問題驅(qū)動(dòng)式教學(xué)在微課設(shè)計(jì)中的應(yīng)用探究
——以“拋物線的光學(xué)性質(zhì)”為例

王禹桐 孔德宏 (云南師范大學(xué)數(shù)學(xué)學(xué)院 650500)

微課作為“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代的新產(chǎn)物，在信息技術(shù)與教育教學(xué)融合的應(yīng)用中起到了一定的推進(jìn)作用，近年來受到了教育界的廣泛關(guān)注[1].值得注意的是，微課不單純是課堂教學(xué)的片段，也不僅僅是錄制教師講解知識(shí)點(diǎn)的視頻，由于缺乏實(shí)際課堂的互動(dòng)環(huán)節(jié)，微課設(shè)計(jì)更需要注重啟發(fā)性和趣味性.

2021年5月，由中國(guó)教育技術(shù)協(xié)會(huì)微格教學(xué)專業(yè)委員會(huì)主辦、廣西師范大學(xué)承辦的第十屆“華文”全國(guó)師范生數(shù)學(xué)學(xué)科教學(xué)能力線上測(cè)試與展示交流活動(dòng)采取“線下微課設(shè)計(jì)+線上直播教學(xué)”的方式進(jìn)行.筆者有幸參與了此次活動(dòng)，在微課設(shè)計(jì)中采用“問題驅(qū)動(dòng)”教學(xué)模式，借助物理情境創(chuàng)設(shè)問題，利用問題串幫助分析問題，將物理情境抽象為數(shù)學(xué)問題，再將空間問題轉(zhuǎn)化為平面問題，層層遞進(jìn)，最后以解決問題為終點(diǎn).

1 教學(xué)內(nèi)容及目標(biāo)分析

1.1 內(nèi)容分析

本次微課內(nèi)容為“拋物線的光學(xué)性質(zhì)”，選自人教A版普通高中數(shù)學(xué)教科書(選擇性必修)第一冊(cè)第三章《圓錐曲線的方程》的閱讀與思考部分，屬于數(shù)學(xué)拓展課程.學(xué)生在本節(jié)課之前已經(jīng)掌握了圓錐曲線、導(dǎo)數(shù)等相關(guān)知識(shí)，并且結(jié)合實(shí)例學(xué)習(xí)了橢圓和雙曲線的光學(xué)性質(zhì)，熟悉“問題導(dǎo)入—分析問題—解決問題—總結(jié)”這一教學(xué)流程，為本節(jié)課學(xué)習(xí)拋物線的光學(xué)性質(zhì)奠定了基礎(chǔ).

1.2 教學(xué)目標(biāo)

(1)掌握并證明拋物線的光學(xué)性質(zhì).

(2)通過觀察、分析、探究等學(xué)習(xí)方式，經(jīng)歷將手電筒射出平行光線這一物理情境抽象為數(shù)學(xué)命題的過程，發(fā)展數(shù)學(xué)抽象能力.

(3)從問題抽象再到實(shí)際應(yīng)用，感受數(shù)學(xué)與生活的密切聯(lián)系.

2 教學(xué)過程設(shè)計(jì)

2.1 問題導(dǎo)入

一個(gè)小電珠的光線是向四周發(fā)散的，將小電珠放入到手電筒后，發(fā)散的光線變成了一段明亮的平行光束.

問題1 為什么會(huì)出現(xiàn)如此神奇的現(xiàn)象？

經(jīng)過觀察發(fā)現(xiàn)，手電筒前端是一個(gè)旋轉(zhuǎn)拋物面，即由拋物線繞對(duì)稱軸旋轉(zhuǎn)一周得到的曲面.

追問 同學(xué)們能否結(jié)合我們之前所學(xué)的拋物線的知識(shí)解釋該現(xiàn)象？

設(shè)計(jì)意圖結(jié)合生活實(shí)際，通過實(shí)驗(yàn)演示提出問題，激發(fā)學(xué)生探索未知的欲望，啟發(fā)學(xué)生思考.

2.2 分析問題

問題1 要研究這一物理情境，能否類比橢圓、雙曲線的學(xué)習(xí)過程將它抽象為一個(gè)數(shù)學(xué)問題呢？

討論 忽略物體的大小、質(zhì)地、薄厚，近似認(rèn)為手電筒前端是一個(gè)旋轉(zhuǎn)拋物鏡面，小電珠也近似為一個(gè)點(diǎn)光源，光線的傳播路徑用直線代替.

問題2 要研究這一空間問題，能否將它轉(zhuǎn)化為一個(gè)平面問題？

討論 作一個(gè)經(jīng)過小電珠及旋轉(zhuǎn)拋物鏡面頂點(diǎn)的軸截面，與旋轉(zhuǎn)拋物面相交的曲線即為拋物線，這樣我們就只需研究在該平面內(nèi)的拋物線的性質(zhì)即可.

問題3 初中物理里，光線被光滑的平直鏡面反射的實(shí)驗(yàn)中反射角等于入射角.光線如何被這里的“曲線”鏡面所反射？

問題4 如何證明這個(gè)命題？

設(shè)計(jì)意圖通過實(shí)物轉(zhuǎn)圖形、空間轉(zhuǎn)平面，再到“翻譯”反射這一過程，層層遞進(jìn)，讓學(xué)生直觀感受數(shù)學(xué)抽象的過程，能用數(shù)學(xué)語(yǔ)言描述出命題.抽象過程中運(yùn)用了“以直代曲”的數(shù)學(xué)思想.

2.3 解決問題

證明“拋物線的光學(xué)性質(zhì)”是本節(jié)課的重點(diǎn)和難點(diǎn)，因此我們既要有通性通法的教學(xué)，也要有能發(fā)展學(xué)生數(shù)學(xué)思維的教學(xué).本次教學(xué)中的解析法和幾何法從不同方向出發(fā)，對(duì)命題進(jìn)行了完備的證明.

作出拋物線上任一點(diǎn)P處的切線l，證明：PM平行于x軸(圖1).

圖1

問題1 已知∠1=∠2，如何證明射線PM平行于x軸？

問題2 我們還能用什么方法來證明這一命題？

追問 不借助坐標(biāo)系，又該如何證明拋物線的光學(xué)性質(zhì)？

設(shè)計(jì)意圖學(xué)生對(duì)坐標(biāo)法的過程較為熟悉，因此用坐標(biāo)的方法，即設(shè)點(diǎn)設(shè)線，列方程，算線段長(zhǎng)度或算向量夾角等較為常規(guī)的方法來證明“拋物線的光學(xué)性質(zhì)”是更容易接受的.講解證明思路后(結(jié)合思維導(dǎo)圖)，再呈現(xiàn)具體步驟即可.微課中也呈現(xiàn)了另外幾種坐標(biāo)解法的思路，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行課后思考.

材料 數(shù)學(xué)家希爾伯特曾用“漂亮的幾何法”證明了“拋物線的光學(xué)性質(zhì)”，其證明首先承認(rèn)PM平行于x軸，目的在于證明l確為切線.巧妙之處在于他發(fā)現(xiàn)有一條直線可以近似代替入射點(diǎn)附近的曲線，其反射角都等于入射角，此直線即為外角平分線，因此用外角平分線來作為已知條件，突破難點(diǎn)(圖2).

圖2

問題1 要證l為切線，等價(jià)于證明什么？

預(yù)設(shè)回答：即證明直線l與拋物線E有且僅有一個(gè)公共點(diǎn).

問題2 再取l上除P以外的任意點(diǎn)Q，它能不能在E上呢？

問題3 點(diǎn)Q不能在E上，也即點(diǎn)Q到焦點(diǎn)的距離不等于點(diǎn)Q到準(zhǔn)線的距離.此時(shí)，已知的是角的條件，我們要解決的是距離的問題，能否將距離的問題轉(zhuǎn)化為角的問題？

設(shè)計(jì)意圖結(jié)合學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)，利用坐標(biāo)的方法證明命題具有普遍性.通過學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)家的證明思路，開拓學(xué)生思維，使學(xué)生在了解數(shù)學(xué)文化的同時(shí)，提高學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)的興趣，樹立善于思考、嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)精神.幾何法證明“拋物線的光學(xué)性質(zhì)”是一個(gè)難點(diǎn)，在微課演示中結(jié)合“問題串”“思維導(dǎo)圖”等方式，將難點(diǎn)逐一突破，證明過程自然呈現(xiàn)，學(xué)生容易接受，并能提高其數(shù)學(xué)思維.

2.4 性質(zhì)應(yīng)用

例題已知拋物線E：y2=2px內(nèi)有一點(diǎn)A(a,b)，一光線從點(diǎn)A平行于x軸射出，經(jīng)過拋物線鏡面反射兩次，設(shè)兩次的反射點(diǎn)分別為B,C，當(dāng)BC最短時(shí)，求b的值.[2]

問題1b是什么？

預(yù)設(shè)回答：它是A的縱坐標(biāo)，也是B的縱坐標(biāo).

問題2 移動(dòng)點(diǎn)A，直線BC在運(yùn)動(dòng)過程中有什么不變性？

預(yù)設(shè)回答：BC恒過定點(diǎn).

問題3 該定點(diǎn)是哪個(gè)點(diǎn)？

問題4 為什么是焦點(diǎn)？

問題5 什么時(shí)候焦點(diǎn)弦最短？

展示阿基米德燒敵船、“天眼”雷達(dá)、太陽(yáng)灶等例子，說明拋物線的光學(xué)性質(zhì)在我們的生活中有著廣泛的應(yīng)用.

設(shè)計(jì)意圖借助幾何畫板動(dòng)態(tài)分析例題，利于學(xué)生理解、分析問題，通過例題的講解能更深刻地理解“拋物線的光學(xué)性質(zhì)”以及如何運(yùn)用它解決數(shù)學(xué)問題.再結(jié)合小故事和生活實(shí)例使學(xué)生更加強(qiáng)烈地感受到數(shù)學(xué)源于生活、用于生活，要用數(shù)學(xué)的眼光觀察世界，用數(shù)學(xué)的思維分析世界，用數(shù)學(xué)的語(yǔ)言表達(dá)世界.

2.5 總結(jié)

對(duì)本節(jié)課的總結(jié)如圖3.

圖3

說明本節(jié)課將生活實(shí)際情境轉(zhuǎn)化為一個(gè)數(shù)學(xué)問題，研究了拋物線的光學(xué)性質(zhì)及其證明，并運(yùn)用這一性質(zhì)解決數(shù)學(xué)問題.今后再遇到類似問題，也可以類比此次分析過程來完成.整個(gè)過程體現(xiàn)了“以直代曲”“數(shù)形結(jié)合”等思想，進(jìn)而提升了學(xué)生的“數(shù)學(xué)抽象”“數(shù)學(xué)建模”“邏輯推理”等學(xué)科核心素養(yǎng)，也讓學(xué)生更加熟悉數(shù)學(xué)探究的一般步驟.

3 教學(xué)反思

情境和問題構(gòu)成了教學(xué)過程的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng).[3]對(duì)于情境設(shè)計(jì)，本節(jié)微課通過探究手電筒發(fā)出平行光這一實(shí)驗(yàn)作為情境引入，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并且清楚明確地指向了所要研究的數(shù)學(xué)對(duì)象本質(zhì)，基本達(dá)到情境設(shè)計(jì)的要求.但仍然存在不足，在分析問題、解決問題等教學(xué)過程中，沒有再用到這一情境，由此可見該情境設(shè)計(jì)并未貫穿教學(xué)始終，值得再思考和改進(jìn).

問題驅(qū)動(dòng)式教學(xué)以學(xué)生為中心，以問題為核心，圍繞問題的設(shè)置逐步探索，最終達(dá)成教學(xué)目標(biāo).問題驅(qū)動(dòng)式教學(xué)需要教師有強(qiáng)烈的問題意識(shí)，問題串的設(shè)計(jì)要滿足在學(xué)生思維的最近發(fā)展區(qū)內(nèi)、指向明確、銜接性強(qiáng)三個(gè)原則.微課由于其自身短小精悍的特點(diǎn)，能在短時(shí)間內(nèi)呈現(xiàn)大量問題，如果在微課教學(xué)中仍然采用“滿堂灌”“一言堂”等教學(xué)模式，其效果將會(huì)大打折扣.因此，若能科學(xué)有效地使用“問題驅(qū)動(dòng)”教學(xué)模式，定能達(dá)到事半功倍的效果.