“簡諧運動”的問題探究式教學設計

1 設計思想

《普通高中物理課程標準》在課程目標中強調，要讓學生“通過物理概念和規律的學習過程，了解物理學的研究方法，認識物理實驗、物理模型和數學工具在物理學發展過程中的作用”等。然而從新課程的視角來審視目前物理概念和規律的教學我們不難發現存在諸多不足。其中，忽視概念的構建過程，忽視學生歸納分析能力的培養是比較突出的問題。《普通高中物理課程標準》同時又指出：“教師教學中充分調動學生的學習積極性，讓學生感到學習物理不僅僅是解題、記憶，而是對大自然規律的探索。”因此，讓物理課堂教學體現物理學科的特點，既是物理新課程的呼喚，也是物理教師反思和實踐的一個重要問題。本人以“簡諧運動”一節為例，采用問題探究式的教學模式，力求體現新課程的教學理念。

2 教學過程

2.1 建立物理模型

先給出如下系列實驗：

實驗1：鋼片的上下振動；實驗2：豎直方向的彈簧掛一重球并使其上下振動；實驗3：單擺；實驗4：放在氣墊導軌上的滑片在左右兩根彈簧的作用下振動。

提問：上述實驗現象有何共同特點？

引導學生得出一是往復運動，二是有一個平衡位置，給出機械振動概念。

學生舉例在自然界中還哪些現象是振動？

再進一步引導學生思考：上述實驗現象中，你認為哪一個最簡單？為什么？

學生討論、分析（此過程中，學生會從動力學、能量等不同角度分析上述實驗現象，最終認為實驗4是最簡單的）

然后再追問：還有比實驗4更簡單的嗎？它忽略了哪些因素？引導學生自己建立水平方向彈簧振子的這一理想化模型（如圖1所示）。

2.2 構建物理概念

提問：水平方向的彈簧振子在永不停息地運動著，我們該如何研究它的運動規律？

學生：彈簧振子的運動具有周期性，我們可以取它的一個周期進行研究。

在肯定學生取一個周期進行研究的同時進一步提問：但這一個周期內的運動也挺復雜的，我們還能否再繼續對它進行分段研究？

讓學生掌握對周期性運動的分析方法后，引導學生分析A→O、O→A′、A′→O、O→A各段的運動性質分別是加速度變小的加速運動、加速度變大的減速運動、加速度變小的加速運動、加速度變大的減速運動。

提出：對運動性質的描述除了速度、加速度，還涉及位移用來描述位置的變化，那么在這個運動中，如果我們用初位置到末位置的有向線段來表示位置的變化，你覺得它能確定物理在某一時刻的位置嗎？

學生討論后會提出如果初位置沒有固定的話，上述的表示方法是無法物體在某一時刻位置的。于是追問：如果初位置固定，哪可以確定某一時刻的位置嗎？如果能，以哪個位置作為固定的初始位置比較好呢？由此得到在振動中所說的位移，都是指偏離平衡位置的位移。是指在某一時刻的位置。

討論：位移、速度和加速度都是矢量，除了大小還有方向，那么在水平方向的彈簧振子中，振子做直線運動，我們用什么方法來比較簡單的表示方向的變化？

引導學生可用正負號表示直線運動中方向后，提出如果我們規定向右為正方向，請學生分析下表中前三個物理量（位移x、速度v、加速度a）的變化。

提問：振子為什么做周期性的往復運動？

學生討論分析后得到是因為在這個運動中，彈簧的彈力方向始終指向平衡位置O。給出回復力的概念。強調回復力是按力的作用效果命名的。

學生分析上表中回復力F的變化。

2.3 探究物理規律

提問：前面我們已經分析了水平方向彈簧振子的運動性質及其為何會這樣運動，現在請同學思考，在上述描述運動性質的三個物理量位移、速度、加速度中，選擇哪個物理量與描述運動原因的物理量回復力之間的關系來表示這個運動的規律比較合適？

學生討論：

F與a：方向始終相同，大小同增同減。（只有共性，F=ma）

F與v：方向時同時反，大小此增彼減。（關系復雜，無法用簡單的數學公式表示）

F與x：方向始終相反，大小同增同減。（關系獨具個性，F= -kx，k為常數）

由此得到這里F與x的關系能夠表示彈簧振子獨特的運動規律。

從而得到簡諧運動的定義：物體在跟偏離平衡位置的位移大小成正比，并且總指向平衡位置的回復力的作用下的振動。

2.4 應用物理規律

分析前面系列四個實驗是否屬于簡諧運動？

3 教學體會

在問題探究式的教學模式中，以問題鏈作為教學過程的紐帶，其關鍵在于提出的問題是否緊扣教學主題，能否引發學生的認知沖突，所提的問題是否在學生的“最近發展區”。因此，教師要精心設計好問題，讓學生在課堂上處于最大限度的主動激活狀態，引導他們自主構建物理概念，探究物理規律，使他們參與體驗知識的獲得過程。充分體現了教師的主導地位和學生的主體地位，實踐證明這是一種值得推廣的教學法。