譚國(guó)鋒
(杭州第二中學(xué) 浙江 杭州 315009)
曾裕
(杭州學(xué)軍中學(xué) 浙江 杭州 310000)
物理學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)生在接受物理教育過(guò)程中逐步形成的適應(yīng)個(gè)人終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的正確價(jià)值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力,是學(xué)生通過(guò)物理學(xué)習(xí)內(nèi)化的帶有物理學(xué)科特性的品質(zhì). 在當(dāng)前的教學(xué)實(shí)踐中,多數(shù)教師還是按照課時(shí)進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì),課時(shí)之間的聯(lián)系不被重視,這就導(dǎo)致核心素養(yǎng)的教學(xué)目標(biāo)往往停留在碎片化知識(shí)層面,從表面看學(xué)生解決了課時(shí)中創(chuàng)設(shè)的“小問(wèn)題”,但是很難解決具有概括性、統(tǒng)領(lǐng)性的“大問(wèn)題”,因?yàn)閷W(xué)生沒(méi)有經(jīng)歷將“大問(wèn)題”分解為若干“小問(wèn)題”的系統(tǒng)思維過(guò)程.如何擺脫課時(shí)教學(xué)設(shè)計(jì)的局限性,從整體上對(duì)單元教學(xué)進(jìn)行有序設(shè)計(jì),再?gòu)膯卧虒W(xué)的視角,對(duì)課時(shí)教學(xué)進(jìn)行對(duì)接指導(dǎo),滲透到教學(xué)設(shè)計(jì)的每一個(gè)環(huán)節(jié)中,筆者在“2021年全國(guó)普通高中新課程新教材教學(xué)研究展示”活動(dòng)中,上了一堂以單元教學(xué)為視角的第一課時(shí)“簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)”作為初步嘗試.
必修第一冊(cè)已經(jīng)學(xué)習(xí)了加速度恒定的勻速直線、勻變速直線運(yùn)動(dòng),必修第二冊(cè)中,學(xué)習(xí)了加速度恒定的拋體運(yùn)動(dòng)和加速度大小恒定的勻速圓周運(yùn)動(dòng),這些為更復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)——簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的學(xué)習(xí)打下了基礎(chǔ).簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)是機(jī)械振動(dòng)研究中最簡(jiǎn)單的一種振動(dòng),是學(xué)習(xí)振動(dòng)的基礎(chǔ),通過(guò)從運(yùn)動(dòng)、能量、受力的角度建立彈簧振子的理想化模型,是后續(xù)單擺模型建立的方法,本節(jié)先從運(yùn)動(dòng)學(xué)角度分析簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng),為本章后續(xù)研究簡(jiǎn)諧振動(dòng)的動(dòng)力學(xué)、能量的特點(diǎn)做好鋪墊,是單擺分析的基礎(chǔ),更是后續(xù)研究更復(fù)雜的阻尼振動(dòng)和共振的前提.
學(xué)生在必修一、必修二中已經(jīng)學(xué)習(xí)了很多的運(yùn)動(dòng),對(duì)如何描述運(yùn)動(dòng)的物理量有理論基礎(chǔ);學(xué)生已經(jīng)在運(yùn)動(dòng)學(xué)中學(xué)習(xí)了打點(diǎn)計(jì)時(shí)器,在自由落體研究中接觸了頻閃照片,在靜電場(chǎng)中學(xué)習(xí)了示波器,這些都為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)x-t圖像的得出,提供了方法的支撐,但是簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)是加速度大小方向都在變的變速運(yùn)動(dòng),比之前學(xué)習(xí)的運(yùn)動(dòng)更復(fù)雜,這也對(duì)學(xué)生的思維提出了更高的要求.
“簡(jiǎn)諧振動(dòng)”一節(jié)教學(xué)目標(biāo)如表1所示.
表1 “簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)”教學(xué)目標(biāo)
續(xù)表1
任務(wù)分解如圖1所示.
圖1 “簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)”任務(wù)分解圖示
問(wèn)題情景一:學(xué)生才藝展示吉他彈奏,觀察琴弦的運(yùn)動(dòng)(圖2);展示小孩坐秋千的圖片(圖3);演示實(shí)驗(yàn)——彈簧拉動(dòng)小車(chē)的運(yùn)動(dòng)(圖4);展示臺(tái)風(fēng)“煙花”即將到達(dá)時(shí)“上?;垩邸钡臄[動(dòng)(圖5).問(wèn)題設(shè)置如表2所示.
圖2 琴弦的振動(dòng)
圖3 秋千的擺動(dòng)
圖4 彈簧拉動(dòng)小車(chē)的運(yùn)動(dòng)
圖5 “上?;垩邸钡臄[動(dòng)
表2 機(jī)械振動(dòng)的引入問(wèn)題設(shè)置及素養(yǎng)目標(biāo)
教學(xué)思考:
(1)單元視角下的課時(shí)教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)
引導(dǎo)學(xué)生和以前學(xué)習(xí)的運(yùn)動(dòng)類(lèi)比,引出研究的必要性.運(yùn)動(dòng)研究的方法是可以遷移的,高一時(shí)學(xué)的勻變速直線運(yùn)動(dòng)、平拋運(yùn)動(dòng)、圓周運(yùn)動(dòng),都是從運(yùn)動(dòng)、受力和能量3個(gè)角度研究的,本章還是從這3個(gè)角度去研究以上所有情景的振動(dòng),體現(xiàn)單元教學(xué)的設(shè)計(jì)理念.所選取的4個(gè)生活實(shí)例分別對(duì)應(yīng)了本單元所學(xué)的各種振動(dòng):吉他的琴弦對(duì)應(yīng)了受迫振動(dòng),彈簧和滑塊對(duì)應(yīng)了簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng),秋千對(duì)應(yīng)了單擺,“上?;垩邸睌[動(dòng)對(duì)應(yīng)了共振.這樣的引入,既是為了讓學(xué)生從不同運(yùn)動(dòng)中找共同規(guī)律,又是為了后面章節(jié)的學(xué)習(xí)做鋪墊.
(2)教學(xué)活動(dòng)建議
物理課堂展示吉他彈奏,既能活躍課堂氣氛,也很自然地引出了本章研究主題.“上海慧眼”的介紹,增加學(xué)生的民族自豪感和科技在生活中的應(yīng)用(在臺(tái)風(fēng)“煙花”逼近時(shí)上海中心大廈中的阻尼器的振動(dòng),是我國(guó)首個(gè)自主研發(fā)的阻尼器——“上?;垩邸?,世界上首個(gè)電渦流擺式調(diào)諧質(zhì)量阻尼器,在國(guó)際上也是首次使用,重1 000 t,是世界上最重的擺式阻尼器);同時(shí)呈現(xiàn)4個(gè)運(yùn)動(dòng),引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)找共同點(diǎn)歸納出機(jī)械振動(dòng)的定義.通過(guò)選擇先研究的對(duì)象彈簧小車(chē),讓學(xué)生知道物理學(xué)的研究方法之一:先簡(jiǎn)單后復(fù)雜.
問(wèn)題情景二:演示實(shí)驗(yàn)——小車(chē)在彈簧作用下往復(fù)運(yùn)動(dòng)(圖4),最后停下來(lái).問(wèn)題設(shè)置如表3所示.
表3 彈簧拉動(dòng)小車(chē)問(wèn)題設(shè)置及素養(yǎng)目標(biāo)
教學(xué)思考:
(1)單元視角下的課時(shí)教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)
從物理學(xué)研究先簡(jiǎn)單后復(fù)雜,第一節(jié)課研究彈簧和滑塊的運(yùn)動(dòng).從運(yùn)動(dòng)、受力、能量的角度去研究運(yùn)動(dòng),是本單元內(nèi)容處理的一條主要邏輯思路.對(duì)運(yùn)動(dòng)對(duì)象的簡(jiǎn)化,是學(xué)生本節(jié)遇到的第一個(gè)難點(diǎn),本課時(shí)彈簧小車(chē)的簡(jiǎn)化,更是為單元后續(xù)課時(shí)單擺的簡(jiǎn)化提供方法支撐.在這個(gè)難點(diǎn)的突破上,教學(xué)設(shè)計(jì)先通過(guò)問(wèn)題(1)~(3)引導(dǎo)學(xué)生分別從運(yùn)動(dòng)、受力和能量等各種角度描述彈簧小車(chē),然后PPT呈現(xiàn)學(xué)生描述的各個(gè)物理量,發(fā)現(xiàn)描述的復(fù)雜性,進(jìn)而提出簡(jiǎn)化對(duì)象的必要性.再通過(guò)小組的討論、交流,教師的引導(dǎo),發(fā)現(xiàn)可以和之前學(xué)其他運(yùn)動(dòng)一樣的方法,分別從運(yùn)動(dòng)、受力、能量3個(gè)維度去簡(jiǎn)化研究對(duì)象,得到最簡(jiǎn)單的理想化模型——彈簧振子.從運(yùn)動(dòng)、受力、能量3個(gè)維度進(jìn)行分析,是本單元教學(xué)研究所有問(wèn)題的核心方法,為單元后續(xù)課時(shí)內(nèi)容學(xué)習(xí)提供了方法上的鋪墊.學(xué)生描述和簡(jiǎn)化過(guò)程呈現(xiàn)如圖6所示.
圖6 “彈簧振子”教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)
(2)教學(xué)活動(dòng)建議
問(wèn)題(1)~(3)讓學(xué)生進(jìn)行描述,教師把學(xué)生描述的所有因素都呈現(xiàn)在PPT上,方便學(xué)生討論的時(shí)候,能夠有針對(duì)性進(jìn)行簡(jiǎn)化; 問(wèn)題(4)引導(dǎo)學(xué)生小組討論交流,總結(jié)實(shí)際的彈簧小車(chē)模型可以理想化成最簡(jiǎn)單的條件:滑塊為平動(dòng),彈簧為輕彈簧,軌道為氣墊導(dǎo)軌
教師總結(jié)建立理想化模型的方法:忽略了次要因素,抓住了主要因素,把他們簡(jiǎn)化成了最簡(jiǎn)單的振動(dòng)——彈簧振子——理想化模型,是研究振動(dòng)的基礎(chǔ).
問(wèn)題情景三:觀察演示實(shí)驗(yàn)“彈簧振子的振動(dòng)”(圖7).問(wèn)題設(shè)置及素養(yǎng)目標(biāo)如表4所示.
圖7 彈簧振子的運(yùn)動(dòng)
表4 “彈簧振子的振動(dòng)”問(wèn)題及素養(yǎng)目標(biāo)
教學(xué)思考:
(1)單元視角下的課時(shí)教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)
問(wèn)題(1)引導(dǎo)學(xué)生思考先描述什么物理量,體會(huì)先簡(jiǎn)單后復(fù)雜的物理學(xué)研究方法.
問(wèn)題(2)讓學(xué)生描述選取兩個(gè)不同的點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn),位移各是多少;再通過(guò)對(duì)比,讓學(xué)生體會(huì)振動(dòng)的位移取平衡位置為坐標(biāo)原點(diǎn)的原因.
問(wèn)題(3)~(6)引導(dǎo)學(xué)生先通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察猜想彈簧振子的x-t圖像,再通過(guò)小組討論設(shè)計(jì)得到x-t圖像的方法,最后小組合作,設(shè)計(jì)、進(jìn)行實(shí)驗(yàn),得到x-t圖像,并對(duì)結(jié)果進(jìn)行相關(guān)討論.
問(wèn)題(7)引導(dǎo)學(xué)生利用頻閃照片的方法,對(duì)連拍照的方案進(jìn)行再優(yōu)化,通過(guò)教師的PPT演示,呈現(xiàn)通過(guò)連拍照獲得x-t圖像的方法,并總結(jié)間接測(cè)量方法在實(shí)際生產(chǎn)生活中的應(yīng)用.
這個(gè)環(huán)節(jié)的教學(xué)過(guò)程充分展示了科學(xué)探究的幾個(gè)要素,從觀察現(xiàn)象到提出猜想,再通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、交流討論不同的實(shí)驗(yàn)方案,最后進(jìn)行實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證猜想.本課時(shí)這樣的科學(xué)探究設(shè)計(jì),也是本單元教學(xué)后續(xù)探究的基本方法,為后續(xù)課時(shí)學(xué)習(xí)的探究環(huán)節(jié)開(kāi)展提供了參考.
(2)教學(xué)活動(dòng)建議
問(wèn)題(2)讓學(xué)生通過(guò)兩個(gè)不同描述的對(duì)比,知道振子的位移描述方式和必修一時(shí)候不同,是為了能夠體現(xiàn)振動(dòng)的對(duì)稱(chēng)性.
問(wèn)題(3)讓學(xué)生通過(guò)觀察進(jìn)行猜想,并在學(xué)案上做出可能的x-t圖像,如圖8和圖9所示.
圖8 彈簧振子x-t圖像猜想1
圖9 彈簧振子x-t圖像猜想2
問(wèn)題(4)先讓學(xué)生對(duì)提出的猜想進(jìn)行評(píng)價(jià),再引導(dǎo)小組在高一學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上進(jìn)行充分的討論交流如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證,最后分小組匯報(bào)各種可能的設(shè)計(jì)方案.
學(xué)生提出頻閃照片、視頻分析、連拍照等多種得到x-t圖像的設(shè)計(jì)方案.教師先按照學(xué)生提出的第一個(gè)方案,將頻閃儀(代替頻閃相機(jī))裝到彈簧振子上,頻閃儀每隔固定時(shí)間打出的紫外線在顯影布(代替相機(jī)底片)上留下點(diǎn)跡,嘗試用這樣的頻閃照片去得到x-t圖像,發(fā)現(xiàn)顯示的點(diǎn)跡重疊,如圖10所示,進(jìn)而提出問(wèn)題(5),引導(dǎo)學(xué)生思考如何能夠讓點(diǎn)跡不重疊.
圖10 頻閃儀在光影畫(huà)布上留下點(diǎn)跡
問(wèn)題(6)讓學(xué)生小組合作,設(shè)計(jì)、開(kāi)展實(shí)驗(yàn):如圖11所示,一位學(xué)生一只手按住豎尺,一只手讓激光筆貼著豎尺,跟著節(jié)拍器運(yùn)動(dòng),模擬彈簧振子運(yùn)動(dòng);另一位學(xué)生一只手按住直尺,另一只手拉動(dòng)顯影布,觀察呈現(xiàn)的圖樣.
圖11 學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究如何得到x-t圖像
學(xué)生小組合作,得到多條不同圖像,如圖12~14所示,并對(duì)哪個(gè)圖像能夠代表x-t圖進(jìn)行討論交流,師生一起分析總結(jié),得出當(dāng)勻速拉動(dòng)顯影布時(shí),就能夠得到x-t圖像.
圖12 較小速度勻速拉動(dòng)顯影布
圖13 較大速度勻速拉動(dòng)顯影布
圖14 加速拉動(dòng)顯影布
對(duì)于學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程中遇到的困難:很難做到勻速拉動(dòng)顯影布,教師用電動(dòng)機(jī)勻速拉動(dòng)顯影布,通過(guò)頻閃儀(代替頻閃相機(jī))在顯影布(代替相機(jī)底片)上留下點(diǎn)跡,如圖15所示,最終得到x-t圖像,驗(yàn)證最開(kāi)始學(xué)生提出的猜想.
圖15 電動(dòng)機(jī)勻速拉動(dòng)后得到的x-t圖
問(wèn)題(7)學(xué)生在教師引導(dǎo)下提出通過(guò)連拍照得到x-t圖像的方案,教師用事先準(zhǔn)備的彈簧振子的連拍照,在PPT上動(dòng)畫(huà)展示把連拍照按照時(shí)間順序縱向均勻排列,如圖16所示.
圖16 連拍照按時(shí)間順序縱向均勻排列
通過(guò)以上兩個(gè)方法,總結(jié)間接測(cè)量方法在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用,如圖17~19所示.
圖17 心電圖
圖18 繪制地震曲線
圖19 示波器的波形
問(wèn)題情景四:呈現(xiàn)顯影布得到的x-t圖像和連拍照得到的x-t圖像,問(wèn)題設(shè)置及素養(yǎng)目標(biāo)如表5所示.
表5 x-t圖像問(wèn)題及素養(yǎng)目標(biāo)
教學(xué)思考:
(1)單元視角下的課時(shí)教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)
問(wèn)題(1)學(xué)生很容易猜想得到是正弦函數(shù),問(wèn)題(2)需要從數(shù)學(xué)的角度去引導(dǎo),有多種方式,引導(dǎo)學(xué)生敢于表達(dá).
問(wèn)題(4)具有較大的開(kāi)放性,引導(dǎo)學(xué)生從誤差、模型理想化等角度去分析,再次體會(huì)什么叫理想化模型.
該設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中對(duì)于如何證明x-t圖像是正弦函數(shù)的方法,也是本單元后續(xù)證明單擺做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的方法.
(2)教學(xué)活動(dòng)建議
問(wèn)題(1)可以讓學(xué)生一起做出猜想;問(wèn)題(2)先讓學(xué)生小組討論,再匯報(bào)證明的方法,并讓學(xué)生通過(guò)實(shí)際操作,證明方法的可行性.
方法一:假設(shè)是正弦函數(shù),做出橫縱坐標(biāo),寫(xiě)出正弦函數(shù)表達(dá)式,在曲線上選取若干位置,量出橫縱坐標(biāo),將橫坐標(biāo)代入函數(shù)表達(dá)式,看計(jì)算值和測(cè)量值是否一致.
方法二:用標(biāo)準(zhǔn)的正弦曲線比對(duì),看是否重合.
學(xué)生上臺(tái)演示,縮放一條標(biāo)準(zhǔn)的正弦函數(shù),讓它與所得到的圖像比對(duì),看點(diǎn)跡是否重合,如圖20所示.
圖20 標(biāo)準(zhǔn)正弦函數(shù)和x-t圖像
問(wèn)題(4)可以讓不同學(xué)生進(jìn)行交流討論,有學(xué)生會(huì)認(rèn)為基本重合,是正弦函數(shù),有學(xué)生會(huì)認(rèn)為并非完全的重合.教師繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生分析不重疊的原因,讓學(xué)生進(jìn)行誤差分析,進(jìn)而再次提出彈簧振子是理想化模型,實(shí)際情況我們只能去接近.最后進(jìn)行總結(jié):我們把x-t圖像是一條正弦曲線的振動(dòng),叫做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng),是最基本的振動(dòng).
問(wèn)題與情景五:再次呈現(xiàn)開(kāi)始時(shí)的4個(gè)不同類(lèi)型振動(dòng)的動(dòng)圖(圖2~圖5),問(wèn)題設(shè)置及素養(yǎng)目標(biāo)如表6所示.
表6 單元問(wèn)題及素養(yǎng)目標(biāo)
教學(xué)思考:
(1)單元視角下的課時(shí)教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)
再次回到新課開(kāi)始時(shí)的4個(gè)實(shí)例,引導(dǎo)學(xué)生用本課時(shí)所學(xué)習(xí)的探究方法,分析其他幾個(gè)更加復(fù)雜的實(shí)例,也就是本單元后續(xù)課時(shí)的相關(guān)內(nèi)容.這樣的處理,既起到了前后呼應(yīng)的效果,又為單元教學(xué)的后續(xù)開(kāi)展起到了一個(gè)承上啟下的效果.
(2)教學(xué)活動(dòng)建議
對(duì)于以上4個(gè)問(wèn)題,教師鼓勵(lì)學(xué)生多講,教師不引導(dǎo),也不做點(diǎn)評(píng).在不同學(xué)生交流自己想法的過(guò)程,能夠充分調(diào)動(dòng)學(xué)生后續(xù)課時(shí)的探究熱情,為單元后面課時(shí)的學(xué)習(xí)做好鋪墊.
在教學(xué)過(guò)程中,先制定單元教學(xué)目標(biāo)和單元學(xué)習(xí)的重難點(diǎn),能夠有效擺脫課時(shí)教學(xué)的局限性,能夠讓教師從全局的視角進(jìn)行單元某一課時(shí)教學(xué)各環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì),在設(shè)計(jì)中也能夠更加清晰地落實(shí)單元的核心素養(yǎng)教學(xué)目標(biāo),通過(guò)在不同課時(shí)指向清晰的教學(xué),讓核心素養(yǎng)的落實(shí)在單元整體教學(xué)中體現(xiàn)得更加立體,更加系統(tǒng)和具有層次性.