把“啟迪思維”融入教學(xué)設(shè)計(jì)之中

摘 要：科學(xué)思維是高中物理核心素養(yǎng)的四個(gè)維度之一。本文以“簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)”教學(xué)設(shè)計(jì)為例，思考教師如何通過(guò)問(wèn)題設(shè)置、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)等方式把“啟迪思維”融入教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)，以期激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、提升學(xué)生思維能力。

關(guān)鍵詞：簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)；教學(xué)設(shè)計(jì)；科學(xué)思維

培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力是高中物理教學(xué)的重要任務(wù)之一^［1］，在教學(xué)過(guò)程中，教師務(wù)必將提升學(xué)生的思維能力置于核心地位。以下將以“簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)”這一節(jié)的教學(xué)設(shè)計(jì)為例，探討如何把啟迪思維巧妙地融入高中物理教學(xué)實(shí)踐中。

1 引導(dǎo)學(xué)生對(duì)已學(xué)過(guò)的運(yùn)動(dòng)情形進(jìn)行分類(lèi)

根據(jù)教學(xué)進(jìn)度安排，本節(jié)內(nèi)容設(shè)定在高二上學(xué)期的后半學(xué)期進(jìn)行，在此之前，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)并掌握了相當(dāng)多與運(yùn)動(dòng)相關(guān)的知識(shí)。教師可以引導(dǎo)學(xué)生對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分類(lèi)（見(jiàn)圖1），一方面帶領(lǐng)學(xué)生回顧相關(guān)知識(shí)，使知識(shí)更系統(tǒng)化；另一方面讓學(xué)生感受到自己已學(xué)過(guò)很多知識(shí)，掌握了很多內(nèi)容，從而產(chǎn)生成就感。同時(shí)，教師讓學(xué)生將知識(shí)概念進(jìn)行歸納總結(jié)，從而起到辨析概念規(guī)律、鞏固理解的作用。

2 觀察現(xiàn)象，引出“機(jī)械振動(dòng)”的概念

首先，教師讓學(xué)生觀察展示的動(dòng)畫(huà)或視頻，如樹(shù)枝在風(fēng)中搖曳、擺鐘擺錘的左右擺動(dòng)、工藝品上小人的前后擺動(dòng)、與水平彈簧相連小球的左右振動(dòng)，以及掛在彈簧下重錘的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。隨后，教師引導(dǎo)學(xué)生探索并指出這些物體運(yùn)動(dòng)的不同之處。接著，教師巧妙地引導(dǎo)學(xué)生轉(zhuǎn)換視角，分析并尋找這些運(yùn)動(dòng)的共同特征，即相同點(diǎn)。

分析：在面對(duì)復(fù)雜多變的運(yùn)動(dòng)時(shí)，教師若直接讓學(xué)生尋找相同點(diǎn)，可能會(huì)使學(xué)生感到困惑且難以引發(fā)共鳴。因此，教師可以先引導(dǎo)學(xué)生尋找不同點(diǎn)，這一策略有效提升了學(xué)生的參與度，并輕松激發(fā)了他們的興趣。當(dāng)學(xué)生紛紛提出各自觀察到的不同點(diǎn)后，教師適時(shí)轉(zhuǎn)折，提問(wèn)這些運(yùn)動(dòng)是否存在某種共性，這一舉措能夠讓學(xué)生的思維變得更加活躍，從而激發(fā)他們深入探究的動(dòng)力。緊接著，通過(guò)深入分析與交流，教師可以引出機(jī)械振動(dòng)的概念，并在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步啟發(fā)學(xué)生思考：機(jī)械振動(dòng)其實(shí)非常普遍，你身邊一定還有這樣的例子，你能再舉出一些機(jī)械振動(dòng)的實(shí)例嗎？這樣的提問(wèn)方式再次點(diǎn)燃了學(xué)生的學(xué)習(xí)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(dǎo)學(xué)生思考：我們研究問(wèn)題往往從簡(jiǎn)單的開(kāi)始，在上述展示的幾種情形中，哪種相對(duì)更簡(jiǎn)單呢？

學(xué)生肯定會(huì)說(shuō)，與水平彈簧相連小球的左右振動(dòng)。教師就此引導(dǎo)學(xué)生展開(kāi)討論，建立理想模型：若彈簧的質(zhì)量與小球相比可以忽略，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中空氣阻力很小，也可以忽略，這樣的裝置就稱(chēng)為彈簧振子。

教師啟迪學(xué)生的思維：①研究問(wèn)題的過(guò)程總是從簡(jiǎn)單到復(fù)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(gè)理想化的模型，它是研究一般性振動(dòng)的基礎(chǔ)，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(xué)思維方法；③通過(guò)橫向?qū)Ρ龋龑?dǎo)學(xué)生回顧學(xué)過(guò)的理想模型，如質(zhì)點(diǎn)、點(diǎn)電荷、理想氣體等，深化學(xué)生對(duì)理想模型的認(rèn)知。

4 描繪彈簧振子的位移—時(shí)間圖像

要研究彈簧振子的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，就要知道它的位置隨時(shí)間的變化關(guān)系，即要畫(huà)出它的位移—時(shí)間圖像。畫(huà)出圖像的關(guān)鍵在于記錄不同時(shí)刻小球的位置，教師需要引導(dǎo)學(xué)生閱讀2020年高中物理人教版教材選擇性必修第一冊(cè)33頁(yè)的內(nèi)容，理解如何利用頻閃照相確定小球在不同時(shí)刻的位置，并能據(jù)此大概畫(huà)出小球的振動(dòng)圖像。

由于筆者所在的學(xué)校沒(méi)有頻閃照相裝置，為了能讓學(xué)生真正感知這種研究方法，引導(dǎo)學(xué)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(zhǎng)的白紙板，當(dāng)小球振動(dòng)起來(lái)后，勻速拖動(dòng)紙板，類(lèi)似頻閃照相的原理，在白紙上就得到了小球的振動(dòng)圖像（見(jiàn)圖2）。

由于本校只有一套該器材，只能讓部分學(xué)生輪流操作感受。但為了讓盡可能多的學(xué)生有體驗(yàn)感和獲得感，在沒(méi)有彈簧振子的情況下，我們也可以進(jìn)行“變通”。教師讓兩名學(xué)生相互配合（見(jiàn)圖3），一名學(xué)生拿筆左右運(yùn)動(dòng)，模擬彈簧振子的運(yùn)動(dòng) ，另一名學(xué)生拖動(dòng)下方的白紙板，通過(guò)這種方式，同樣也能得到“振動(dòng)”圖像。在教學(xué)過(guò)程中，教師要盡可能讓學(xué)生感受實(shí)驗(yàn)，沒(méi)有條件的盡可能創(chuàng)造條件。若學(xué)生親身經(jīng)歷過(guò)，他們對(duì)知識(shí)的感受和理解會(huì)更深刻，同時(shí)也會(huì)消除對(duì)很多事物的神秘感，進(jìn)而提升學(xué)習(xí)的融入度。

5 研究圖像的特征，提出簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的概念

根據(jù)獲得的彈簧振子的x-t圖像，教師提出幾個(gè)問(wèn)題：①?gòu)椈烧褡拥膞-t圖像是正弦曲線(xiàn)嗎？②如何判斷是不是正弦曲線(xiàn)呢？

分析：圖像似乎是正弦曲線(xiàn)，這是一種科學(xué)的猜想。科學(xué)猜想是指從觀察和探索的已知條件出發(fā)，根據(jù)已有經(jīng)驗(yàn)對(duì)科學(xué)問(wèn)題進(jìn)行猜測(cè)、假設(shè)和推斷，從而得出預(yù)測(cè)性結(jié)論的一種探究的方法和過(guò)程。科學(xué)猜想是一種重要的科學(xué)思維方法。在遇到類(lèi)似問(wèn)題時(shí)，教師要鼓勵(lì)學(xué)生大膽進(jìn)行科學(xué)猜想，這對(duì)提升學(xué)生解決問(wèn)題的能力、提升學(xué)生的思維能力都大有裨益。

對(duì)于證明振動(dòng)圖像是否是正弦曲線(xiàn)這一問(wèn)題，教材上給出了兩種方法，且均是數(shù)學(xué)方法，這也體現(xiàn)了學(xué)以致用、學(xué)科融合的思想。

在前面分析的基礎(chǔ)上，教材給出了簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的概念：如果物體的位移與時(shí)間的關(guān)系遵從正弦函數(shù)的規(guī)律，即它的振動(dòng)圖像（x-t圖像）是一條正弦曲線(xiàn)，這樣的振動(dòng)是簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)。

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

即使這樣，學(xué)生對(duì)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的概念肯定還沒(méi)有理解到位，為此例析如下。

如圖4所示，兩個(gè)相同的光滑固定斜面相對(duì)靠在一起，一小球從右側(cè)斜面上某一位置由靜止釋放，不考慮空氣阻力，請(qǐng)嘗試畫(huà)出小球運(yùn)動(dòng)過(guò)程中相對(duì)于斜面底端O點(diǎn)的x-t圖像，該圖像是余弦曲線(xiàn)嗎？

教師引導(dǎo)學(xué)生思考，小球下滑、上滑均做勻變速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，根據(jù)勻變速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)位移公式可知其x-t圖像應(yīng)該是拋物線(xiàn)的一部分，不可能是余弦曲線(xiàn)。說(shuō)明小球只是做機(jī)械振動(dòng)而不是做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，讓學(xué)生真正厘清兩者的關(guān)系。

教師幫助學(xué)生強(qiáng)化對(duì)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)概念的理解：簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)一定是機(jī)械振動(dòng)，機(jī)械振動(dòng)不一定是簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)；只有x-t圖像為正弦（或余弦）曲線(xiàn)的機(jī)械振動(dòng)才是簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)。機(jī)械振動(dòng)與簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的關(guān)系可類(lèi)比直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)與勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的關(guān)系。

拓展討論：第一，前面我們主要對(duì)平放的彈簧振子進(jìn)行了討論分析，實(shí)際上彈簧振子還有其他類(lèi)型，如圖5所示，請(qǐng)嘗試探究它們的區(qū)別；第二，探討后續(xù)學(xué)習(xí)過(guò)程中可能會(huì)遇到的其他的簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)模型。拓展討論的目的主要是讓學(xué)生的思維不局限，視野更開(kāi)闊，并能激發(fā)學(xué)生去探究不同簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)模型的相同點(diǎn)和不同點(diǎn)，進(jìn)而啟發(fā)學(xué)生的思維。

6 提出問(wèn)題，承上啟下

關(guān)于彈簧振子，你覺(jué)得還有哪些問(wèn)題需要了解？小球運(yùn)動(dòng)過(guò)程中速度如何變化？彈簧的彈性勢(shì)能如何變化？系統(tǒng)的機(jī)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(wèn)題，目的是激發(fā)學(xué)生的求知欲和探究精神，也為后續(xù)學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。

7 前后呼應(yīng)，豐富分類(lèi)圖

經(jīng)過(guò)上述環(huán)節(jié)，教師可以帶領(lǐng)學(xué)生豐富運(yùn)動(dòng)分類(lèi)圖（見(jiàn)圖6）。

在教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)，教師要將“啟迪思維”放在首位，同時(shí)也要將啟迪思維的想法和意圖傳遞給學(xué)生。有的設(shè)計(jì)或安排，當(dāng)你說(shuō)出意圖之后，學(xué)生會(huì)恍然大悟，既會(huì)感嘆教師的設(shè)計(jì)之妙，也會(huì)有不斷學(xué)習(xí)、不斷提升自己思維能力的內(nèi)在需要。

教師在教學(xué)過(guò)程中，必須摒棄傳統(tǒng)的“授之以魚(yú)”式的填鴨教育，轉(zhuǎn)而采取“授之以漁”的教學(xué)策略，鼓勵(lì)學(xué)生自主探究，以此激發(fā)學(xué)生的思維活力，確保每名學(xué)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(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，傳授他們掌握知識(shí)的科學(xué)方法，進(jìn)而提升學(xué)生的終身學(xué)習(xí)能力。^［2］因此，從這一層面而言，掌握科學(xué)的思維方式相較于單純的知識(shí)積累，顯得更為重要。

參考文獻(xiàn)

［1］謝祥金.探索培養(yǎng)學(xué)生思維認(rèn)知能力群的中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)［J］. 物理教學(xué)，2022，44（10）：23-26．

［2］陳運(yùn)保，劉青.指向科學(xué)思維的高中物理教學(xué)設(shè)計(jì)——以“曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)”為例［J］. 物理教師，2020，41（8）：25-29．