指向素養(yǎng)發(fā)展的物理課堂重構(gòu)

收稿日期：２０２３－１１－２４

基金項(xiàng)目：江蘇省十四·五規(guī)劃課題“促進(jìn)深度學(xué)習(xí)發(fā)生的物理實(shí)驗(yàn)５Ｅ教學(xué)模式研究”（Ｂ／２０２１／０２／４５）；江蘇省前瞻性教學(xué)改革實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目“啟智街道·物理實(shí)驗(yàn)育人探索３０年”（２０２３ＪＳＱＺ０１６０）。

作者簡(jiǎn)介：李桂旺（１９７４－），男，正高級(jí)教師，江蘇省特級(jí)教師，主要從事物理教學(xué)研究和物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新研究。

摘 要：高中物理新課程標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)定位是培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)，將“科學(xué)思維”聚焦于物理學(xué)科素養(yǎng)開(kāi)展教育是教育教學(xué)的重要目標(biāo)。從人教版新舊教材中“簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)”的比較研究中嘗試二次開(kāi)發(fā)整合，體現(xiàn)新教材改革的價(jià)值和意義。形成培養(yǎng)“科學(xué)思維”的策略，凸顯科學(xué)思維培養(yǎng)的內(nèi)涵，培養(yǎng)學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng)；科學(xué)思維；真實(shí)情境

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A " " 文章編號(hào)：1003-6148（2024）4-0034-5

培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)，課程標(biāo)準(zhǔn)是依據(jù)，教材是載體，課堂教學(xué)是手段。教學(xué)設(shè)計(jì)是課堂教學(xué)的核心所在，在教學(xué)實(shí)施過(guò)程中應(yīng)突出培養(yǎng)科學(xué)思維的過(guò)程，包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證和質(zhì)疑創(chuàng)新。

“簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)”既是機(jī)械運(yùn)動(dòng)中相對(duì)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)形式，也是電磁振蕩、電磁波及物理光學(xué)的知識(shí)基礎(chǔ)。簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)規(guī)律的探究對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力具有非常積極的意義。

１" " 兩版教材“簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)”的比較分析

“簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)”在人教版舊教材中設(shè)置在“選修３－４”，在人教版新教材中設(shè)置在“選擇性必修一”。如果缺少這部分課程的學(xué)習(xí)，將影響交流電（正弦式）、電磁波（波長(zhǎng)、波速及頻率關(guān)系）、物理光學(xué)（波動(dòng)性）及近代物理（波粒二象性）部分知識(shí)的學(xué)習(xí)與理解。新舊教材“簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)”教材內(nèi)容、課后任務(wù)的比較如表1、表2所示。

２" " 基于科學(xué)思維培養(yǎng)的重構(gòu)

課堂教學(xué)設(shè)計(jì)源于教材而不拘泥于教材，結(jié)合時(shí)代特征、區(qū)域特征和學(xué)生素養(yǎng)水平特征以及教材本身的特點(diǎn)對(duì)教材資源進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。尤其是新一輪課改的跨界時(shí)期，新舊教材共存的時(shí)代，新課程的實(shí)施可以整合新舊教材的資源，一切以培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)為目標(biāo)，提高課堂效率的同時(shí)，激發(fā)學(xué)生深度學(xué)習(xí)，發(fā)展高階思維能力。

２．１" " 基于大單元知識(shí)的課堂導(dǎo)入

“簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)”是力學(xué)中相對(duì)比較復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)形式，也是比較基本的運(yùn)動(dòng)形式。復(fù)習(xí)已學(xué)的幾種基本運(yùn)動(dòng)，回顧其基本概念及規(guī)律特點(diǎn)，激發(fā)學(xué)生思考，形成知識(shí)遷移，有利于新知識(shí)的形成。另一方面，可以體現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)規(guī)律對(duì)研究曲線運(yùn)動(dòng)的積極意義，并在歸納整理時(shí)前后呼應(yīng)，使知識(shí)系統(tǒng)化，有利于“大單元”設(shè)計(jì)。

【教學(xué)片段１】

教師：（激發(fā)學(xué)生回顧舊知識(shí)）同學(xué)們，我們已經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)哪幾種運(yùn)動(dòng)形式？

學(xué)生：（交流討論并回答）勻速直線運(yùn)動(dòng)，勻變速直線運(yùn)動(dòng)，平拋運(yùn)動(dòng)，勻速圓周運(yùn)動(dòng)。

教師：（反饋并激發(fā)思考）除了這些常見(jiàn)的運(yùn)動(dòng)形式外，還有其他有特點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)嗎？

２．２" " 基于真實(shí)情境的問(wèn)題產(chǎn)生

物理源于生活，物理概念及規(guī)律源于實(shí)踐（真實(shí)性）。物理教學(xué)中利用生活中的真實(shí)問(wèn)題情境可以促進(jìn)教學(xué)方式和學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，充分發(fā)揮物理學(xué)科獨(dú)特的育人功能。在教學(xué)設(shè)計(jì)中通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)或視頻（必須是真實(shí)場(chǎng)景）創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，以引導(dǎo)學(xué)生分析歸納，培養(yǎng)問(wèn)題意識(shí)，激發(fā)學(xué)生了解問(wèn)題的欲望和興趣，促使他們思維的積極活動(dòng)，或借此陶冶性情。

【教學(xué)片段2】

教師：（視頻展示）播放“２０１８年印尼地震產(chǎn)生的‘晃塔’”監(jiān)控視頻（圖1）。注意“塔頂”運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，是不是前面所回顧的運(yùn)動(dòng)形式？

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圖1" 視頻截圖

學(xué)生：觀看視頻并討論。

教師：（演示實(shí)驗(yàn)）鐘擺、播放音樂(lè)時(shí)的音響鼓膜、氣墊導(dǎo)軌上的滑塊、一段固定的振動(dòng)鋼鋸條，讓學(xué)生歸納這些運(yùn)動(dòng)的共同特點(diǎn)。

２．３" " 基于科學(xué)模型的概念構(gòu)建

基于真實(shí)情境（圖2），依據(jù)生活體驗(yàn)形成心智模型。心智模型是外部世界在個(gè)體頭腦的內(nèi)部表征，能夠在學(xué)習(xí)過(guò)程中理解事物和現(xiàn)象。它是一種思維定式，是指我們認(rèn)識(shí)事物的方法和習(xí)慣。當(dāng)我們的心智模式與認(rèn)知事物發(fā)展的情況相符，能有效指導(dǎo)行動(dòng)；反之，當(dāng)我們的心智模式與認(rèn)知事物發(fā)展的情況不相符，就會(huì)使自己好的構(gòu)想無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

【教學(xué)片段3】

學(xué)生甲：物體在重復(fù)晃動(dòng)。

學(xué)生乙：物體在往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

學(xué)生丙：物體的一部分在往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

學(xué)生丁：物體都在振動(dòng)。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)及視頻創(chuàng)設(shè)情境，結(jié)合初中所學(xué)習(xí)的“振動(dòng)”和原有認(rèn)知分析情境，了解生活中“振動(dòng)”的基本特點(diǎn)（重復(fù)性）。心智模型的建立源于前概念和前經(jīng)驗(yàn)，缺少交流解釋與驗(yàn)證。在教師的引導(dǎo)下進(jìn)行科學(xué)歸納與論證，有利于構(gòu)建科學(xué)模型。

教師：足球運(yùn)動(dòng)員２５米的往返跑是不是屬于“振動(dòng)”？（往復(fù)運(yùn)動(dòng)未必一定是振動(dòng)）

學(xué)生：不是，振動(dòng)是物體在原來(lái)靜止的位置附近的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

教師：這里的“原來(lái)靜止的位置”是“合力為０的位置”，即“平衡位置”。

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圖2" 實(shí)驗(yàn)情境

２．４" " 基于思維培養(yǎng)的探究驗(yàn)證

教育的目的不僅是知識(shí)，甚至可能都不是為了知識(shí)。著名的美國(guó)心理學(xué)家伯爾赫斯·弗雷德里克·斯金納說(shuō)過(guò)，“當(dāng)所學(xué)的東西都忘掉之后，剩下的就是教育”。其實(shí)，剩下的知識(shí)或者說(shuō)非常實(shí)用的知識(shí)非常少，更多的是思維的培養(yǎng)與積累。所謂思維即所有的認(rèn)識(shí)和智力活動(dòng)，是事物的間接反映，是指它通過(guò)其他媒介作用及借助于已有的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)認(rèn)識(shí)客觀事物，是認(rèn)識(shí)過(guò)程的高級(jí)階段，科學(xué)的教育過(guò)程更是如此。

【教學(xué)片段4】

（１）建立模型

教師：鑒于前述的幾個(gè)實(shí)例，我們發(fā)現(xiàn)了它們的共同特征。但在實(shí)際條件下，希望模型更簡(jiǎn)單，從而建立“只受一個(gè)力，且這個(gè)力的大小與位移成正比”的理想化模型——彈簧振子（圖3）。

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圖3" 彈簧振子

教師：彈簧振子真實(shí)存在嗎？

學(xué)生：不存在，這是個(gè)理想化模型，與前面所學(xué)的“質(zhì)點(diǎn)”等概念類似。

教師：由于這個(gè)運(yùn)動(dòng)具有很重要的特點(diǎn)——重復(fù)性與對(duì)稱性。在物理上描述振動(dòng)的位移時(shí)，取“平衡位置”為位移起點(diǎn)。

（２）發(fā)現(xiàn)問(wèn)題

教師：前面我們觀察了幾個(gè)“機(jī)械振動(dòng)”，生活中我們也會(huì)碰到“機(jī)械振動(dòng)”。一般的振動(dòng)都非常復(fù)雜，但“彈簧振子”的運(yùn)動(dòng)相對(duì)簡(jiǎn)單，它有怎樣的運(yùn)動(dòng)規(guī)律呢？

學(xué)生回憶勻速直線運(yùn)動(dòng)與自由落體運(yùn)動(dòng)的研究過(guò)程。

教師：我們研究運(yùn)動(dòng)，需要了解物體位置隨時(shí)間的變化規(guī)律，如何記錄物體的位置？

學(xué)生：打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、頻閃照相等。

教師：我們一起回憶勻加速直線運(yùn)動(dòng)（自由落體運(yùn)動(dòng)）規(guī)律的研究過(guò)程（圖4）。

旁白：這個(gè)過(guò)程是幫助學(xué)生理解依托頻閃照片研究物體位置與時(shí)間關(guān)系這個(gè)規(guī)律的原理，是一個(gè)科學(xué)思維的過(guò)程。同時(shí)，也是由舊知識(shí)向新知識(shí)遷移的過(guò)程，使得復(fù)雜的知識(shí)理解形象化、直觀化。

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圖4" 勻加速直線運(yùn)動(dòng)頻閃照片

（３）梳理方案

教師：我們從“頻閃”的思路著手，如何操作研究呢？

學(xué)生甲：利用手機(jī)頻閃功能。

學(xué)生乙：利用電腦追蹤軟件。

學(xué)生丙：利用追蹤ＡＰＰ。

……

教師：分析討論各種方案的特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn)，選擇合適的方案。

（４）實(shí)驗(yàn)探究

經(jīng)過(guò)課前的預(yù)研究，可以確定手機(jī)頻閃與電腦Tｒａｃｋｅｒ軟件追蹤的方案。

將氣墊導(dǎo)軌調(diào)節(jié)水平，讓滑塊在兩個(gè)水平彈簧作用下振動(dòng)，滑塊上固定標(biāo)志物（用透明桿支撐紅色小球）。

在滑塊振動(dòng)過(guò)程中，將手機(jī)用支架固定后，采用手機(jī)自帶的連拍功能（頻閃），拍攝２～３個(gè)周期。

教師：將照片導(dǎo)入到電腦中，在ＰＰＴ中采用疊加的方式，將照片按時(shí)間的順序錯(cuò)位疊放，如圖5所示。

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圖5" 照片疊放

（５）理論驗(yàn)證

教師：大家看到標(biāo)志物的分布像什么規(guī)律？

學(xué)生：正弦規(guī)律。

教師：如何驗(yàn)證？

學(xué)生：由圖像特殊點(diǎn)（峰值和原點(diǎn)）大致寫(xiě)出函數(shù)，通過(guò)測(cè)量觀察其他點(diǎn)（Ｍ，Ｎ，Ｐ）的坐標(biāo)是不是與這個(gè)函數(shù)相符合（記錄并測(cè)量計(jì)算如表3所示）。學(xué)生驗(yàn)證……

表3" 實(shí)驗(yàn)記錄

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教師：通過(guò)大家的測(cè)量發(fā)現(xiàn)其他點(diǎn)也符合函數(shù)規(guī)律，說(shuō)明振動(dòng)的位移與時(shí)間確實(shí)是按正弦規(guī)律分布的。

（６）探究驗(yàn)證

教師：以上方案最主要的不足之處有什么？

學(xué)生：測(cè)量數(shù)據(jù)少，而且似乎后來(lái)的數(shù)據(jù)差距更大。

教師：知道為什么后來(lái)的測(cè)量差距更大嗎？

學(xué)生：是因?yàn)檎駝?dòng)的周期與頻閃的周期不是整數(shù)位關(guān)系，因此峰值位置的確定誤差較大。

教師：因此，老師有必要給大家?guī)?lái)一種更精確的方法——它可以測(cè)量并記錄更多時(shí)刻的位置與時(shí)間。我們用到一個(gè)視頻追蹤軟件——Tｒａｃｋｅｒ。

教師：介紹軟件的工作流程與原理——先將振動(dòng)對(duì)象的運(yùn)動(dòng)過(guò)程通過(guò)慢錄的方式拍攝成小視頻。該軟件能夠追蹤視頻中的運(yùn)動(dòng)對(duì)象，并能夠記錄每一幀的時(shí)間與位置（橫坐標(biāo)與縱坐標(biāo)），且可以自動(dòng)生成橫坐標(biāo)（ｘ）和縱坐標(biāo)（ｙ）與時(shí)間（ｔ）的圖像。

由于這個(gè)軟件流行時(shí)間還不長(zhǎng)，學(xué)生不太了解，都很驚訝、好奇。

教師與學(xué)生相互配合演示實(shí)驗(yàn)，得到ｘ－ｔ圖像。實(shí)驗(yàn)中滑塊在水平面上運(yùn)動(dòng)，因此基本上沒(méi)有ｙ方向的記錄。

教師：與軟件擬合出的正弦函數(shù)基本吻合，所以更加堅(jiān)信“彈簧振子”運(yùn)動(dòng)的位移與時(shí)間是按正弦規(guī)律變化的。

（７）概念形成

通過(guò)實(shí)驗(yàn)多方案探究，發(fā)現(xiàn)彈簧振子運(yùn)動(dòng)過(guò)程中存在特殊的規(guī)律，因此物理學(xué)中將滿足這種規(guī)律的運(yùn)動(dòng)給一個(gè)特別的名稱——簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)。

簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)：質(zhì)點(diǎn)位移與時(shí)間的關(guān)系遵從正弦函數(shù)的規(guī)律，即ｘ－ｔ圖像是一條正弦曲線，這樣的振動(dòng)叫作簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)。

探究驗(yàn)證過(guò)程是這節(jié)課的重點(diǎn)，而位移的“表述”是難點(diǎn)。通過(guò)前知識(shí)的遷移，培養(yǎng)學(xué)生由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的思維方法與習(xí)慣。通過(guò)“頻閃”的方法讓學(xué)生在“自由落體運(yùn)動(dòng)”的基礎(chǔ)上逐步理解探究的原理。另一方面，通過(guò)頻閃方法的誤差分析，培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維能力，從而追求更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奶骄糠桨浮猅ｒａｃｋｅｒ追蹤方案。同時(shí)，頻閃也是追蹤的原理基礎(chǔ)，層層遞進(jìn)，殊途同歸。

２．５" " 基于真實(shí)情境的應(yīng)用分析

學(xué)習(xí)的“知識(shí)”尤如消防栓，消防栓是有其實(shí)實(shí)在在的價(jià)值，但很多情況下，消防栓不僅僅具有消防功能，比如公共場(chǎng)所的消防栓常有為花草樹(shù)木澆水的功能，甚至緊急情況下為居民提供生活用水。所學(xué)的知識(shí)要能夠融會(huì)貫通，思維上可以變通。

我們一般都是從直線運(yùn)動(dòng)的角度研究運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。拋體運(yùn)動(dòng)（平拋與斜拋）是從運(yùn)動(dòng)分解的角度利用“化曲為直”的思想去表述和分析。圓周運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究我們更多地是關(guān)注動(dòng)力學(xué)的角度（向心力的問(wèn)題），而運(yùn)動(dòng)學(xué)角度的研究?jī)H限于“勻速圓周運(yùn)動(dòng)”，只是從周期性的角度去分析。實(shí)際上，圓周運(yùn)動(dòng)也可以從直線運(yùn)動(dòng)的角度去理解，這就是兩個(gè)振動(dòng)的合成。受能力要求的限制，可以從直觀感性的角度讓學(xué)生了解，另一方面依然是體現(xiàn)“化曲為直”和“化繁為簡(jiǎn)”的思想。

通過(guò)動(dòng)畫(huà)的形式讓學(xué)生了解“熱機(jī)”工作的運(yùn)動(dòng)學(xué)原理（圖6）：曲軸的圓周運(yùn)動(dòng)與活塞的振動(dòng)的牽連關(guān)系，從而讓學(xué)生理解圓周運(yùn)動(dòng)兩個(gè)相互垂直方向的（投影）分運(yùn)動(dòng)就是機(jī)械振動(dòng)。

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圖6" “熱機(jī)”工作運(yùn)動(dòng)學(xué)原理

簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的基本模型歸類于直線運(yùn)動(dòng)，但相對(duì)于常規(guī)運(yùn)動(dòng)具有一定的復(fù)雜性，特別是動(dòng)力學(xué)的角度。但這種運(yùn)動(dòng)形式確實(shí)也是生活中比較常見(jiàn)的，更何況圓周運(yùn)動(dòng)（包括橢圓運(yùn)動(dòng)）也可以從簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的角度去研究。它將是學(xué)生可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)，也是知識(shí)完整學(xué)習(xí)的必要。同時(shí)，從科學(xué)探究的角度看，進(jìn)一步提升了學(xué)生的探究能力與思維能力。

參考文獻(xiàn)：

［１］尹慶豐，劉霽華．妙用“可視化”技術(shù)促進(jìn)科學(xué)思維進(jìn)階——以“簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)”為例［Ｊ］．物理教師，２０２１，４２（１）：２１－２４．

［２］譚國(guó)鋒，梁旭．遵循學(xué)習(xí)路徑 培養(yǎng)核心素養(yǎng)——以“簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)”教學(xué)設(shè)計(jì)為例［Ｊ］．物理教學(xué)，２０２２，４４（６）：２０－２３，１１．

［３］李正吉，田潔瑜．在物理情境中建構(gòu)模型 培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力——以“簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)”教學(xué)為例［Ｊ］．物理教學(xué)探討，２０２２，４０（8）：７７－８０．

［４］楊瑤，陳華生，彭朝陽(yáng)．基于科學(xué)思維培養(yǎng)的習(xí)題課自主構(gòu)建模型教學(xué)研究［Ｊ］．湖南中學(xué)物理，２０１９（１０）：１３－１５．

（欄目編輯" " 劉" "榮）