應(yīng)發(fā)寶

(北京市中關(guān)村中學(xué)，北京 100086)

基于核心素養(yǎng)發(fā)展的教學(xué)微設(shè)計(jì)
——以“多普勒效應(yīng)”為例

應(yīng)發(fā)寶

(北京市中關(guān)村中學(xué)，北京 100086)

教學(xué)微設(shè)計(jì)就是將理論性強(qiáng)的、邏輯嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?、知識(shí)系統(tǒng)化的教學(xué)內(nèi)容解構(gòu)為一個(gè)一個(gè)特定微主題的教學(xué)碎片,具有目標(biāo)單純、內(nèi)容精簡(jiǎn)、主題突出、指向(包括資源設(shè)計(jì)指向、教學(xué)活動(dòng)指向等)明確的特點(diǎn)．其設(shè)計(jì)內(nèi)容可以是圍繞某個(gè)教學(xué)主題、某個(gè)課程目標(biāo)或某項(xiàng)學(xué)科素養(yǎng)而展開(kāi)的．教學(xué)微設(shè)計(jì)多樣化可以方便教師重構(gòu)教材、重組教學(xué),從追求發(fā)現(xiàn)“把一切事物教給一切人們的全部(或統(tǒng)一)藝術(shù)”的大教學(xué)論轉(zhuǎn)向追求建立“把不同的內(nèi)容教給不同的人的多樣化的科學(xué)理論”的微教學(xué)論(即因材施教,因?qū)W而設(shè))．

在“多普勒效應(yīng)”這節(jié)課中,通過(guò)教學(xué)微設(shè)計(jì)可以很好地培養(yǎng)學(xué)生多項(xiàng)學(xué)科素養(yǎng):形成經(jīng)典物理的運(yùn)動(dòng)觀念;建構(gòu)理想模型的意識(shí)和能力;能正確運(yùn)用科學(xué)思維方法,從定性與定量?jī)蓚€(gè)方面進(jìn)行科學(xué)推理、找出規(guī)律、形成結(jié)論,并能解釋自然現(xiàn)象和解決實(shí)際問(wèn)題;形成科學(xué)探究意識(shí),能在學(xué)習(xí)和日常生活中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出合理猜測(cè)與假設(shè),能準(zhǔn)確表達(dá)、評(píng)估和反思探究過(guò)程與結(jié)果;能正確認(rèn)識(shí)科學(xué)本質(zhì),理解科學(xué)·技術(shù)·社會(huì)·環(huán)境的關(guān)系等等．

1 定性實(shí)驗(yàn)探究微設(shè)計(jì)

在科學(xué)探究中離不開(kāi)實(shí)驗(yàn)．物理實(shí)驗(yàn)不僅是高中物理課程的一項(xiàng)教學(xué)內(nèi)容,它同時(shí)也是一個(gè)重要目標(biāo)．高中《物理課程標(biāo)準(zhǔn)》把 “科學(xué)探究及物理實(shí)驗(yàn)?zāi)芰σ蟆?跟 “共同必修模塊”、“選修模塊”一起,作為《物理課程標(biāo)準(zhǔn)》中 “內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)” 的三個(gè)一級(jí)主題,可見(jiàn)物理實(shí)驗(yàn)在新課程中的重要地位．物理實(shí)驗(yàn)所扮演的角色遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是解決物理問(wèn)題的手段和工具,它同時(shí)體現(xiàn)了重要的科學(xué)觀念．任何科學(xué)的結(jié)論都必須經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)的考驗(yàn),實(shí)驗(yàn)是檢驗(yàn)理論的最終標(biāo)準(zhǔn)．實(shí)驗(yàn)教學(xué)更是發(fā)展學(xué)生物理核心素養(yǎng)的有效途徑．因此,本課可從多普勒效應(yīng)的現(xiàn)象、原理、應(yīng)用等方面全面發(fā)掘?qū)嶒?yàn)潛力,讓學(xué)生聽(tīng)得見(jiàn)、看得到、做得真．

1.1 聽(tīng)得見(jiàn)的現(xiàn)象

(1) 旋轉(zhuǎn)演示法.將蜂鳴器及電池盒系在細(xì)繩一端,學(xué)生手持細(xì)繩另一端過(guò)頭頂做圓周旋轉(zhuǎn)或?qū)⑵涔潭ㄔ谙蛐牧ρ菔緝x上快速旋轉(zhuǎn)(相對(duì)安全),讓學(xué)生注意聽(tīng)音調(diào)的變化，如圖1(a)．

圖1

(2) 平動(dòng)演示法.音叉發(fā)音頻率為f發(fā)=4000 Hz,手持被敲音叉快速(約1 m/s)推出、快速縮回，反復(fù)靠近、遠(yuǎn)離學(xué)生．只要聲音持續(xù),學(xué)生將聽(tīng)到音調(diào)約在4012～3988 Hz之間變化,非常明顯．(聲源的速率vS=1 m/s,聲波的速度vP=340 m/s．音叉靠近時(shí),學(xué)生接受到的頻率約為f收=4012 Hz,增加1/340=0.3%;音叉遠(yuǎn)離時(shí),學(xué)生接受到的頻率約為f收=3988 Hz,減少1/340=0.3%)，如圖1(b).

1.2 看得到的原理

圖2

通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察,感知物理現(xiàn)象．

(1) 發(fā)波水槽實(shí)驗(yàn)(如圖2波源移動(dòng)).

觀察波源移動(dòng)的正前方和正后方的波面疏密變化．方法①： 在水槽上方橫放一水平軌道,讓振源在水平軌道上勻速滑動(dòng)(觀察者不動(dòng)),保證振針在水中的深度．方法②： 采用水循環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)介質(zhì)相對(duì)波源移動(dòng),等效于波源相對(duì)觀察者移動(dòng)．調(diào)節(jié)振源與頻閃光源的頻率,使波源的振動(dòng)頻率與頻閃光源頻率相同,基于頻閃原理,可觀察到穩(wěn)定不動(dòng)的水波．觀察者感受到在波源移動(dòng)的正前方波長(zhǎng)短,正后方波長(zhǎng)長(zhǎng)．

(2) 真人模擬實(shí)驗(yàn)(數(shù)鴨子).

每位男生代表波面,間距為一手臂長(zhǎng),即波長(zhǎng);最左邊男生后面為波源;最右邊男生(第一個(gè)波面)與女生觀察者在同一細(xì)繩水平線上;男生運(yùn)動(dòng)速度代表波速,女生運(yùn)動(dòng)速度代表觀察者運(yùn)動(dòng)速度．利用均勻數(shù)數(shù)0～5為一運(yùn)動(dòng)計(jì)時(shí)單位．通過(guò)女生身邊的“過(guò)人頻率”類(lèi)比觀察者接收頻率;在波源不動(dòng)的前提下,通過(guò)出發(fā)點(diǎn)(細(xì)繩水平線)的“出人頻率”類(lèi)比波源頻率;通過(guò)收集單位時(shí)間內(nèi)波源“出人頻率”與觀察者接收到的“過(guò)人頻率”的具體數(shù)據(jù),讓學(xué)生得到觀察者接收頻率與波源頻率關(guān)系的結(jié)論．

如圖3a、b,波源不動(dòng),觀察者靠近波源,波源“出人頻率”為4,觀察者接收到的“過(guò)人頻率”為6．如圖3c,波源不動(dòng),觀察者遠(yuǎn)離波源,波源“出人頻率”為4,觀察者接收到的“過(guò)人頻率”為2．如圖3d,觀察者不動(dòng),波源遠(yuǎn)離觀察者,則男生代表波面的間距改為一臂半長(zhǎng),如圖觀察者接收到的“過(guò)人頻率”為3．如圖3e,觀察者不動(dòng),波源靠近觀察者,則男生代表波面的間距改為半臂長(zhǎng),如圖觀察者接收到的“過(guò)人頻率”為6．注意,只要波源運(yùn)動(dòng),通過(guò)出發(fā)點(diǎn)(細(xì)繩水平線)的“出人頻率”就不能再類(lèi)比波源的頻率,波源的頻率恒定為圖3b中的“出人頻率”,即為4．

圖3

(3) 探究實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn).

圖4

如圖4,把蜂鳴器與鑰匙環(huán)捆綁固定，將約6 m長(zhǎng)的細(xì)電線穿過(guò)鑰匙環(huán),將細(xì)電線一端低置于地面上,另一端請(qǐng)身高最高的學(xué)生舉過(guò)頭頂,讓蜂鳴器由高向低快速下滑．學(xué)生用智能手機(jī)下載頻率器、教師用DIS聲音傳感器共同監(jiān)測(cè)接收到的頻率數(shù)據(jù)變化．師生明顯看到蜂鳴器靠近時(shí)音調(diào)變高,遠(yuǎn)離時(shí)音調(diào)變低．(此時(shí)課堂氣氛更趨活躍)

1.3 做得真的應(yīng)用

多普勒效應(yīng)是波動(dòng)過(guò)程共有的特征,不僅機(jī)械波,電磁波和光波也會(huì)發(fā)生多普勒效應(yīng).因此,多普勒效應(yīng)在交通、醫(yī)學(xué)、衛(wèi)星、天文,甚至戰(zhàn)爭(zhēng)等各個(gè)領(lǐng)域中都有應(yīng)用．

(1) 交通應(yīng)用:多普勒測(cè)(流)速.

探究問(wèn)題:同學(xué)們能不能給交警設(shè)計(jì)一套測(cè)量汽車(chē)速度的方案呢?

學(xué)生提出各種方案,通過(guò)交流,最終認(rèn)為由交警同時(shí)拿著波源和接收裝置,通過(guò)反射波頻率的變化來(lái)測(cè)量汽車(chē)速度的方案為好．

實(shí)驗(yàn)檢測(cè):運(yùn)用多普勒測(cè)速儀測(cè)量學(xué)生移動(dòng)的速度,實(shí)物投影顯示測(cè)速儀上的具體示數(shù)．(學(xué)生滿(mǎn)懷喜悅參與、觀察實(shí)驗(yàn),此時(shí)課堂教學(xué)氣氛再次達(dá)到高潮．)

(2) 天文應(yīng)用:光譜紅移.

圖5

學(xué)生演示(如圖5):學(xué)生的頭代表主星,網(wǎng)球代表行星．行星受到主星的引力作用而環(huán)繞主星,主星也會(huì)受到行星的引力作用而不定搖擺(也就是學(xué)生的頭會(huì)搖擺)．

在地球上通過(guò)望遠(yuǎn)鏡觀察,即使你看不到行星,也能看到主星的擺動(dòng)．這雖然很難直接觀察到,但可以看到星光的光譜頻移．主星擺動(dòng)向你靠近時(shí),輻射到地球的光波被壓縮;主星擺動(dòng)向你遠(yuǎn)離時(shí),輻射到地球的光波被拉伸．人類(lèi)的眼睛看到的是顏色的變化,你就會(huì)發(fā)現(xiàn)光波壓縮偏藍(lán)(藍(lán)移)、拉伸偏紅(紅移)．在望遠(yuǎn)鏡中能觀測(cè)到這種光波顏色的變化,這種效果就是光波的多普勒效應(yīng)．由此我們可以測(cè)出某一星球(恒星)相對(duì)于我們地球的徑向速度．大部分恒星的光譜(由恒星大氣中的原子和分子產(chǎn)生)中都有一條來(lái)自鈣元素的譜線——鈣K線,在實(shí)驗(yàn)室精測(cè)λ=3933.664?;我們的天文學(xué)家曾在觀測(cè)恒星天兔座δ的紅移量時(shí),測(cè)得由它大氣中的鈣元素產(chǎn)生的λ測(cè)=λ+1.298?,存在紅移,這意味著它與地球正在相互遠(yuǎn)離．恒星光譜的紅移現(xiàn)象為宇宙大爆炸理論提供了有力的證據(jù)．

評(píng)價(jià)探究活動(dòng):上述模擬及探究活動(dòng)有沒(méi)有覺(jué)得不夠嚴(yán)密?不夠科學(xué)?是否有定量的科學(xué)推理?

2 半定量理論探究微設(shè)計(jì)

趙凱華教授指出:“當(dāng)一位成熟的物理學(xué)家進(jìn)行探索性的科學(xué)研究時(shí),常常從定性的或半定量的方法入手．他們通過(guò)定性的思考或半定量的實(shí)驗(yàn),力求先對(duì)問(wèn)題的性質(zhì)、解的概貌取得一個(gè)總體的估計(jì)和理解．否則一下子陷入細(xì)枝末節(jié)的探討,往往會(huì)一葉障目,只見(jiàn)樹(shù)木,不見(jiàn)森林．”——這就是定性與半定量的研究方法．如果在一個(gè)簡(jiǎn)單的定性分析中已看到成功的希望,則可以著手進(jìn)行更深入更精確的高度定量研究．

2.1 波源與觀察者相對(duì)介質(zhì)靜止,兩頻率的關(guān)系

設(shè)波源在介質(zhì)中的波長(zhǎng)(相鄰波面的間距)為λ,聲波相對(duì)介質(zhì)或觀察者的傳播速度為v(λ=vT=v/f)．在時(shí)間t內(nèi),聲波相對(duì)觀察者傳播距離為vt,觀察者接收到的完全波的個(gè)數(shù)(波相對(duì)觀察者)為N=vt/λ;觀察者接收頻率為f收=N/t=v/λ=f源．這時(shí)并沒(méi)有發(fā)生多普勒效應(yīng)．

2.2 波源相對(duì)介質(zhì)不動(dòng),觀察者朝波源運(yùn)動(dòng)(同一直線)

在時(shí)間t內(nèi),聲波相對(duì)觀察者傳播距離為(v+vR)t,觀察者接收到的完全波的個(gè)數(shù)為N=(v+vR)t/λ;觀察者接收頻率為f收=N/t=v/λ=(v+vR)f源/v．

2.3 波源相對(duì)介質(zhì)不動(dòng),觀察者遠(yuǎn)離波源運(yùn)動(dòng)(同一直線)

在時(shí)間t內(nèi),聲波相對(duì)觀察者傳播距離為(v-vR)t,觀察者接收到的完全波的個(gè)數(shù)為N=(v-vR)t/λ;觀察者接收頻率為f收=N/t=v/λ=(v-vR)f源/v．

師生總結(jié):只要波源及介質(zhì)不動(dòng),聲波相對(duì)介質(zhì)的波長(zhǎng)(相鄰波面的間距)λ、傳播速度v就不變．觀察者運(yùn)動(dòng),使聲波相對(duì)觀察者傳播速度(距離)發(fā)生了變化．

2.4 觀察者相對(duì)介質(zhì)不動(dòng),波源靠近觀察者運(yùn)動(dòng)(同一直線)

波源相對(duì)介質(zhì)的波長(zhǎng)(相鄰波面的間距)為λ′=λ-vST,聲波相對(duì)介質(zhì)(觀察者)傳播速度均為v．在時(shí)間t內(nèi),聲波相對(duì)觀察者傳播距離為vt,觀察者接收到的完全波的個(gè)數(shù)為N=vt/λ′=vt/(λ-vST);觀察者接收頻率為f收=N/t=v/(λ-vST)=vf源/(v-vS)．

2.5 觀察者相對(duì)介質(zhì)不動(dòng),波源遠(yuǎn)離觀察者運(yùn)動(dòng)(同一直線)

波源相對(duì)介質(zhì)的波長(zhǎng)(相鄰波面的間距)為λ′=λ+vST,聲波相對(duì)介質(zhì)(觀察者)傳播速度均為v．在時(shí)間t內(nèi),聲波相對(duì)觀察者傳播距離為vt,觀察者接收到的完全波的個(gè)數(shù)為N=vt/λ′=vt/(λ+vST);觀察者接收頻率為f收=N/t=v/(λ+vST)=vf源/(v+vS)．

評(píng)價(jià)探究活動(dòng):上述半定量推理過(guò)程是否全面?是否還有兩者都運(yùn)動(dòng)的情況?能否將上述各種情形進(jìn)行整體高度統(tǒng)攝?

3 高度定量探究微設(shè)計(jì)

在物理教學(xué)中,運(yùn)用定性、半定量與高度定量研究方法分析物理現(xiàn)象和實(shí)際問(wèn)題有利于培養(yǎng)學(xué)生分析與解決實(shí)際問(wèn)題的能力,增強(qiáng)科學(xué)洞察力與判斷力,激發(fā)他們的求知欲與創(chuàng)新精神,提高其科學(xué)素養(yǎng)．

要想對(duì)一個(gè)問(wèn)題進(jìn)行高度統(tǒng)攝探究,就要先對(duì)問(wèn)題居高臨下,統(tǒng)觀全局,從整體上做定性思考,才有可能抓住問(wèn)題的本質(zhì)．美國(guó)數(shù)學(xué)家斯蒂恩說(shuō):“如果將一個(gè)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為一個(gè)圖形,就從整體上把握了問(wèn)題的實(shí)質(zhì),從而創(chuàng)造性思索問(wèn)題的解法．”因此,我們要通過(guò)物理圖像,形成物理表象．

問(wèn)題:從運(yùn)動(dòng)學(xué)的角度看,聲波的傳播和觀察者的運(yùn)動(dòng)之間具有兩物體運(yùn)動(dòng)的相遇特征．由此,能否靈活應(yīng)用解決追及相遇問(wèn)題的方法來(lái)遷移解決多普勒效應(yīng)現(xiàn)象?

圖6

如圖6,聲源S和觀察者A都沿x軸正方向運(yùn)動(dòng),相對(duì)于地面的速度分別為vS和vR,空氣中聲音傳播的速率為vP,設(shè)vS

學(xué)生討論,運(yùn)用邏輯思維高度歸納出波源與觀察者各種運(yùn)動(dòng)時(shí)的情況:矢量vS、vR、vP,與規(guī)定正方向同向?yàn)檎?與規(guī)定正方向反向?yàn)樨?fù)，如圖6所示.由圖6知，

ab=(vP-vS)T0=(vP-vR)T收，

評(píng)價(jià)探究活動(dòng):定性或半定量是一種戰(zhàn)略性的研究方法．它能以較小的代價(jià)得到事半功倍的效果．物理學(xué)家在進(jìn)行探索性實(shí)驗(yàn)研究中,往往都是從定性或半定量實(shí)驗(yàn)入手的．同時(shí),物理學(xué)又是一門(mén)高度定量化的學(xué)科,許多物理問(wèn)題都離不開(kāi)測(cè)量,有些還需要十分精確的測(cè)量．定性或半定量研究相當(dāng)于粗調(diào),高度定量研究相當(dāng)于微調(diào),分析解決實(shí)際問(wèn)題總應(yīng)是先粗調(diào)后微調(diào)的．

4 辯證思維探究微設(shè)計(jì)

范圍是什么?

學(xué)生討論并交流:只有當(dāng)三者同線勻速運(yùn)動(dòng)且vP>vS、vP>vR時(shí),f收為正,才產(chǎn)生多普勒效應(yīng)．(教師強(qiáng)調(diào)物理現(xiàn)象與規(guī)律的相對(duì)性)

追問(wèn):如果當(dāng)觀察者遠(yuǎn)離速率vR→波速vP時(shí),接收到的頻率是多少?如果當(dāng)波源靠近速率vS→波速vP時(shí),接收到的頻率又是多少?

學(xué)生討論并交流:前者是f→0;后者是f→∞,早已超過(guò)人耳能聽(tīng)見(jiàn)的范圍,此時(shí)多普勒效應(yīng)則失去了物理意義．

圖7

教師介紹:如今隨著科技的發(fā)展,波源運(yùn)動(dòng)的速度vS>波速vP是必然的,如超音速飛機(jī)．這樣必會(huì)使波面擠壓在一起形成音障(如圖7馬赫錐)．這時(shí)氣動(dòng)阻力劇增,飛機(jī)要突破音障就需要發(fā)動(dòng)機(jī)有更大的推力．當(dāng)飛機(jī)突破音障時(shí)還會(huì)產(chǎn)生沖擊波所引起的巨大響聲(音爆)． (教師強(qiáng)調(diào)量變與質(zhì)變的辯證統(tǒng)一性)

評(píng)價(jià)探究活動(dòng):一個(gè)物理變化過(guò)程總是從量的漸變引起質(zhì)的突變．漸變向突變的轉(zhuǎn)化,往往是在事物達(dá)到某種極端的狀態(tài)之后出現(xiàn)的,事物達(dá)到高峰就會(huì)向?qū)α⒚孓D(zhuǎn)化．突變向漸變的轉(zhuǎn)化往往是在事物發(fā)生突變后,在新質(zhì)的規(guī)定下,出現(xiàn)平穩(wěn)的變化狀態(tài),這是一切物理過(guò)程所遵循的基本法則．在物理學(xué)習(xí)中,我們必須運(yùn)用這一法則,去剖析物理過(guò)程的實(shí)質(zhì),從而促進(jìn)辯證思維能力的發(fā)展．

綜上所述,教學(xué)微設(shè)計(jì)是一種目標(biāo)精微、主題明確、內(nèi)容短小的有效備課方式,可以促使我們通過(guò)具體而微的教學(xué)實(shí)踐去發(fā)展學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)及能力．

2017-04-12)

本文系北京市海淀區(qū)十二五重點(diǎn)關(guān)注課題“中學(xué)物理自制教(學(xué))具生活化的策略研究”(編號(hào):HDGH2015039)部分研究成果．