基于學習進階的高中物理模型教學

摘 要：進階式教學是一種在學生現(xiàn)有知識水平的基礎(chǔ)上，通過設(shè)計逐步升級的實踐活動，引導(dǎo)學生循序漸進地學習，從而有效提升學生能力的教學方法。本文以“簡諧運動”的教學為例，探尋進階式模型教學在高中物理教學中的一般模式。

關(guān)鍵詞：學習進階；模型教學；簡諧運動

1 引言

模型建構(gòu)是高中物理學習中的一種重要科學實踐和思維方法。理解和掌握物理概念與原理往往可以通過物理模型的建構(gòu)來實現(xiàn)，而這一過程需要循序漸進，不能一蹴而就。在物理教學中，教師應(yīng)用學習進階的理念，引導(dǎo)學生從已有的知識和經(jīng)驗出發(fā)將實際問題抽象為物理模型。［1］這不僅可以幫助學生深入理解物理知識，還能有效培養(yǎng)學生的物理核心素養(yǎng)。本文以人教版普通高中物理選擇性必修第一冊第二章第1節(jié)“簡諧運動”的教學為例［2］，嘗試指導(dǎo)學生建立簡諧運動的過程模型，并探討模型教學的一般模式。［3］

2 進階微課使預(yù)習效果最大化

2.1 進階微課1“機械振動”

在講解新課內(nèi)容之前，教師可以通過班級學習群，向?qū)W生發(fā)布有關(guān)機械振動和基本運動模型的資料。學生可以通過觀看視頻，預(yù)先了解機械振動在現(xiàn)實世界中是普遍存在的，例如地震、樹葉在風中的擺動、小船在水面上的晃動、鐘擺等現(xiàn)象，進而感知機械振動的特征等。

2.2 進階微課2“彈簧振子”

通過觀看Flash動畫，學生可以初步了解彈簧振子模型，包括水平方向和豎直方向的彈簧振子，并認識模型中的主要和次要因素。學生還能初步觀察到振子的運動與勻變速直線運動之間的差異。通過自主學習和學習小組的網(wǎng)絡(luò)交流，學生能夠建立起對物理情境的感知，并對物理概念形成初步的理解。

設(shè)計思路：在傳統(tǒng)課堂中，預(yù)習材料通常來源于教材和教輔資料。這些材料往往缺乏直觀性，導(dǎo)致學生對物理現(xiàn)象的真實情境缺乏足夠的感知。利用現(xiàn)代教學技術(shù)，教師可以提前讓學生通過視頻和動畫體驗機械振動在日常生活方方面面的具體情景。這樣的教學方法能夠有效激發(fā)學生的學習興趣。

3 進階式探究機械振動的特點

3.1 利用實驗、多媒體技術(shù)創(chuàng)設(shè)情景，導(dǎo)入新課

首先，教師展示預(yù)先準備好的“魚洗”實驗器材，并通過師生互動，指導(dǎo)學生用濕潤的手掌摩擦魚洗的把手。學生觀察到水面上水珠的跳動，了解這是共振現(xiàn)象的體現(xiàn)。其次，教師敲擊音叉，讓學生直觀感受振動的存在。再次，教師撥動固定在講臺上的直尺，讓學生觀察直尺來回振動。最后，教師引導(dǎo)學生進行分組實驗，使用直尺在桌邊振動，讓學生親自體驗振動的感覺。

分組實驗：請同學們輕輕發(fā)聲，將手掌放在喉結(jié)附近，感受聲帶的振動。

師生討論：課件展示大量振動的gif格式的圖片，引出話題“振動無處不在，同學們能否找出它們共同的特征？”引導(dǎo)學生歸納總結(jié)，上述運動中物體總是在某一位置的附近做往復(fù)運動，從而引出機械振動和平衡位置的概念。

設(shè)計意圖：從視覺、聽覺、觸覺等多角度進行教師演示實驗、學生分組實驗，讓學生充分感知振動的特征。這種多角度的體驗將物理概念的建構(gòu)過程置于直觀和形象的層面上，從而降低了學生在理解過程中的思維難度，使得概念教學更加自然和流暢。

3.2 進階式建構(gòu)彈簧振子模型

思考與討論：如何研究復(fù)雜的機械振動？

在物理研究中，進階式模型建構(gòu)強調(diào)采用遞進的方法，即從易到難、由簡入繁，抓住問題的主要矛盾而忽略次要矛盾，從而建構(gòu)出理想化模型。

3.2.1 演示一

實驗1：在鐵架臺上豎直懸掛一個彈簧，其下端連接一個乒乓球。用手將乒乓球拉至一定位置后釋放，乒乓球上下晃動但很快停止運動。

實驗2：在鐵架臺上豎直懸掛一個彈簧，彈簧的下端連接一個質(zhì)量較大的鐵球。靜止釋放鐵球后，鐵球在平衡位置附近進行幅度相等的往復(fù)運動。

實驗3：將鐵球懸掛在細棉線下端，從最低點橫向拉至一定的角度由靜止釋放后，鐵球在平衡位置附近進行幅度相等的往復(fù)運動。

實驗4：在水平光滑直桿上安裝定滑輪，定滑輪的下端連接一個鐵球，鐵球的兩端由兩根彈簧固定。將鐵球拉至一定位置后釋放，鐵球在平衡位置附近進行幅度相等的往復(fù)運動。

教師提問：這些物體的運動各不相同。運動軌跡有直線的、曲線的；運動方向有水平的、豎直的；物體各部分運動有相同的、不相同的。這些物體的運動有什么共同的特征？這幾個振動，哪一個運動形式最簡單、最便于研究？簡要闡述你的理由。

學生回答：在實驗1中，由于乒乓球質(zhì)量相對于彈簧質(zhì)量而言較輕，乒乓球會迅速停止運動，這不利于進行振動研究。實驗3中的鐵球運動軌跡為曲線，而非直線，這增加了研究的復(fù)雜性。相比之下，實驗2和實驗4中鐵球的運動軌跡為直線，這使得研究更為方便。特別是在實驗4中，鐵球受到的重力和水平光滑直桿產(chǎn)生的支持力二力平衡，因此鐵球所受的合力主要來源于彈簧的作用力；這種力的作用較為簡單，便于揭示力和運動之間的規(guī)律。

教師歸納：在實際的運動過程中，小球和彈簧的質(zhì)量都不能忽略，受到的阻力雖然很小，但仍然是存在的。在研究復(fù)雜的物理問題時，我們需要抓住問題的主要因素而忽略次要因素，從而建構(gòu)出理想化模型。在這一類運動中，我們可以忽略彈簧的質(zhì)量和一切阻力，在此條件下，小球和彈簧組成的這個系統(tǒng)，就稱為彈簧振子。

3.2.2 演示二

實驗：氣墊導(dǎo)軌上的彈簧振子模型。

思考與討論：如何描述彈簧振子的運動？對于彈簧振子的運動，怎樣定義“位移”對研究問題更方便？教師通過平板終端，采集同學們的猜想，如可以從位移、時間、速度、加速度等角度，更科學、方便地描述相對平衡位置的位移。

動畫演示：彈簧振子的位移定義是以平衡位置為起點的，強調(diào)彈簧振子的運動具有對稱性。

設(shè)計意圖：在建立模型的過程中，學生需要學會抓住問題的關(guān)鍵，即抓住問題的主要矛盾而忽略次要矛盾。通過云數(shù)據(jù)采集，學生可以將思維建立在直觀的一手信息之上。這樣的方法能夠有效拓寬學生的思路，鼓勵學生大膽提出猜想。隨后，通過實物演示和對比，教師引導(dǎo)學生逐步進行抽象思考，概括出物理模型，從而培養(yǎng)學生的模型建構(gòu)能力。

3.3 進階式探究彈簧振子的位移與時間關(guān)系

思考與討論：如何更加直觀地反映位移隨時間變化的規(guī)律？

學生閱讀教材，分組討論得出方法：照片平鋪法、描圖記錄法。

3.3.1 演示三

實驗1：照片平鋪法。將頻閃照片等間距地排列在一起，得出不同時刻彈簧振子的位置。

實驗2：自制描圖記錄儀。將水平紙平鋪在塑料板上，水平勻速拉動塑料板，鐵球上的毛筆在水寫紙上留下痕跡，從而間接地反映鐵球的位移隨時間的變化規(guī)律。描圖記錄儀及留下的水跡如圖1所示。

分組實驗：利用彈簧振子圖像描繪器進行數(shù)據(jù)的采集。彈簧振子圖像描繪器和充氣泵如圖2所示。

獲取證據(jù)：學生協(xié)同合作，操作儀器，獲得紙帶。學生實驗獲得的紙帶如圖3所示。

猜想與假設(shè)：彈簧振子的位移與時間的關(guān)系與正弦或余弦函數(shù)關(guān)系相似。

3.3.2 實驗論證

學生活動1：用直尺畫出分別經(jīng)過最高點和最低點的兩條直線，找出兩條直線的中位線并畫出中位線，確定與曲線的交點。建立橫、縱坐標軸，以一個周期內(nèi)的點為研究對象，找出半個周期、四分之一個周期、六分之一個周期、八分之一個周期各點的縱坐標。如果這些點的縱坐標與對應(yīng)正弦函數(shù)的值接近，那么可以近似認為這條曲線是一條正弦曲線。

學生活動2：通過頻閃照相技術(shù)獲取的照片用于測量數(shù)據(jù)，彈簧振子在前半個周期和后半個周期不同時刻的位置分別記錄在表1和表2中。學生根據(jù)這些數(shù)據(jù)在坐標紙上進行描點作圖，課堂中學生的作圖成果如圖4所示。

實驗3：圖像擬合。利用位移傳感器獲取的彈簧振子位移與時間的關(guān)系圖像如圖5所示。在傳感器界面上進行圖像分析時，教師應(yīng)用了正弦擬合公式y(tǒng)＝asin（ωt＋φ）＋b。經(jīng)過擬合后的圖像與實驗直接采集的圖像高度一致，幾乎完全重合，如圖6所示。這一結(jié)果說明，簡諧運動中位移與時間的關(guān)系呈現(xiàn)正弦函數(shù)的典型特征。

歸納總結(jié)：彈簧振子的運動位移隨時間的變化滿足正弦或余弦函數(shù)關(guān)系。

設(shè)計意圖：在教學中，教師首先通過演示實驗，使用不同的方法來獲取簡諧運動的位移—時間圖像。教師隨后引導(dǎo)學生進行分組實驗，讓學生搜集證據(jù)、提出猜想、作出判斷，并讓學生通過實驗來驗證猜想。這種層層遞進的教學方法貼合學生的認知規(guī)律。在分析數(shù)據(jù)并運用圖表法和圖像法描述運動的過程中，學生不僅提高了數(shù)據(jù)處理能力，還深刻領(lǐng)略到了數(shù)學與物理結(jié)合的魅力。同時，這個過程也為學生科學探究能力的培養(yǎng)奠定了堅實基礎(chǔ)。

3.4 建構(gòu)模型，總結(jié)規(guī)律，形成概念

思考與討論：由上述分析可得彈簧振子的位移—時間圖像是一條正弦曲線，類似的運動被稱為“簡諧運動”。

多媒體動畫：師生共同討論，簡諧運動的圖像不是運動軌跡。

設(shè)計思路：與實物模型相比，過程模型在建構(gòu)過程中更難以掌握，這主要是因為學生需要通過多角度的深入探究來全面理解過程模型。利用多媒體技術(shù)，學生可以直觀地感受到圖像和軌跡之間的差異。這有助于加深學生對過程模型的認識。此外，通過在教學中列舉生活中的實例，不僅可以引導(dǎo)學生形成正確的價值觀，還能培養(yǎng)學生的科學態(tài)度和責任感。

4 進階式訓練實現(xiàn)知識的鞏固與深化

4.1 進階式訓練一（針對基礎(chǔ)薄弱的學生）

（1）質(zhì)點離平衡位置的最大距離為多少？

（2）在1.5s和2.5s兩個時刻，質(zhì)點向哪個方向運動？

（3）質(zhì)點在第2s末的位移是多少？

4.2 進階式訓練二（針對基礎(chǔ)較好的學生）

例2 某彈簧振子的振動圖像如圖8所示。根據(jù)圖像判斷并回答下列問題。

（1）哪段時間內(nèi)彈簧振子相對于平衡位置的位移與速度方向相反？

（2）哪段時間內(nèi)彈簧振子相對于平衡位置的位移不同，但瞬時速度方向相同？

（3）哪段時間內(nèi)彈簧振子相對于平衡位置的位移方向相同，瞬時速度方向相反？

設(shè)計思路：利用智慧教學平臺，教師可以直接將習題發(fā)送給每位同學。學生在班級的平板終端上直接答題，并通過拍照上傳答案。云數(shù)據(jù)系統(tǒng)會根據(jù)不同答案對學生進行分類。對于掌握不牢固的學生，教師會推送相關(guān)的講解視頻，幫助他們理解；而對于基礎(chǔ)較好的學生，教師會推送相似難度的題目，以進一步挑戰(zhàn)他們的能力。這樣的分層布置作業(yè)方式，能夠確保每位學生都能獲得與自身的水平相適應(yīng)的練習，從而達到個性化學習的目的。

5 結(jié)語

高中物理模型教學形式多樣，教師需根據(jù)不同課型的特點，高效運用現(xiàn)代教育技術(shù)，以進階式科學探究的方法揭示物理規(guī)律，建構(gòu)物理模型。這樣不僅能夠打造出更加智慧和智能的課堂，提高學生的學習興趣，還能促使學生更早地適應(yīng)現(xiàn)代科技社會，培養(yǎng)學生終身學習的能力。教師應(yīng)積極開發(fā)多樣化的教學資源，豐富智慧課堂的內(nèi)容，并將這些資源進行分類、去偽存真地篩選，以開闊學生的視野，激發(fā)學生學習的內(nèi)在動力。同時，教師應(yīng)根據(jù)學生的認知基礎(chǔ)，有計劃地進行進階式教學，從而提升教學效果和教學質(zhì)量。

參考文獻

［1］中華人民共和國教育部. 普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）［M］. 北京：人民教育出版社，2020：46-48．

［2］人民教育出版社 課程教材研究所 物理課程教材研究開發(fā)中心. 普通高中教科書 物理 選擇性必修 第一冊［M］. 北京：人民教育出版社，2020：31-34．

［3］季啟紅. 基于核心素養(yǎng)的教學設(shè)計——簡諧運動［J］. 中學物理，2019，37（11）：57-58．