把“啟迪思維”融入教學設計之中

摘 要：科學思維是高中物理核心素養(yǎng)的四個維度之一。本文以“簡諧運動”教學設計為例，思考教師如何通過問題設置、實驗設計等方式把“啟迪思維”融入教學的各個環(huán)節(jié)，以期激發(fā)學生學習興趣、提升學生思維能力。

關鍵詞：簡諧運動；教學設計；科學思維

培養(yǎng)學生的科學思維能力是高中物理教學的重要任務之一^［1］，在教學過程中，教師務必將提升學生的思維能力置于核心地位。以下將以“簡諧運動”這一節(jié)的教學設計為例，探討如何把啟迪思維巧妙地融入高中物理教學實踐中。

1 引導學生對已學過的運動情形進行分類

根據教學進度安排，本節(jié)內容設定在高二上學期的后半學期進行，在此之前，學生已經學習并掌握了相當多與運動相關的知識。教師可以引導學生對運動進行分類（見圖1），一方面帶領學生回顧相關知識，使知識更系統(tǒng)化；另一方面讓學生感受到自己已學過很多知識，掌握了很多內容，從而產生成就感。同時，教師讓學生將知識概念進行歸納總結，從而起到辨析概念規(guī)律、鞏固理解的作用。

2 觀察現象，引出“機械振動”的概念

首先，教師讓學生觀察展示的動畫或視頻，如樹枝在風中搖曳、擺鐘擺錘的左右擺動、工藝品上小人的前后擺動、與水平彈簧相連小球的左右振動，以及掛在彈簧下重錘的上下往復運動。隨后，教師引導學生探索并指出這些物體運動的不同之處。接著，教師巧妙地引導學生轉換視角，分析并尋找這些運動的共同特征，即相同點。

分析：在面對復雜多變的運動時，教師若直接讓學生尋找相同點，可能會使學生感到困惑且難以引發(fā)共鳴。因此，教師可以先引導學生尋找不同點，這一策略有效提升了學生的參與度，并輕松激發(fā)了他們的興趣。當學生紛紛提出各自觀察到的不同點后，教師適時轉折，提問這些運動是否存在某種共性，這一舉措能夠讓學生的思維變得更加活躍，從而激發(fā)他們深入探究的動力。緊接著，通過深入分析與交流，教師可以引出機械振動的概念，并在此基礎上，進一步啟發(fā)學生思考：機械振動其實非常普遍，你身邊一定還有這樣的例子，你能再舉出一些機械振動的實例嗎？這樣的提問方式再次點燃了學生的學習熱情，促使他們的思維更加活躍。

3 提出彈簧振子模型

教師引導學生思考：我們研究問題往往從簡單的開始，在上述展示的幾種情形中，哪種相對更簡單呢？

學生肯定會說，與水平彈簧相連小球的左右振動。教師就此引導學生展開討論，建立理想模型：若彈簧的質量與小球相比可以忽略，運動過程中空氣阻力很小，也可以忽略，這樣的裝置就稱為彈簧振子。

教師啟迪學生的思維：①研究問題的過程總是從簡單到復雜，這是一種很重要的物理思想和研究方法；②彈簧振子是一個理想化的模型，它是研究一般性振動的基礎，而忽略次要因素抓住主要因素，建立理想模型，是一種特別重要的科學思維方法；③通過橫向對比，引導學生回顧學過的理想模型，如質點、點電荷、理想氣體等，深化學生對理想模型的認知。

4 描繪彈簧振子的位移—時間圖像

要研究彈簧振子的運動特點，就要知道它的位置隨時間的變化關系，即要畫出它的位移—時間圖像。畫出圖像的關鍵在于記錄不同時刻小球的位置，教師需要引導學生閱讀2020年高中物理人教版教材選擇性必修第一冊33頁的內容，理解如何利用頻閃照相確定小球在不同時刻的位置，并能據此大概畫出小球的振動圖像。

由于筆者所在的學校沒有頻閃照相裝置，為了能讓學生真正感知這種研究方法，引導學生思考，本文嘗試一種變通做法：在小球上豎直固定一支沾有墨水的毛筆，在小球下方放一張長的白紙板，當小球振動起來后，勻速拖動紙板，類似頻閃照相的原理，在白紙上就得到了小球的振動圖像（見圖2）。

由于本校只有一套該器材，只能讓部分學生輪流操作感受。但為了讓盡可能多的學生有體驗感和獲得感，在沒有彈簧振子的情況下，我們也可以進行“變通”。教師讓兩名學生相互配合（見圖3），一名學生拿筆左右運動，模擬彈簧振子的運動 ，另一名學生拖動下方的白紙板，通過這種方式，同樣也能得到“振動”圖像。在教學過程中，教師要盡可能讓學生感受實驗，沒有條件的盡可能創(chuàng)造條件。若學生親身經歷過，他們對知識的感受和理解會更深刻，同時也會消除對很多事物的神秘感，進而提升學習的融入度。

5 研究圖像的特征，提出簡諧運動的概念

根據獲得的彈簧振子的x-t圖像，教師提出幾個問題：①彈簧振子的x-t圖像是正弦曲線嗎？②如何判斷是不是正弦曲線呢？

分析：圖像似乎是正弦曲線，這是一種科學的猜想。科學猜想是指從觀察和探索的已知條件出發(fā)，根據已有經驗對科學問題進行猜測、假設和推斷，從而得出預測性結論的一種探究的方法和過程?？茖W猜想是一種重要的科學思維方法。在遇到類似問題時，教師要鼓勵學生大膽進行科學猜想，這對提升學生解決問題的能力、提升學生的思維能力都大有裨益。

對于證明振動圖像是否是正弦曲線這一問題，教材上給出了兩種方法，且均是數學方法，這也體現了學以致用、學科融合的思想。

在前面分析的基礎上，教材給出了簡諧運動的概念：如果物體的位移與時間的關系遵從正弦函數的規(guī)律，即它的振動圖像（x-t圖像）是一條正弦曲線，這樣的振動是簡諧運動。

教材中的彈簧振子的振動圖像是正弦曲線，可能會造成學生的思維定式，教師需再啟發(fā)學生思考：是否可能是余弦曲線呢？如果可能，如何做呢？

即使這樣，學生對簡諧運動的概念肯定還沒有理解到位，為此例析如下。

如圖4所示，兩個相同的光滑固定斜面相對靠在一起，一小球從右側斜面上某一位置由靜止釋放，不考慮空氣阻力，請嘗試畫出小球運動過程中相對于斜面底端O點的x-t圖像，該圖像是余弦曲線嗎？

教師引導學生思考，小球下滑、上滑均做勻變速直線運動，根據勻變速直線運動位移公式可知其x-t圖像應該是拋物線的一部分，不可能是余弦曲線。說明小球只是做機械振動而不是做簡諧運動，讓學生真正厘清兩者的關系。

教師幫助學生強化對簡諧運動概念的理解：簡諧運動一定是機械振動，機械振動不一定是簡諧運動；只有x-t圖像為正弦（或余弦）曲線的機械振動才是簡諧運動。機械振動與簡諧運動的關系可類比直線運動與勻速直線運動的關系。

拓展討論：第一，前面我們主要對平放的彈簧振子進行了討論分析，實際上彈簧振子還有其他類型，如圖5所示，請嘗試探究它們的區(qū)別；第二，探討后續(xù)學習過程中可能會遇到的其他的簡諧運動模型。拓展討論的目的主要是讓學生的思維不局限，視野更開闊，并能激發(fā)學生去探究不同簡諧運動模型的相同點和不同點，進而啟發(fā)學生的思維。

6 提出問題，承上啟下

關于彈簧振子，你覺得還有哪些問題需要了解？小球運動過程中速度如何變化？彈簧的彈性勢能如何變化？系統(tǒng)的機械能如何變化？小球的受力情況如何？小球的加速度如何變化？教師提出以上問題，目的是激發(fā)學生的求知欲和探究精神，也為后續(xù)學習打下基礎。

7 前后呼應，豐富分類圖

經過上述環(huán)節(jié)，教師可以帶領學生豐富運動分類圖（見圖6）。

在教學的各個環(huán)節(jié)，教師要將“啟迪思維”放在首位，同時也要將啟迪思維的想法和意圖傳遞給學生。有的設計或安排，當你說出意圖之后，學生會恍然大悟，既會感嘆教師的設計之妙，也會有不斷學習、不斷提升自己思維能力的內在需要。

教師在教學過程中，必須摒棄傳統(tǒng)的“授之以魚”式的填鴨教育，轉而采取“授之以漁”的教學策略，鼓勵學生自主探究，以此激發(fā)學生的思維活力，確保每名學生都能得到更全面的發(fā)展。這就要求教師必須致力于培養(yǎng)學生自主學習的能力，傳授他們掌握知識的科學方法，進而提升學生的終身學習能力。^［2］因此，從這一層面而言，掌握科學的思維方式相較于單純的知識積累，顯得更為重要。

參考文獻

［1］謝祥金.探索培養(yǎng)學生思維認知能力群的中學物理實驗教學設計［J］. 物理教學，2022，44（10）：23-26．

［2］陳運保，劉青.指向科學思維的高中物理教學設計——以“曲線運動”為例［J］. 物理教師，2020，41（8）：25-29．