指向素养发展的物理课堂重构

收稿日期：２０２３－１１－２４

基金项目：江苏省十四·五规划课题“促进深度学习发生的物理实验５Ｅ教学模式研究”（Ｂ／２０２１／０２／４５）；江苏省前瞻性教学改革实验项目“启智街道·物理实验育人探索３０年”（２０２３ＪＳＱＺ０１６０）。

作者简介：李桂旺（１９７４－），男，正高级教师，江苏省特级教师，主要从事物理教学研究和物理实验创新研究。

摘 要：高中物理新课程标准目标定位是培养学生的学科核心素养，将“科学思维”聚焦于物理学科素养开展教育是教育教学的重要目标。从人教版新旧教材中“简谐运动”的比较研究中尝试二次开发整合，体现新教材改革的价值和意义。形成培养“科学思维”的策略，凸显科学思维培养的内涵，培养学科核心素养。

关键词：核心素养；科学思维；真实情境

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2024）4-0034-5

培养学生的学科核心素养，课程标准是依据，教材是载体，课堂教学是手段。教学设计是课堂教学的核心所在，在教学实施过程中应突出培养科学思维的过程，包括模型建构、科学推理、科学论证和质疑创新。

“简谐运动”既是机械运动中相对复杂的运动形式，也是电磁振荡、电磁波及物理光学的知识基础。简谐运动规律的探究对培养学生的科学思维能力具有非常积极的意义。

１    两版教材“简谐运动”的比较分析

“简谐运动”在人教版旧教材中设置在“选修３－４”，在人教版新教材中设置在“选择性必修一”。如果缺少这部分课程的学习，将影响交流电（正弦式）、电磁波（波长、波速及频率关系）、物理光学（波动性）及近代物理（波粒二象性）部分知识的学习与理解。新旧教材“简谐运动”教材内容、课后任务的比较如表1、表2所示。

２    基于科学思维培养的重构

课堂教学设计源于教材而不拘泥于教材，结合时代特征、区域特征和学生素养水平特征以及教材本身的特点对教材资源进行二次开发。尤其是新一轮课改的跨界时期，新旧教材共存的时代，新课程的实施可以整合新旧教材的资源，一切以培养学生学科核心素养为目标，提高课堂效率的同时，激发学生深度学习，发展高阶思维能力。

２．１    基于大单元知识的课堂导入

“简谐运动”是力学中相对比较复杂的运动形式，也是比较基本的运动形式。复习已学的几种基本运动，回顾其基本概念及规律特点，激发学生思考，形成知识迁移，有利于新知识的形成。另一方面，可以体现直线运动规律对研究曲线运动的积极意义，并在归纳整理时前后呼应，使知识系统化，有利于“大单元”设计。

【教学片段１】

教师：（激发学生回顾旧知识）同学们，我们已经学习过哪几种运动形式？

学生：（交流讨论并回答）匀速直线运动，匀变速直线运动，平抛运动，匀速圆周运动。

教师：（反馈并激发思考）除了这些常见的运动形式外，还有其他有特点的运动吗？

２．２    基于真实情境的问题产生

物理源于生活，物理概念及规律源于实践（真实性）。物理教学中利用生活中的真实问题情境可以促进教学方式和学习方式的转变，有利于培养学生的创造性思维，充分发挥物理学科独特的育人功能。在教学设计中通过演示实验或视频（必须是真实场景）创设问题情境，以引导学生分析归纳，培养问题意识，激发学生了解问题的欲望和兴趣，促使他们思维的积极活动，或借此陶冶性情。

【教学片段2】

教师：（视频展示）播放“２０１８年印尼地震产生的‘晃塔’”监控视频（图1）。注意“塔顶”运动特点，是不是前面所回顾的运动形式？

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图1  视频截图

学生：观看视频并讨论。

教师：（演示实验）钟摆、播放音乐时的音响鼓膜、气垫导轨上的滑块、一段固定的振动钢锯条，让学生归纳这些运动的共同特点。

２．３    基于科学模型的概念构建

基于真实情境（图2），依据生活体验形成心智模型。心智模型是外部世界在个体头脑的内部表征，能够在学习过程中理解事物和现象。它是一种思维定式，是指我们认识事物的方法和习惯。当我们的心智模式与认知事物发展的情况相符，能有效指导行动；反之，当我们的心智模式与认知事物发展的情况不相符，就会使自己好的构想无法实现。

【教学片段3】

学生甲：物体在重复晃动。

学生乙：物体在往复运动。

学生丙：物体的一部分在往复运动。

学生丁：物体都在振动。

通过实验及视频创设情境，结合初中所学习的“振动”和原有认知分析情境，了解生活中“振动”的基本特点（重复性）。心智模型的建立源于前概念和前经验，缺少交流解释与验证。在教师的引导下进行科学归纳与论证，有利于构建科学模型。

教师：足球运动员２５米的往返跑是不是属于“振动”？（往复运动未必一定是振动）

学生：不是，振动是物体在原来静止的位置附近的往复运动。

教师：这里的“原来静止的位置”是“合力为０的位置”，即“平衡位置”。

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图2  实验情境

２．４    基于思维培养的探究验证

教育的目的不仅是知识，甚至可能都不是为了知识。著名的美国心理学家伯尔赫斯·弗雷德里克·斯金纳说过，“当所学的东西都忘掉之后，剩下的就是教育”。其实，剩下的知识或者说非常实用的知识非常少，更多的是思维的培养与积累。所谓思维即所有的认识和智力活动，是事物的间接反映，是指它通过其他媒介作用及借助于已有的知识和经验认识客观事物，是认识过程的高级阶段，科学的教育过程更是如此。

【教学片段4】

（１）建立模型

教师：鉴于前述的几个实例，我们发现了它们的共同特征。但在实际条件下，希望模型更简单，从而建立“只受一个力，且这个力的大小与位移成正比”的理想化模型——弹簧振子（图3）。

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图3  弹簧振子

教师：弹簧振子真实存在吗？

学生：不存在，这是个理想化模型，与前面所学的“质点”等概念类似。

教师：由于这个运动具有很重要的特点——重复性与对称性。在物理上描述振动的位移时，取“平衡位置”为位移起点。

（２）发现问题

教师：前面我们观察了几个“机械振动”，生活中我们也会碰到“机械振动”。一般的振动都非常复杂，但“弹簧振子”的运动相对简单，它有怎样的运动规律呢？

学生回忆匀速直线运动与自由落体运动的研究过程。

教师：我们研究运动，需要了解物体位置随时间的变化规律，如何记录物体的位置？

学生：打点计时器、频闪照相等。

教师：我们一起回忆匀加速直线运动（自由落体运动）规律的研究过程（图4）。

旁白：这个过程是帮助学生理解依托频闪照片研究物体位置与时间关系这个规律的原理，是一个科学思维的过程。同时，也是由旧知识向新知识迁移的过程，使得复杂的知识理解形象化、直观化。

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图4  匀加速直线运动频闪照片

（３）梳理方案

教师：我们从“频闪”的思路着手，如何操作研究呢？

学生甲：利用手机频闪功能。

学生乙：利用电脑追踪软件。

学生丙：利用追踪ＡＰＰ。

……

教师：分析讨论各种方案的特点及优缺点，选择合适的方案。

（４）实验探究

经过课前的预研究，可以确定手机频闪与电脑Tｒａｃｋｅｒ软件追踪的方案。

将气垫导轨调节水平，让滑块在两个水平弹簧作用下振动，滑块上固定标志物（用透明杆支撑红色小球）。

在滑块振动过程中，将手机用支架固定后，采用手机自带的连拍功能（频闪），拍摄２～３个周期。

教师：将照片导入到电脑中，在ＰＰＴ中采用叠加的方式，将照片按时间的顺序错位叠放，如图5所示。

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图5  照片叠放

（５）理论验证

教师：大家看到标志物的分布像什么规律？

学生：正弦规律。

教师：如何验证？

学生：由图像特殊点（峰值和原点）大致写出函数，通过测量观察其他点（Ｍ，Ｎ，Ｐ）的坐标是不是与这个函数相符合（记录并测量计算如表3所示）。学生验证……

表3  实验记录

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教师：通过大家的测量发现其他点也符合函数规律，说明振动的位移与时间确实是按正弦规律分布的。

（６）探究验证

教师：以上方案最主要的不足之处有什么？

学生：测量数据少，而且似乎后来的数据差距更大。

教师：知道为什么后来的测量差距更大吗？

学生：是因为振动的周期与频闪的周期不是整数位关系，因此峰值位置的确定误差较大。

教师：因此，老师有必要给大家带来一种更精确的方法——它可以测量并记录更多时刻的位置与时间。我们用到一个视频追踪软件——Tｒａｃｋｅｒ。

教师：介绍软件的工作流程与原理——先将振动对象的运动过程通过慢录的方式拍摄成小视频。该软件能够追踪视频中的运动对象，并能够记录每一帧的时间与位置（横坐标与纵坐标），且可以自动生成横坐标（ｘ）和纵坐标（ｙ）与时间（ｔ）的图像。

由于这个软件流行时间还不长，学生不太了解，都很惊讶、好奇。

教师与学生相互配合演示实验，得到ｘ－ｔ图像。实验中滑块在水平面上运动，因此基本上没有ｙ方向的记录。

教师：与软件拟合出的正弦函数基本吻合，所以更加坚信“弹簧振子”运动的位移与时间是按正弦规律变化的。

（７）概念形成

通过实验多方案探究，发现弹簧振子运动过程中存在特殊的规律，因此物理学中将满足这种规律的运动给一个特别的名称——简谐运动。

简谐运动：质点位移与时间的关系遵从正弦函数的规律，即ｘ－ｔ图像是一条正弦曲线，这样的振动叫作简谐运动。

探究验证过程是这节课的重点，而位移的“表述”是难点。通过前知识的迁移，培养学生由简单到复杂的思维方法与习惯。通过“频闪”的方法让学生在“自由落体运动”的基础上逐步理解探究的原理。另一方面，通过频闪方法的误差分析，培养学生的批判性思维能力，从而追求更严谨的探究方案——Tｒａｃｋｅｒ追踪方案。同时，频闪也是追踪的原理基础，层层递进，殊途同归。

２．５    基于真实情境的应用分析

学习的“知识”尤如消防栓，消防栓是有其实实在在的价值，但很多情况下，消防栓不仅仅具有消防功能，比如公共场所的消防栓常有为花草树木浇水的功能，甚至紧急情况下为居民提供生活用水。所学的知识要能够融会贯通，思维上可以变通。

我们一般都是从直线运动的角度研究运动的规律。抛体运动（平抛与斜抛）是从运动分解的角度利用“化曲为直”的思想去表述和分析。圆周运动规律的研究我们更多地是关注动力学的角度（向心力的问题），而运动学角度的研究仅限于“匀速圆周运动”，只是从周期性的角度去分析。实际上，圆周运动也可以从直线运动的角度去理解，这就是两个振动的合成。受能力要求的限制，可以从直观感性的角度让学生了解，另一方面依然是体现“化曲为直”和“化繁为简”的思想。

通过动画的形式让学生了解“热机”工作的运动学原理（图6）：曲轴的圆周运动与活塞的振动的牵连关系，从而让学生理解圆周运动两个相互垂直方向的（投影）分运动就是机械振动。

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图6  “热机”工作运动学原理

简谐运动的基本模型归类于直线运动，但相对于常规运动具有一定的复杂性，特别是动力学的角度。但这种运动形式确实也是生活中比较常见的，更何况圆周运动（包括椭圆运动）也可以从简谐运动的角度去研究。它将是学生可持续发展的基础，也是知识完整学习的必要。同时，从科学探究的角度看，进一步提升了学生的探究能力与思维能力。

参考文献：

［１］尹庆丰，刘霁华．妙用“可视化”技术促进科学思维进阶——以“简谐运动”为例［Ｊ］．物理教师，２０２１，４２（１）：２１－２４．

［２］谭国锋，梁旭．遵循学习路径 培养核心素养——以“简谐运动”教学设计为例［Ｊ］．物理教学，２０２２，４４（６）：２０－２３，１１．

［３］李正吉，田洁瑜．在物理情境中建构模型 培养学生科学探究能力——以“简谐运动”教学为例［Ｊ］．物理教学探讨，２０２２，４０（8）：７７－８０．

［４］杨瑶，陈华生，彭朝阳．基于科学思维培养的习题课自主构建模型教学研究［Ｊ］．湖南中学物理，２０１９（１０）：１３－１５．

（栏目编辑    刘   荣）