基于科學(xué)思維培養(yǎng)的物理表象內(nèi)化教學(xué)
——以《波的干涉》為例

何晨芯

（福州高級(jí)中學(xué)，福建 福州 350007）

物理作為一門科學(xué)學(xué)科，承擔(dān)著科學(xué)思維的教育的重要使命。《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版）》中，“科學(xué)思維”亦處于重要地位。根據(jù)思維對(duì)象的不同，可將科學(xué)思維分為科學(xué)抽象思維、科學(xué)形象思維和科學(xué)直覺思維三種。其中，科學(xué)形象思維，是以科學(xué)表象為思維材料而進(jìn)行的。

表象是認(rèn)知心理過程之一，它是在感知覺的基礎(chǔ)上形成的，表現(xiàn)在記憶和思維活動(dòng)中的一種感性形象。［1］在物理學(xué)習(xí)中，學(xué)習(xí)者對(duì)過去已經(jīng)感知過，但再現(xiàn)時(shí)并不直接感知的物理現(xiàn)象、物理過程、物理模型的感性映像即物理表象。通俗地說，過去的物理現(xiàn)象反映在頭腦中留下的痕跡，在人的物理學(xué)習(xí)過程中恢復(fù)或再現(xiàn)時(shí)，就成為物理表象。［2］物理表象主要分為時(shí)空表象、理想化表象、圖景表象和圖形表象。

物理表象是物理概念、規(guī)律建立過程中不可或缺的橋梁，它對(duì)學(xué)生形成完整的認(rèn)知結(jié)構(gòu)、物理問題創(chuàng)造性解決具有顯著的促進(jìn)作用。［3］可以說，物理表象是物理科學(xué)形象思維的基本元素，也是科學(xué)形象思維的基本形式。［4］因此，在教學(xué)過程中，注重相關(guān)物理表象的內(nèi)化，引導(dǎo)學(xué)生積累豐富的物理表象庫，是發(fā)展科學(xué)形象思維的首要策略，亦是發(fā)展科學(xué)思維的重要策略之一。

一、表象“內(nèi)化-復(fù)述”模式

“內(nèi)化-復(fù)述”模式是在概念、規(guī)律教學(xué)中注重把學(xué)生感知的物理現(xiàn)象內(nèi)化為物理表象，及時(shí)對(duì)產(chǎn)生的物理表象進(jìn)行鞏固的一種重視表象建立的教學(xué)方式。［2］其基本流程如圖1 所示。其中“內(nèi)化”環(huán)節(jié)是本模式的核心，基于科學(xué)思維的培養(yǎng)，對(duì)該模式的中“內(nèi)化”環(huán)節(jié)做具體說明：

圖1 “內(nèi)化-復(fù)述”模式

（一）感知操作

物理學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生在進(jìn)行科學(xué)思維時(shí)，必須從不同的方面、不同的角度獲得關(guān)于科學(xué)事物本質(zhì)屬性的外部表現(xiàn)的信息，然后加工改造。因此，教學(xué)中首先要使學(xué)生獲得豐富的感性素材，例如實(shí)驗(yàn)演示、生活現(xiàn)象、物理攝影作品、動(dòng)畫、視頻等。教師應(yīng)有目的、有計(jì)劃地引導(dǎo)學(xué)生觀察、感知物理現(xiàn)象，突出重點(diǎn)要素，明確要研究的問題。

（二）內(nèi)化表象

內(nèi)化表象是將所感知的物理現(xiàn)象或過程，先加工成個(gè)別表象，接著對(duì)一系列個(gè)別表象進(jìn)行感性概括形成概括表象，最后內(nèi)化為頭腦中正確的物理表象的過程。［5］學(xué)生在教師的指導(dǎo)下自覺活動(dòng)，通過回憶、語言描述、構(gòu)建模型、畫示意圖等加工活動(dòng)，形成清晰正確的物理表象等儲(chǔ)存于認(rèn)知結(jié)構(gòu)中。

該環(huán)節(jié)還未上升至思維加工，僅是事物在腦海中的感性概括。表象中的事物被省略了部分細(xì)節(jié)，具有大致的輪廓，且突出主要特征，因此具有直觀性、具體性和形象性的特點(diǎn)。它是科學(xué)形象思維的重要加工材料，為概念、規(guī)律的得出奠定基礎(chǔ)，具有重要意義。

（三）得出概念或規(guī)律

獲得物理表象后，學(xué)生基于認(rèn)知結(jié)構(gòu)中已有的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，在教師引導(dǎo)下從物理學(xué)視角對(duì)物理表象進(jìn)行分析，找出客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系。一般涉及的科學(xué)思維活動(dòng)有分析與綜合、抽象與概括、歸納推理、比較與分類等。該環(huán)節(jié)是科學(xué)形象思維發(fā)展的重要環(huán)節(jié)，是從感性認(rèn)識(shí)到理性思索，從形象到抽象的過程。形象思維和抽象思維相互作用，相互補(bǔ)充，推動(dòng)著物理概念和規(guī)律的形成。

“復(fù)述”環(huán)節(jié)則是通過學(xué)生自覺回憶表象，教師通過提問、習(xí)題等方式鞏固表象、概念和規(guī)律的教學(xué)過程，是從“懂”到“用”的升華。

二、波的干涉與表象“內(nèi)化”教學(xué)

《波的干涉》是一節(jié)典型的概念規(guī)律課，其中“波的疊加原理”和“波的干涉規(guī)律、特點(diǎn)”都需要物理表象作為依托。本章應(yīng)用“內(nèi)化-復(fù)述”模式中的“內(nèi)化”環(huán)節(jié)，細(xì)化本節(jié)科學(xué)思維教學(xué)目標(biāo)并設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)。

（一）《波的干涉》科學(xué)思維教學(xué)目標(biāo)

根據(jù)本章目標(biāo)，結(jié)合《波的干涉》教學(xué)內(nèi)容實(shí)際，細(xì)化本節(jié)科學(xué)思維教育目標(biāo)有：

1.通過實(shí)驗(yàn)演示波的疊加過程，引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建模型，將復(fù)雜的實(shí)際問題抽象、簡化成一系列質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)，增強(qiáng)學(xué)生基于已有理論和經(jīng)驗(yàn)事實(shí)，進(jìn)一步建構(gòu)模型的科學(xué)思維能力。

2.通過引導(dǎo)學(xué)生觀察、分析、計(jì)算波疊加前后、疊加時(shí)的位移，內(nèi)化波疊加的物理表象，總結(jié)波疊加過程的特點(diǎn)，了解波的疊加的一般性規(guī)律，提升學(xué)生分析綜合能力。

3.通過物理攝影作品和實(shí)驗(yàn)演示干涉現(xiàn)象，引導(dǎo)學(xué)生觀察、分析干涉圖樣的規(guī)律特點(diǎn)，內(nèi)化形成清晰的物理表象，知道干涉是波的疊加中的一種特殊表現(xiàn)，歸納總結(jié)波的穩(wěn)定干涉的條件，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)推理能力。

（二）《波的干涉》教學(xué)環(huán)節(jié)

1.問題的提出與波的獨(dú)立傳播原理

研究波的相遇問題是本節(jié)課的核心任務(wù)。教師提問：“兩顆小球相遇碰撞后，會(huì)改變各自的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，兩列波相遇后，各自的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)會(huì)改變嗎？”學(xué)生可舉例一些生活實(shí)例，如嘈雜的教室里，仍能分辨是誰的聲音；交響樂團(tuán)演奏時(shí)，仍能分辨各種樂器的聲音，從而引出波的獨(dú)立傳播與原理。

解決了相遇后的問題，可進(jìn)一步提問：“波在相遇過程中會(huì)有怎樣的現(xiàn)象呢？”，由此進(jìn)入波的疊加教學(xué)。

2.波的疊加原理

應(yīng)用表象“內(nèi)化”環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)如下教學(xué)過程（圖2）。

圖2 波的疊加原理教學(xué)過程

物理學(xué)中研究問題總是從簡單到復(fù)雜，可以從繩波入手，演示兩列繩波（半波）相遇的實(shí)驗(yàn)作為感知素材，或提前拍攝為視頻，方便重播和慢鏡頭回放。引導(dǎo)學(xué)生觀察并描述相遇前、相遇后，以及相遇時(shí)的場(chǎng)景，先使學(xué)生在腦海中形成一組圖景表象。為了使表象更細(xì)致，便于計(jì)算分析，引導(dǎo)學(xué)生做出模型示意圖，形成直觀、形象的圖形表象，如圖3 所示。

圖3 波峰與波峰相遇前后示意圖

為了得出波疊加的一般規(guī)律，應(yīng)具體分析、計(jì)算相遇時(shí)的位移，設(shè)計(jì)兩個(gè)活動(dòng)：

【畫一畫1】：兩列波長相同的半波（波峰）在傳播過程中，完全重疊時(shí)刻的實(shí)際波形？（以P 點(diǎn)為來分析）（如圖4）

圖4 波峰與波峰相遇時(shí)分析

【畫一畫2】：兩列波長相同的半波(波峰與波谷)在傳播過程中，完全重疊時(shí)刻的實(shí)際波形？如果兩個(gè)波的振幅完全相同，實(shí)際波形又會(huì)怎樣？（如圖5）

圖5 波峰與波谷相遇時(shí)分析

完成作圖后，學(xué)生腦海中便能形成一組清晰的波疊加時(shí)圖形表象，基本能了解波疊加的一般性規(guī)律。再結(jié)合認(rèn)知中已有的運(yùn)動(dòng)的合成知識(shí)，回歸運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)，解讀波的疊加原理。

3.波的干涉

在習(xí)得波的疊加原理的基礎(chǔ)上學(xué)習(xí)波的干涉現(xiàn)象，設(shè)計(jì)如圖6 所示的教學(xué)過程。

圖6 波的干涉教學(xué)過程

（1）認(rèn)識(shí)波的干涉現(xiàn)象

美國中學(xué)生物理攝影大賽作品是非常好的課程資源。本節(jié)課選取了兩幅獲獎(jiǎng)作品。

作品1：兩只鴨子下方形成了水波。鴨子為波源，波形為一組同心圓，這樣的波形稱為“球面波”。物理學(xué)中用圖7表示。

作品2：兩只鴨子向遠(yuǎn)方游去，身后的水波相遇，相遇的區(qū)域波形發(fā)生了變化，是否有某些規(guī)律呢？

圖7 球面波

為了幫助學(xué)生形成波干涉的圖景表象，用波的干涉演示儀演示實(shí)驗(yàn)并在希沃上投屏展示，便于直觀觀察。此時(shí)，攝影作品和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象已在學(xué)生腦海中形成了初步的圖景表象，但主要特征還不夠細(xì)致，需要在教師的引導(dǎo)下進(jìn)一步加工、補(bǔ)充。

拍下某一時(shí)刻的實(shí)驗(yàn)圖樣，作出幾條實(shí)線和虛線引導(dǎo)學(xué)生對(duì)比分析（圖8）。可以發(fā)現(xiàn)，相鄰兩條實(shí)線或虛線之間的區(qū)域內(nèi)起伏明顯，說明該區(qū)域內(nèi)振動(dòng)劇烈，但兩個(gè)區(qū)域并不連續(xù)，實(shí)線和虛線之間還有一個(gè)細(xì)小的，起伏相對(duì)平靜的區(qū)域。由此引入振動(dòng)加強(qiáng)區(qū)和減弱區(qū)的概念。再次回到動(dòng)態(tài)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中，在屏幕直接畫出一片振動(dòng)加強(qiáng)區(qū)或減弱區(qū)，觀察一段時(shí)間后總結(jié)，兩種區(qū)域出現(xiàn)的位置固定，是穩(wěn)定分布的。

至此，學(xué)生腦海中已形成了形象、特征突出、有規(guī)律的波的干涉圖樣表象，有利于理解波的干涉概念。

圖8 某時(shí)刻波的干涉圖樣照片

（2）解釋波的干涉現(xiàn)象

要解釋波的干涉現(xiàn)象，首先要引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建模型方便研究。

教師引導(dǎo)：如何構(gòu)建波的干涉模型？水面那么多質(zhì)點(diǎn)，取哪些點(diǎn)來研究更方便呢？

學(xué)生在“球面波”的啟發(fā)下，想到用兩列相交的球面波來表示某時(shí)刻的干涉圖樣，取波峰、波谷來研究更為方便，如圖9（上）。接著，選取M、N、P 三點(diǎn)進(jìn)行分析，認(rèn)識(shí)振動(dòng)加強(qiáng)點(diǎn)（區(qū)）和減弱點(diǎn)（區(qū)）。為了加深理解，教師提出問題：“加強(qiáng)點(diǎn)的位移一直最大，減弱點(diǎn)的位移一直最小嗎？”引導(dǎo)學(xué)生分析M 點(diǎn)經(jīng)過T/4 后的位移，并在腦海中想象，對(duì)表象進(jìn)行加工，建立動(dòng)態(tài)的時(shí)空表象，理解實(shí)際是振幅的加強(qiáng)或減弱。

以上環(huán)節(jié)，學(xué)生通過自主模型構(gòu)建，教師引導(dǎo)下內(nèi)化表象進(jìn)而思維加工，在腦海中形成輪廓清晰、特征突出的波的干涉理想化表象（如圖9（下）），理解概念。形象思維和抽象思維共同作用，有利于建模思維的發(fā)展。

圖9 波的干涉模型圖

那么，形成穩(wěn)定的干涉圖樣的條件是什么?

教師借助PPT 動(dòng)畫演示兩列頻率相同和不同的波，在同一介質(zhì)中傳播時(shí)，波形隨時(shí)間變化情況，如圖10、11 所示。以M 處的質(zhì)點(diǎn)為研究對(duì)象，運(yùn)用波的疊加知識(shí)可知，當(dāng)頻率相同時(shí)，M 點(diǎn)始終為振動(dòng)加強(qiáng)點(diǎn)。推理分析可知，形成穩(wěn)定干涉圖樣的條件——振動(dòng)方向相同、頻率相同。可見，波的干涉是波的疊加中的一種特殊表現(xiàn)。

形象思維具有動(dòng)態(tài)性。動(dòng)畫演示有利于學(xué)生感知物理過程，關(guān)注空間、位置、量度關(guān)系隨時(shí)間的變化情況，內(nèi)化形成時(shí)空表象，促進(jìn)學(xué)生形象思維的發(fā)展。在波的教學(xué)中，時(shí)空表象的形成對(duì)相關(guān)概念規(guī)律的形成具有重要意義。

圖10 λ（f）相同時(shí)M 點(diǎn)始終為加強(qiáng)點(diǎn)

圖11 λ（f）不同時(shí)M 點(diǎn)振幅疊加情況

4.板書設(shè)計(jì)

基于以上教學(xué)環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)流程圖模式的板書，幫助學(xué)生思維中搭建知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)元素中都有相應(yīng)的表象存在，有利于學(xué)生腦海中形成一個(gè)完整的認(rèn)知結(jié)構(gòu)。

圖12 板書設(shè)計(jì)

上述《波的干涉》教學(xué)設(shè)計(jì)中，讓學(xué)生從實(shí)驗(yàn)、物理攝影作品、動(dòng)畫三方面獲得豐富感性材料，注重表象的內(nèi)化過程，在形成正確清晰的表象基礎(chǔ)上，進(jìn)一步思維加工改造，得出相應(yīng)概念和規(guī)律。由于表象具有不穩(wěn)定性，易動(dòng)搖和模糊，所以在后續(xù)教學(xué)中，教師要注意表象的鞏固，利用“復(fù)述”模式，不斷地鞏固、活化概念和規(guī)律。

三、討論與反思

在目前的物理教學(xué)中，教師相對(duì)較注重學(xué)生抽象思維的培養(yǎng)，易忽視形象思維的發(fā)展以及物理表象的獲取細(xì)節(jié)。要注意的是，形象思維和抽象思維的培養(yǎng)不是獨(dú)立的，形象思維作為科學(xué)思維的先導(dǎo)，在具體的科學(xué)思維中與抽象思維協(xié)同作用，相互補(bǔ)充。一方面，物理表象的形成受學(xué)生自身能力的影響，如觀察力因素、右腦發(fā)育因素和想象力因素；［2］另一方面，學(xué)生的思維方法及表現(xiàn)形式與教師的教學(xué)理念及教學(xué)方法的影響關(guān)系密切，學(xué)生的科學(xué)思維方法、表象的內(nèi)化情況是可以通過教學(xué)環(huán)節(jié)來潛移默化地培養(yǎng)與影響的。本章介紹的表象“內(nèi)化-復(fù)述”模式教學(xué)模式僅適用概念規(guī)律課的教學(xué)，僅僅是科學(xué)思維培養(yǎng)中的一小步，落實(shí)科學(xué)思維教育目標(biāo)，還需要不斷探索。