(北京市中關(guān)村中學(xué)，北京 100086)

1 教材分析

多普勒效應(yīng)同波的干涉、衍射一樣也是波的共有特性,也是機(jī)械振動的延伸和拓展．本節(jié)內(nèi)容教學(xué)要求雖然層次較低,但由于多普勒效應(yīng)在許多領(lǐng)域都有應(yīng)用,因此在培養(yǎng)學(xué)生能力方面,是非常好的素材．例如可以鞏固、深化和提高學(xué)生對波動理論的認(rèn)識;滲透STS(科學(xué)、技術(shù)、社會)精神;初步培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力．

從學(xué)生認(rèn)知(邏輯)思維的角度看,本節(jié)編寫有兩處極易使學(xué)生產(chǎn)生誤解.

1.1 多普勒效應(yīng)成因機(jī)理

教材之始就陳述:多普勒“經(jīng)過認(rèn)真的研究,發(fā)現(xiàn)波源與觀察者相互靠近或者相互遠(yuǎn)離時(shí),接收到的波的頻率都會發(fā)生變化,并且作出了解釋”,然后提出一個模擬“數(shù)鴨子”的實(shí)驗(yàn)(觀察者運(yùn)動而波源靜止)．學(xué)生由認(rèn)知邏輯會認(rèn)為這個模擬實(shí)驗(yàn)就是用來說明多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的一般機(jī)理:任何情況下多普勒效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理均是因波相對觀察者的速度改變而引起的(包括觀察者不動而波源運(yùn)動時(shí)也是波本身的傳播速度加或減波源的速度而使得波的速度變快或變慢,從而導(dǎo)致觀察者接收到的波頻率變大或變小)．這個模擬實(shí)驗(yàn)在理解多普勒效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理時(shí)既有正面作用也有負(fù)面作用．

1.2 兩種相對運(yùn)動的異同

教材在介紹“數(shù)鴨子”實(shí)驗(yàn)后,便接著指出,“對于聲波和其他波動,情況相似:當(dāng)波源與觀察者相對靜止時(shí),1 s內(nèi)通過觀察者的波峰(或密部)的數(shù)目是一定的,觀察到的頻率等于波源振動的頻率;當(dāng)波源與觀察者相向運(yùn)動時(shí),1 s內(nèi)通過觀察者的波峰(或密部)的數(shù)目增加;反之,當(dāng)波源與觀察者相互遠(yuǎn)離時(shí),觀察到的頻率變小”．這說明了觀察者與波源的相對運(yùn)動情況(“相對靜止”、“相互遠(yuǎn)離”、“相向運(yùn)動”)與多普勒效應(yīng)的定性關(guān)系．此“情況相似”的定性結(jié)論,會使學(xué)生根據(jù)相對運(yùn)動理解成如下錯誤的定量結(jié)論:如觀察者以10 m/s的速度向靜止的某一波源運(yùn)動與該波源以10 m/s的速度向靜止的觀察者運(yùn)動兩種情況,由于觀察者與波源的相對速度相同,便認(rèn)為此兩次觀察者接收到的波的頻率是相等的(其實(shí)不等)．

因此,本節(jié)教材的編寫在定性方面既沒有很好地“解釋多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的原因”,在定量方面也會讓學(xué)生產(chǎn)生誤解．中學(xué)物理教學(xué)兼顧傳授物理知識和發(fā)展學(xué)生思維的雙重任務(wù),其中促進(jìn)學(xué)生的思維發(fā)展需要根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知邏輯把握教學(xué)的時(shí)空次序,即教學(xué)邏輯,讓學(xué)生的科學(xué)思維在進(jìn)階的邏輯中得到發(fā)展．然而,如果教師單純地從教材出發(fā),照本宣科,就會出現(xiàn)邏輯不清,很難引起學(xué)生遞進(jìn)思維發(fā)展的現(xiàn)象．

2 教學(xué)策略

2.1 設(shè)計(jì)模擬實(shí)驗(yàn)全面定性教學(xué)

教材原有的模擬實(shí)驗(yàn)對說明因觀察者運(yùn)動而導(dǎo)致多普勒效應(yīng)的機(jī)理是一個很好的比方,但卻又很遺憾不能說明因波源運(yùn)動而產(chǎn)生多普勒效應(yīng)的機(jī)理．因此,本教學(xué)設(shè)計(jì)(環(huán)節(jié)2，3)增加了利用改進(jìn)的發(fā)波水槽定性實(shí)驗(yàn)結(jié)合多媒體動畫來幫助學(xué)生理解因波源運(yùn)動而導(dǎo)致多普勒效應(yīng)的機(jī)理．

2.2 設(shè)計(jì)觀察者與波源同時(shí)運(yùn)動而產(chǎn)生多普勒效應(yīng)的全面定量教學(xué)

教學(xué)環(huán)節(jié)4可作為深化擴(kuò)展知識進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì),由學(xué)生們根據(jù)已學(xué)相對運(yùn)動的知識去自主探究．無論學(xué)生們在探究中會遇到什么困難,走些什么彎路,得到什么結(jié)果,但他們總是沿著一個明確且正確的大方向在進(jìn)行思考、探索．教師要根據(jù)學(xué)生的實(shí)際水平靈活組合設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)．

3 學(xué)習(xí)者分析

認(rèn)知特點(diǎn):對于多普勒效應(yīng)現(xiàn)象雖在身邊,但大多不曾留意,感性認(rèn)識不足;理論基礎(chǔ)雖有,但不透徹,有認(rèn)識障礙．因此,教學(xué)中要充分發(fā)揮演示實(shí)驗(yàn)的作用,以激發(fā)學(xué)生興趣,調(diào)動學(xué)生熱情．

思維特點(diǎn):高二學(xué)生可以脫離單純的形象思維,建立起抽象思維模式．因此,在教學(xué)中應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用己學(xué)的基礎(chǔ)知識(相對運(yùn)動),通過理論分析和推理判斷來獲得新知識,培養(yǎng)和提高抽象思維能力．當(dāng)然,教學(xué)中仍需以感性認(rèn)識作為依托,借助實(shí)驗(yàn)的形象直觀,促進(jìn)學(xué)生理解和掌握新知識．

4 學(xué)習(xí)目標(biāo)確定

關(guān)于多普勒效應(yīng)的教學(xué),由課程標(biāo)準(zhǔn)可知本節(jié)重在了解和應(yīng)用,適當(dāng)?shù)亟榻B一些多普勒效應(yīng)的物理學(xué)史內(nèi)容及實(shí)際應(yīng)用;但在實(shí)際教學(xué)中也要根據(jù)所教學(xué)生的真實(shí)水平靈活選擇教學(xué)難度,因材施教,否則會制約學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)的發(fā)展．同時(shí)在講解時(shí)應(yīng)充分利用多媒體手段,使教學(xué)過程生動形象,易于理解,以獲得最好的教學(xué)效果．

4.1 從知識技能到物理運(yùn)動觀念

(1) 通過實(shí)驗(yàn)定性感受多普勒效應(yīng)．

(2) 能半定量解釋多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的原因．

(3) 能運(yùn)用已學(xué)的追擊相遇模型定量計(jì)算波源頻率與觀察者接收到的頻率之間的關(guān)系．

4.2 從過程方法到科學(xué)思維探究

通過對多普勒效應(yīng)的觀察、體驗(yàn)、建模、推理、批判和檢驗(yàn)的探究過程,逐漸培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維深刻性、獨(dú)創(chuàng)性、廣闊性和靈活性等思維品質(zhì)．

4.3 從情感態(tài)度價(jià)值觀到科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

通過多普勒效應(yīng)應(yīng)用例舉,讓學(xué)生體會到物理源于生活又服務(wù)于生活,激發(fā)學(xué)生的合作與創(chuàng)新意識,逐漸形成對科學(xué)和技術(shù)應(yīng)有的正確態(tài)度和責(zé)任感．

5 學(xué)習(xí)重點(diǎn)、難點(diǎn)

重點(diǎn):由定性到定量進(jìn)階分析多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的原因及解釋應(yīng)用實(shí)例.

難點(diǎn):運(yùn)用相對運(yùn)動知識定量分析觀察者接收到的頻率發(fā)生變化是本課的難點(diǎn).

6 學(xué)習(xí)評價(jià)設(shè)計(jì)

學(xué)習(xí)過程和效果評價(jià)見表1.

表1 學(xué)習(xí)評價(jià)表

等級評定:A. 80分及80分以上;B. 60分至79分;C. 40分和59分;D. 39分以下．

7 學(xué)習(xí)活動設(shè)計(jì)

環(huán)節(jié)1：游戲引入新課.

教師:利用多媒體分享一段火車無聲擦肩急馳而過的視頻,并詢問精不精彩?

追問1:請你結(jié)合畫面給這段視頻配上火車的汽笛聲,讓它變得精彩!

追問2:他的配音準(zhǔn)確嗎?真實(shí)的汽笛聲是怎樣的?(再次播放有聲視頻,注意音調(diào)的變化)

追問3:波源發(fā)出的音調(diào)(f源)變化了嗎?我們(觀察者)接收到的音調(diào)(f觀)變化了嗎?是什么原因造成的?(引出多普勒效應(yīng)現(xiàn)象概念并簡介發(fā)現(xiàn)史)

學(xué)生任務(wù):學(xué)生實(shí)事求是回答:沒有聲音,不精彩;結(jié)合畫面模擬配音、鼓掌;討論問答(相對運(yùn)動)并總結(jié)出多普勒效應(yīng)現(xiàn)象的概念．(課堂氣氛活躍)

活動意圖:采用游戲的方式引入,既確定了本課基調(diào)(課堂氛圍),調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情,又引出了課題．

環(huán)節(jié)2：定性實(shí)驗(yàn)探究(每桌提供向心力演示儀、音叉、蜂鳴器、細(xì)繩、透明粘膠).

驅(qū)動性問題1:我們能否利用現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)器材在室內(nèi)進(jìn)行多普勒效應(yīng)現(xiàn)象重現(xiàn)?

學(xué)生任務(wù):設(shè)計(jì)聽得見的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象——討論交流并動手探究.

圖1

實(shí)驗(yàn)演示:手持被敲音叉快速(約1m/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),其他學(xué)生將聽到音調(diào)約在4012—3988Hz之間變化,非常明顯(如圖1)．

驅(qū)動性問題2:多普勒效應(yīng)是由于波源與觀察者之間發(fā)生相對運(yùn)動時(shí)而產(chǎn)生的．請大家思考,波源與觀察者發(fā)生相對運(yùn)動有幾種情況?

學(xué)生任務(wù):討論交流,分類列表并猜想表2中的②、③.

表2

圖2

設(shè)計(jì)做得真的實(shí)驗(yàn)過程—— 學(xué)生真人模擬探究②、③:數(shù)鴨子(圖2)．

每位男生代表波面,波面間距為一波長;最左邊男生后面為波源;最右邊男生(第一個波面)與女生觀察者在同一細(xì)繩水平線上;男生運(yùn)動速度代表波速,女生運(yùn)動速度代表觀察者運(yùn)動速度．利用均勻數(shù)數(shù)0～5為一運(yùn)動計(jì)時(shí)單位．通過女生身邊的“過人頻率”類比觀察者接收頻率;在波源不動的前提下,在女生聽到聲音的時(shí)間內(nèi)通過出發(fā)點(diǎn)(細(xì)繩水平線)的“出人頻率”類比波源頻率;通過收集單位時(shí)間內(nèi)波源“出人頻率”與觀察者接收到的“過人頻率”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．

驅(qū)動性問題3:你見過“蜻蜓點(diǎn)水,紫燕穿波”嗎?如果觀察者不動,波源運(yùn)動,波面之間會有什么現(xiàn)象?

圖3

設(shè)計(jì)看得到的實(shí)驗(yàn)原理——觀察發(fā)波水槽實(shí)驗(yàn)(圖3),探究表2中④、⑤．

(用智能手機(jī)將探究實(shí)驗(yàn)④、⑤直接轉(zhuǎn)現(xiàn)到大屏幕上或用多媒體動畫放慢呈現(xiàn)過程,通過實(shí)驗(yàn)觀察,感知物理現(xiàn)象．)

學(xué)生猜想④、⑤并交流:沿波源運(yùn)動方向的波面前密后疏．

過渡性評價(jià)問題: 剛才的模擬及探究活動,你們有沒有覺得不夠嚴(yán)密?不夠科學(xué)?是否有定量的科學(xué)推理?

活動意圖:在科學(xué)研究中定性與半定量的分析方法是行之有效的．若將定性半定量實(shí)驗(yàn)類比于粗調(diào),則定量實(shí)驗(yàn)就相當(dāng)于微調(diào),而實(shí)驗(yàn)總是應(yīng)先粗調(diào)后微調(diào)的．設(shè)計(jì)和利用定性半定量變式實(shí)驗(yàn),可以訓(xùn)練學(xué)生思維的深度、廣度、靈活度,增強(qiáng)學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識解決具體問題的能力;在變式對比中促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)造性思維和變通思維能力的發(fā)展,真正實(shí)現(xiàn)從知識到能力質(zhì)的飛躍,實(shí)現(xiàn)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)和探究能力的提升．因此,本環(huán)節(jié)從多普勒效應(yīng)的現(xiàn)象、原理、過程等方面全面挖掘?qū)嶒?yàn)潛力,讓學(xué)生聽得見、看得到、做得真．

環(huán)節(jié)3：半定量理論探究.

驅(qū)動性問題:設(shè)波源在介質(zhì)中的波長(相鄰波面間距)為λ,聲波相對靜止介質(zhì)或靜止觀察者的傳播速度為v(λ=vT=v/f),波源相對介質(zhì)速度為US,觀察者相對介質(zhì)速度為UR．請按表2中幾種情況半定量證明你們上述猜想的頻率關(guān)系．

學(xué)生任務(wù):討論探究,每組自選一位學(xué)生的推理過程投影大屏幕,其他組學(xué)生評價(jià)．

① 波源與觀察者相對介質(zhì)靜止.

在時(shí)間t內(nèi),聲波相對觀察者傳播距離為vt,觀察者接收到的完全波的個數(shù)(波相對觀察者)為N=vt/λ;觀察者接收頻率為f收=N/t=v/λ=f源．這時(shí)并沒有發(fā)生多普勒效應(yīng)．

② 波源相對介質(zhì)不動,觀察者直線靠近波源.

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

③ 波源相對介質(zhì)不動,觀察者直線遠(yuǎn)離波源.

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

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

(對于①、②、③ 教學(xué):可以類比學(xué)生熟悉的超重和失重原理．在超重和失重現(xiàn)象中,物體實(shí)際的重力是不變的,而只是“視重”(測力計(jì)“顯示的重力”與物體實(shí)際的重力相比發(fā)生了變化．)

④ 觀察者相對介質(zhì)不動,波源直線靠近觀察者.

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

⑤ 觀察者相對介質(zhì)不動,波源直線遠(yuǎn)離觀察者.

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

(對于④、⑤教學(xué):利用直觀形象的動畫演示相對介質(zhì)觀察者不動而波源運(yùn)動,得出聲波相對介質(zhì)的波長(相鄰波面間距)發(fā)生變化的本質(zhì)原因．)

過渡性評價(jià)問題:上述半定量推理過程是否全面?是否還有兩者都運(yùn)動的情況?能否將上述各種情形進(jìn)行整體高度統(tǒng)攝?

活動意圖:教材只由接收波的個數(shù)增加或減少來解釋接收頻率的變化,卻沒有深層次挖掘具體原因,從而導(dǎo)致學(xué)生理解困難．設(shè)置半定量理論探究環(huán)節(jié)的教學(xué)目的就是讓學(xué)生從本質(zhì)上理清觀察者運(yùn)動與波源運(yùn)動導(dǎo)致多普勒效應(yīng)機(jī)理的異同．如果在一個簡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．

環(huán)節(jié)4：高度定量探究.

驅(qū)動性問題1:從運(yùn)動學(xué)角度看,聲波傳播和觀察者運(yùn)動之間具有兩物追及相遇特征．由此,能否靈活應(yīng)用解決追及相遇問題的方法來遷移解決多普勒效應(yīng)現(xiàn)象?

圖4

如圖4,聲源S和觀察者A都沿x軸正方向運(yùn)動,相對于地面的速度分別為US和UR,空氣中聲音傳播的速率為vP,設(shè)US

建模引導(dǎo)1:聲源S和觀察者A分別做什么運(yùn)動?兩者初位置有什么關(guān)系?如何畫出運(yùn)動情景圖及s-t圖?

建模引導(dǎo)2:① 如果在0時(shí)刻波源按了一下喇叭,聲波傳播的s-t圖如何畫? ② 經(jīng)時(shí)間間隔T0再按了一下喇叭,聲波傳播的s-t圖又如何畫出? ③ 觀察者兩次聽到聲音的時(shí)間間隔T收如何表示?

學(xué)生討論1:運(yùn)用邏輯思維高度歸納出波源與觀察者各種運(yùn)動時(shí)的情況:US、UR、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4所示.

(學(xué)生邊討論邊畫s-t圖,再由平面幾何列出式子)

ab=(vP-US)T0=(vP-UR)T收，

驅(qū)動性問題2:由矢量公式得

可知,當(dāng)三者同線都做勻速運(yùn)動時(shí),f收是恒定值,觀察者是不會感到音調(diào)變化的．只有在火車從觀察者身邊擦肩而過時(shí),接收頻率才會從大于波源頻率突然變?yōu)樾∮诓ㄔ搭l率,觀察者才會感覺到音調(diào)由高到低瞬時(shí)變化,但其他任何時(shí)刻都不會感覺到音調(diào)在變化．請你評價(jià)一下教材中的定義準(zhǔn)確嗎?但為什么火車從身邊勻速駛過時(shí),音調(diào)(頻率)又是變化的?

圖5

學(xué)生討論2:由于波源和觀察者之間有相對運(yùn)動,使觀察者所接收到的頻率與波源的振動頻率不同的現(xiàn)象叫多普勒效應(yīng)．(注意表述的嚴(yán)謹(jǐn)性:多普勒效應(yīng)不能說成觀察者觀察到的頻率逐漸變大或逐漸變小的現(xiàn)象)．對于機(jī)械波,三者必須是徑向相對運(yùn)動速度(圖5),即

f收逐漸變化是由于cosθ漸變造成的．將90°代入上式計(jì)算,我們會發(fā)現(xiàn)波的頻率不發(fā)生變化,也就是說機(jī)械波只有徑向多普勒效應(yīng)而沒有橫向多普勒效應(yīng),但電磁波、光波存在橫向多普勒效應(yīng)．

活動意圖: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)又是一門高度定量化的學(xué)科,許多物理問題都離不開測量,有些還需要十分精確的測量．要想對一個問題進(jìn)行高度統(tǒng)攝探究,就要先對問題居高臨下,統(tǒng)觀全局,從整體上做定性思考,才有可能抓住問題的本質(zhì)．美國數(shù)學(xué)家斯蒂恩說:“如果將一個問題轉(zhuǎn)化為一個圖形,就從整體上把握了問題的實(shí)質(zhì),從而創(chuàng)造性思索問題的解法．”因此,我們要類比運(yùn)動建模,通過物理圖像,形成物理表象．基于運(yùn)動學(xué)s-t圖像的多普勒效應(yīng)公式推導(dǎo),確實(shí)方便簡單,避免了大量而復(fù)雜的計(jì)算．

環(huán)節(jié)5：檢驗(yàn)探究.

圖6

師生實(shí)驗(yàn)探究:如圖6(a),把蜂鳴器與鑰匙環(huán)捆綁固定;將約6 m長的細(xì)電線穿過鑰匙環(huán),將細(xì)電線一端低置于地面上,另一端請身高最高的學(xué)生舉過頭頂,讓蜂鳴器由高向低快速下滑如圖6(b)．教師利用DIS聲音傳感器監(jiān)測;學(xué)生打開iPhone手機(jī)中的“頻率計(jì)”軟件,調(diào)至“FFT”工作模式．師生明顯看到蜂鳴器靠近時(shí)音調(diào)(頻率數(shù)據(jù))變高,遠(yuǎn)離時(shí)音調(diào)變低．(課堂氣氛更趨活躍)

(1) 交通應(yīng)用:多普勒測(流)速.

驅(qū)動性問題1:請給交警設(shè)計(jì)一套測量汽車速度的方案.

學(xué)生任務(wù):提出各種方案,通過交流,最終認(rèn)為由交警同時(shí)拿著波源和接收裝置,通過反射波頻率的變化來測量汽車速度的方案為好．

實(shí)驗(yàn)檢測:運(yùn)用多普勒測速儀測量學(xué)生移動的速度,實(shí)物投影顯示測速儀上的具體示數(shù)．

(2) 天文應(yīng)用:光譜紅移.

圖7

學(xué)生任務(wù):模擬光譜紅移并解釋(圖7).

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,主星也會受到行星的引力作用而不定搖擺(即學(xué)生的頭會搖擺)．

學(xué)生討論交流:主星擺動向你靠近時(shí),輻射到地球的光波被壓縮;主星擺動向你遠(yuǎn)離時(shí),輻射到地球的光波被拉伸．人類的眼睛看到的是顏色的變化,在地球上通過望遠(yuǎn)鏡觀察主星的星光時(shí)發(fā)現(xiàn)光波壓縮偏藍(lán)(藍(lán)移)、拉伸偏紅(紅移)．觀測到這種光波顏色變化的效果就是光波的多普勒效應(yīng)．由光波的多普勒效應(yīng)便可測出某一星球(恒星)相對于我們地球的徑向速度．

(拓展:多普勒效應(yīng)在交通測速、醫(yī)用“彩超”、衛(wèi)星定位、天文紅移,甚至戰(zhàn)爭等各個領(lǐng)域中的應(yīng)用．)

活動意圖:在科學(xué)探究中離不開實(shí)驗(yàn)．任何科學(xué)的結(jié)論都必須經(jīng)過實(shí)驗(yàn)的檢驗(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,利用自制教具(模擬火車鳴笛駛過、模擬交警測速、模擬光譜紅移)重現(xiàn)多普勒效應(yīng)而讓學(xué)生親身感受現(xiàn)象,降低了聲、光波多普勒效應(yīng)不易感受辨別的缺陷;在定量分析上做出驗(yàn)證,降低了學(xué)習(xí)難度;在科學(xué)態(tài)度與責(zé)任方面,增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣及研究熱情．這真正體現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)的魅力,也是物理學(xué)科的魅力所在．

環(huán)節(jié)6：辯證思維探究.

學(xué)生任務(wù):討論并交流——只有當(dāng)三者同線勻速運(yùn)動且vP>US、vP>UR時(shí),f收為正,才產(chǎn)生多普勒效應(yīng);前者是f→0;后者是f→∞,早已超過人耳能聽見的范圍,多普勒效應(yīng)則失去了物理意義．(教師強(qiáng)調(diào)物理現(xiàn)象與規(guī)律的相對性)

驅(qū)動性問題2:如今隨著科技的發(fā)展,是否存在波源運(yùn)動的速度US>vP現(xiàn)象?可能會帶來什么現(xiàn)象?

圖8

學(xué)生任務(wù):搜索資料并討論交流——如圖8超音速飛機(jī)．這樣必會使波面擠壓在一起形成音障(如圖8馬赫錐)．這時(shí)氣動阻力劇增,飛機(jī)要突破音障就需要發(fā)動機(jī)有更大的推力．當(dāng)飛機(jī)突破音障時(shí)還會產(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)

活動意圖：一個物理變化過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,去剖析物理過程的實(shí)質(zhì),從而促進(jìn)辯證思維能力的發(fā)展．

8 教學(xué)反思

教材內(nèi)容的編排是遵從知識內(nèi)在的邏輯順序即“知識進(jìn)階序”的,而學(xué)生的認(rèn)知也有一個由表及里、從感性到理性、從定性到定量的發(fā)展規(guī)律即“認(rèn)知進(jìn)階序”．教師備課時(shí)需要在分析“知識進(jìn)階序”、“認(rèn)知進(jìn)階序”的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)出符合學(xué)生認(rèn)知規(guī)律、教學(xué)邏輯關(guān)系清晰的“教學(xué)進(jìn)階序”．

8.1 本課采用基于定性分析到定量探究的學(xué)習(xí)(認(rèn)知)進(jìn)階策略

本教學(xué)設(shè)計(jì)運(yùn)用定性、半定量及高度定量的漸變思維方式進(jìn)階學(xué)習(xí)多普勒效應(yīng)成因機(jī)理，既利于培養(yǎng)學(xué)生分析與解決實(shí)際問題的能力,增強(qiáng)科學(xué)洞察力與判斷力,又激發(fā)了他們的求知欲與創(chuàng)新精神．

8.2 本課采用“引導(dǎo)探究、參與活動”的教學(xué)策略

將學(xué)生置身于實(shí)際環(huán)境中,切身感受多普勒效應(yīng)現(xiàn)象,可以使學(xué)生產(chǎn)生認(rèn)同心理,這實(shí)際是共同經(jīng)驗(yàn)教學(xué)原理的應(yīng)用．然后通過多媒體動畫演示和實(shí)例應(yīng)用,從多方位、多角度進(jìn)行認(rèn)知上的刺激,增強(qiáng)感性認(rèn)識．在學(xué)生有了豐富的感性認(rèn)識后,最后再上升到理性認(rèn)識,引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行多普勒效應(yīng)現(xiàn)象的理論分析,以此來培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)方法和科學(xué)思維．

8.3 本課采用“教學(xué)微設(shè)計(jì)”策略培養(yǎng)學(xué)生多項(xiàng)學(xué)科素養(yǎng)

例如形成經(jīng)典物理的運(yùn)動觀念;建構(gòu)理想模型的意識和能力;能正確運(yùn)用科學(xué)思維方法,從定性到定量學(xué)習(xí)進(jìn)階進(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)際問題;形成科學(xué)探究意識,能在學(xué)習(xí)和日常生活中發(fā)現(xiàn)問題、提出合理猜測與假設(shè),能準(zhǔn)確表達(dá)、評估和反思探究過程與結(jié)果;能正確認(rèn)識科學(xué)本質(zhì),理解科學(xué)·技術(shù)·社會·環(huán)境的關(guān)系等等．《高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》指出,“教師要善于結(jié)合實(shí)際教學(xué)需要,靈活地和有創(chuàng)造性地使用教材,對教材內(nèi)容、編排順序、教學(xué)方法等方面進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整或取舍”．教學(xué)微設(shè)計(jì)多樣化可以方便教師根據(jù)學(xué)生實(shí)際水平重構(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))．

基于定性分析定量探究的學(xué)習(xí)進(jìn)階是根據(jù)學(xué)生實(shí)際情況確定的連貫且逐漸深入的典型發(fā)展路徑．因此,中學(xué)物理教師在教學(xué)研究中不能只囿于中學(xué)物理知識的限制,而應(yīng)以學(xué)生核心素養(yǎng)發(fā)展為目標(biāo),關(guān)注物理觀念和科學(xué)思維的融合發(fā)展,不僅要對物理問題作出定性分析,還要運(yùn)用更高深的物理知識或數(shù)學(xué)方法進(jìn)行定量探究．只有這樣,才能在教學(xué)中游刃有余、收放自如,真正把物理核心素養(yǎng)落實(shí)在教學(xué)的每一堂課之中．