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．

1 教學(xué)分析

1.1 教材分析

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．

1.2 學(xué)情分析

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．

2 教學(xué)目標(biāo)

“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

3 教學(xué)過(guò)程

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

3.1 任務(wù)1 知道什么是機(jī)械振動(dòng)

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．

3.2 任務(wù)2 探究如何建立彈簧振子模型

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)．

3.3 任務(wù)3 探究如何得到位移-時(shí)間圖像

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

3.4 任務(wù)4 探究x-t圖像是正弦函數(shù)的證明方法

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)．

3.5 任務(wù)5 單元問(wèn)題的提出

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．

4 總結(jié)

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．