué)實踐中，明明學(xué)生已經(jīng)完成了3年的高中物理學(xué)習(xí)，可并不是每個學(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的積累(堆積)，而沒有主動構(gòu)建，從而導(dǎo)致“最終觀念”的難產(chǎn).鑒于此，在學(xué)生已經(jīng)具備建立“整體觀念”所需要的知識時，教師需要通過教學(xué)引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建出“整體觀念”，并通過運用“整體觀念” 解決一些問題，鞏固所構(gòu)建出的“整體觀念”，為下一步形成“最終觀念”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，已經(jīng)具備建立“整體觀念”所需要的知識，因此，在設(shè)計高三的復(fù)習(xí)教學(xué)時，應(yīng)注意引導(dǎo)學(xué)生梳理已知的“觀念的組成部分”，對其進行相互關(guān)系的深入認識與理解，并概括出“整體觀念”，為在高中階段結(jié)束時形成階段性的“觀念”做好準(zhǔn)備.下面筆者將以“運動觀”的整合教學(xué)為例進行論述.

1 梳理運動種類 尋求實例支撐

運動種類是運動觀形成的基礎(chǔ)，對已學(xué)的運動進行梳理，有利于全面了解高中階段的運動種類，而通過實例的列舉，將進一步鞏固腦海中的各種運動種類與概念.

課堂實例1:

任務(wù)1:提取高中物理課本中的運動種類

問題情境：展示生活中一些物體的運動場景.相應(yīng)問題如表1所示.

表1 問題與目標(biāo)

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

學(xué)生的操作結(jié)果如表2所示.

表2 運動的種類和實例

點評：通過運動種類的尋找以及相應(yīng)實例的分享，大多數(shù)學(xué)生在腦海中逐漸建立了形成“運動觀”的大致框架.

2 厘清運動關(guān)系 完善特征理解

關(guān)于運動的概念和規(guī)律是形成“運動觀”的關(guān)鍵，但是零碎知識堆砌并不能自發(fā)的形成“運動觀”.因此,通過對各類運動的特征有效對比，有助于加深對各類運動的理解以及厘清相互之間的關(guān)系，促進“運動觀”的形成.

課堂實例2:

任務(wù)2:厘清各種運動之間的關(guān)系網(wǎng)絡(luò)

問題情境：展示表2中大家分享的實例.相應(yīng)問題如表3所示.

表3 問題與目標(biāo)

教學(xué)建議：問題1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所示，幫助學(xué)生從序度和尺度兩個方面同時描述各種運動.而在解決問題2時，教師應(yīng)提供表格形式的學(xué)案，如表4所示.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、周期等角度進行思考，對比分析各種運動的特征，要求學(xué)生盡量用圖像配合文字描述，便于學(xué)生形成結(jié)構(gòu)性的觀點.

圖1 二維分類圖

學(xué)生的操作結(jié)果,如圖1和表4所示.

點評：通過對問題1和問題2的解決，大多數(shù)學(xué)生潛移默化地對運動觀的內(nèi)涵進行了豐富拓展，為運動觀的結(jié)構(gòu)化奠定了基礎(chǔ).

表4 各類有序運動的特征

續(xù)表4

3 深挖運動變換 促進結(jié)構(gòu)優(yōu)化

表象不同的運動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動，會有新的發(fā)現(xiàn)，并在原有認知的基礎(chǔ)上產(chǎn)生新的認知，促進對此類運動認知結(jié)構(gòu)的優(yōu)化.

課堂實例3:

任務(wù)3:挖掘部分運動之間的變換關(guān)系

問題情境1：手拉住一條軟繩一端連續(xù)抖動,如圖2所示.

圖2 繩波

相應(yīng)問題如表5所示.

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)生比較容易理解，對于問題2，學(xué)生平時思考得較少，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：振動是單個質(zhì)點的運動，是局部的運動，而波動則是大量質(zhì)點的運動，是整體的表現(xiàn)，如圖3所示.

圖3 波動與振動

舉例：

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

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

也可以這樣理解，圓周運動是整體，單擺的振動看成是圓周運動的一個部分(局部性),如圖4所示.

圖4 圓周運動與單擺

問題情境2：手拉細繩讓小球在豎直平面內(nèi)做圓周運動,如圖5所示.相應(yīng)問題如表6所示.

圖5 豎直平面內(nèi)圓周運動

表6 問題與目標(biāo)

教學(xué)建議：對于問題1，學(xué)生通過實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)運動的結(jié)論.對于問題2，大多數(shù)學(xué)生也只能得到問題1的結(jié)果，但是對于這樣的結(jié)論，學(xué)生的內(nèi)心可能并不滿意，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生從對稱性角度思考，學(xué)生可能猜想這是簡諧振動(特殊的振動形式). 而問題3是一個追問，就是需要引導(dǎo)學(xué)生從勻速圓周運動出發(fā)，利用運動的合成與分解，觀察物體在側(cè)面投影點的位移與時間的關(guān)系，從而證明觀點.

學(xué)生的操作結(jié)果：

判斷1：通過觀察直接得出結(jié)論，物體是做直線往復(fù)運動，如圖6所示.

圖6 豎直平面內(nèi)圓周運動的不同視角觀察圖

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

證明：如圖7所示，若該時刻質(zhì)點位置對應(yīng)的半徑與x軸夾角為φ0,經(jīng)過時間t，則該質(zhì)點在x軸上的投影點坐標(biāo)為x=Rcos(ωt+φ0) ，因此投影點在x軸上做的是簡諧振動.

圖7 理論證明示意圖

問題情境3：播放太陽系中各星體運動的視頻，如圖8所示.

圖8 行星運動視頻截圖

相應(yīng)問題如表7所示.

表7 問題與目標(biāo)

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，教師也可引導(dǎo)學(xué)生從橢圓標(biāo)準(zhǔn)方程入手，通過修改參數(shù)來印證課本中的解釋.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幫助學(xué)生理解,如圖9所示.

學(xué)生的操作結(jié)果：

分析1：從數(shù)學(xué)角度講，在橢圓標(biāo)準(zhǔn)方程

當(dāng)b≈a時,則就將接近圓標(biāo)準(zhǔn)方程，而根據(jù)c2=a2-b2，則c≈0，兩個焦點接近重合，中心天體即將出現(xiàn)在圓的圓心.

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

點評：通過上述問題的引導(dǎo)與思考，對運動原有的認知將受到強烈的沖擊，在這樣的學(xué)習(xí)過程中，更新認知結(jié)構(gòu)將成為必然，認知水平將更上一層樓.

4 使用運動觀念 解決實際問題

在解決問題的過程中，運用的是運動學(xué)的知識和規(guī)律，經(jīng)歷的是運動學(xué)中具體的結(jié)構(gòu)化案例，得到的是對運動學(xué)問題的本質(zhì)認識，形成的是對于該類問題解決的系統(tǒng)化觀點.通過問題解決的方式，體驗“運動觀”使用的程序性、靈活性和綜合性，促進“運動觀”的建構(gòu)整合.

課堂實例4:

任務(wù)4：強化“運動觀”在解決問題中的使用

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時刻的波形如圖10所示,質(zhì)點P的x軸坐標(biāo)為3 m.

圖10 波形圖

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

圖11 神話情境圖

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

圖12 交通工具圖

相應(yīng)問題如表8所示.

表8 問題與目標(biāo)

教學(xué)建議：問題1比較簡單，學(xué)生應(yīng)該會用不同的方式去畫出振動圖像，教師應(yīng)鼓勵學(xué)生分享解決問題的思路或程序.問題2和問題3容易出錯，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)面說明這個山是非常高的，進而促進學(xué)生思考，靈活地選擇處理問題的規(guī)律.問題4和問題5需要幫助學(xué)生運用動力學(xué)知識確定或構(gòu)建未知的運動，從而感知“運動觀”的綜合性.

學(xué)生的操作結(jié)果：

解答1：思路一，利用波形平移畫出t=0 s時刻的波形圖，確定t=0 s時質(zhì)點P的位置和振動方向，進而從t=0 s開始畫出質(zhì)點P的振動圖像.

思路二，直接從t=1 s時刻的波形中確定質(zhì)點P在該時刻的位置和振動方向，進而把t=1 s時刻的狀態(tài)定為起始狀態(tài)，向前向后延伸畫出質(zhì)點P的振動圖像.學(xué)生解答過程如圖13所示.

圖13 問題1學(xué)生解答過程

解答2：從時間角度思考，運動距離相當(dāng)大，那么運動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)律計算高度.因此需要從天體運動角度處理問題，設(shè)想有一個狹長的橢圓軌道，近地點為A，遠地點為赫菲斯托斯開始下落的B點，在極限情況下，橢圓兩側(cè)軌道就靠攏為直線，橢圓的焦點就無限接近A點，下落距離就約為橢圓的長軸長度.那么下落時間就為橢圓軌道周期的一半.學(xué)生解答過程如圖14所示.

圖14 問題2和3學(xué)生解答過程

解答3：對于問題4，空間站的運動是勻速圓周運動，從受力角度看，更像是彈簧振子，有必要從回復(fù)力切入，探究沿隧道方向力的變化與位移的關(guān)系，從而判定其運動性質(zhì).對于問題5，由于問題指向時間，因此考慮周期，從而對比得出結(jié)論，由于隧道車運動的等時性，不難引起類比等時圓的聯(lián)想，解答過程如圖15所示.

它們同時從隧道口A出發(fā)，若近地空間站順時針做圓周運動，則近地空間站先到隧道口B.

若近地空間站逆時針做圓周運動，則直通隧道車先到隧道口B.

新發(fā)現(xiàn)：1.直通隧道車運動周期與隧道長度無關(guān)，且與近地空間站的運動周期相同.

2.直通隧道車穿越地球的時間是定值，類似等時圓情況.

圖15 問題4和5學(xué)生解答過程

點評：通過上述問題的的解決，學(xué)生將積累更多具體典型的運動案例，為學(xué)生構(gòu)建在“運動的物理概念和規(guī)律”之上的“運動觀”提供了支撐，并進一步潛移默化地將“運動觀”印刻在了學(xué)生的意識中.

5 結(jié)束語

在高中階段，建立完善的物理觀念是一個長期而復(fù)雜的過程，需要教師在3年的教學(xué)中作出整體性的規(guī)劃，并抓住每一個教學(xué)階段，運用恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)方式和策略，有效推進知識結(jié)構(gòu)化進程.縱觀整個教學(xué)過程，筆者以教材內(nèi)容為起點，以學(xué)生學(xué)習(xí)為中心，通過分解任務(wù)、設(shè)計情境、跟進問題和引導(dǎo)整合的聯(lián)動方式，幫助學(xué)生將“運動觀”從已有的認知結(jié)構(gòu)中剝離、更新并進行重構(gòu)，主動呈現(xiàn)在學(xué)生的觀念意識中，使之成為“運動與相互作用觀念”建立的一個重要組成部分，為下一步物理觀念的整體搭建做好鋪墊.