丁 軍

(江蘇省泰興市教師發(fā)展中心，江蘇 泰州 225400)

在教學(xué)領(lǐng)域，人們一直很重視對概念教學(xué)的研究，概念教學(xué)既是學(xué)科教學(xué)的出發(fā)點(diǎn)，也是學(xué)科教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，更是教會學(xué)生應(yīng)用理論知識解決生產(chǎn)、生活實(shí)際問題的主陣地。因此，教師要靈活應(yīng)用在物理教學(xué)過程中建構(gòu)的學(xué)科教學(xué)知識(PCK)，高效地幫助學(xué)生重組知識結(jié)構(gòu)、形成物理觀念。

1 PCK的內(nèi)涵

2012年《中學(xué)教師專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(試行)》將PCK列為中學(xué)教師專業(yè)知識要素中的核心知識，PCK是課程知識、學(xué)科知識、教學(xué)知識和學(xué)生知識的綜合知識(圖1)，是教師將個體的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)與學(xué)科內(nèi)容知識和教育學(xué)理論相整合，是教師對自己專業(yè)理解的特定形式，其核心內(nèi)涵在于教師將學(xué)科知識轉(zhuǎn)化為學(xué)生可接受的形式。[1]

圖1

2 基于PCK的物理概念教學(xué)策略

基于PCK的高中物理概念教學(xué)是教師針對學(xué)生的不同興趣和能力，利用自身的專業(yè)知識、教育理論及多年教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，對物理概念教學(xué)進(jìn)行有效的組織、調(diào)整、呈現(xiàn)與內(nèi)化，最終將學(xué)科知識“轉(zhuǎn)化”為學(xué)生核心素養(yǎng)的一種“教學(xué)智能”過程(圖2)。[1]這就要求物理教師對學(xué)科知識掌握全面、理解深刻，而且還能將豐富的學(xué)科教學(xué)知識在教學(xué)中綜合應(yīng)用，需在課前精心教學(xué)設(shè)計，在課中精準(zhǔn)教學(xué)實(shí)施，引領(lǐng)學(xué)生充分內(nèi)化提升，高效完成課前預(yù)設(shè)的教學(xué)任務(wù)，培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)。

圖2

3 基于PCK的“簡諧運(yùn)動”教學(xué)案例

筆者以人教版選修3-4“簡諧運(yùn)動”第一課時的教學(xué)為例，展示中學(xué)物理概念教學(xué)過程。

3.1 創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，促進(jìn)知識重組

《高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》一再強(qiáng)調(diào)真實(shí)情境的創(chuàng)設(shè)，只有真實(shí)情境才能與學(xué)生的生活建立真正的聯(lián)系，學(xué)生才能用聯(lián)想的方式調(diào)取自己的經(jīng)驗(yàn)，使學(xué)生學(xué)習(xí)到的知識與自己的經(jīng)驗(yàn)有效結(jié)構(gòu)化，并成為下一次學(xué)習(xí)的經(jīng)驗(yàn)，本節(jié)課主要創(chuàng)設(shè)了以下4個情境。

情境1：播放視頻，引入擺鐘的擺動、音叉、水中浮標(biāo)的上下浮動、樹梢在微風(fēng)中的搖擺(圖3)，以上現(xiàn)象沒有全部用動畫演示，目的就是讓學(xué)生處于自然中、日常生活中，讓學(xué)生通過觀察與聯(lián)想調(diào)取自己的生活經(jīng)驗(yàn)。

圖3

情境2：在拓展環(huán)節(jié)中，教師追問：“你能否再舉一個生活實(shí)例？”使學(xué)生頭腦中呈現(xiàn)出更多的生活經(jīng)驗(yàn)，提取出振動實(shí)例，激發(fā)了學(xué)生主動學(xué)習(xí)的欲望與動力。

情境3：本節(jié)課為學(xué)生提供了以下實(shí)驗(yàn)器材：直尺、彈簧與鉤碼及豎直與水平放置的彈簧振子(圖4)，都是為學(xué)生創(chuàng)造真實(shí)情境而作的準(zhǔn)備，充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)器材的作用，讓學(xué)生突破思維障礙，理清思路。

圖4

情境4：如圖5所示，讓學(xué)生用圓珠筆或鉛筆沿直尺邊沿來回畫直線，代替振子作往復(fù)運(yùn)動，使他們真實(shí)體驗(yàn)到振動軌跡是直線的事實(shí)，學(xué)生錯將振動曲線認(rèn)為是振子軌跡的情況大為減少。

圖5

只有創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，才能讓學(xué)生形成物理觀念，才能讓學(xué)生在心理上相信物理的真實(shí)性，將核心素養(yǎng)的培養(yǎng)任務(wù)落到實(shí)處。

3.2 注重探究教學(xué)，培養(yǎng)創(chuàng)新意識

知識只是物理學(xué)習(xí)的一個方面，而不是全部，我們應(yīng)當(dāng)借助于學(xué)生知識的掌握過程培養(yǎng)學(xué)生能力。在教學(xué)中應(yīng)將知識的傳授過程改進(jìn)為師生、生生的合作探究過程，學(xué)生只有經(jīng)歷了探究過程，才能更好激發(fā)起主動學(xué)習(xí)的興趣。教師除了要關(guān)心學(xué)習(xí)的內(nèi)容、容量、程度，更要關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，讓學(xué)生主動學(xué)習(xí)、熱愛學(xué)習(xí)。

課堂上教師應(yīng)當(dāng)珍惜寶貴的時間資源，引導(dǎo)學(xué)生深入探究，體驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的成功喜悅，增強(qiáng)學(xué)習(xí)的自信。通過探究教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生的合作意識、探究能力、創(chuàng)新能力。圍繞問題解決，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性，筆者設(shè)計了以下兩個探究活動。

探究活動1：在分組實(shí)驗(yàn)中，兩位學(xué)生按住直尺，一位學(xué)生閉眼畫線，一位學(xué)生勻速抽動紙條，從而“合成”了一臺“振動描繪器”。在“合成”的過程中，通過成員間的一系列心理和行動上的暗示、模仿、順應(yīng)，提升了學(xué)生互助合作的意識和能力。

探究活動2：在“探究彈簧振子在不同時刻的位置特點(diǎn)”環(huán)節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生回憶用打點(diǎn)計時器與數(shù)字化信息系統(tǒng)(DIS)研究勻變速直線運(yùn)動、用頻閃照相技術(shù)研究自由落體運(yùn)動和平拋運(yùn)動的方法，根據(jù)振動的往復(fù)性特征及現(xiàn)有器材，學(xué)生創(chuàng)造性地聯(lián)想到用手機(jī)連拍、錄制視頻和逐幀播放的方法，“捕獲”鉤碼在不同時刻的位置，探究其運(yùn)動特點(diǎn)。

如沒有實(shí)際開展探究活動，教材中呈現(xiàn)的方法及圖片內(nèi)容就降格為學(xué)科知識，失去了探究教學(xué)的價值，失去了培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識和能力的機(jī)會。

3.3 強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)，滲透方法教育

物理學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)。在物理學(xué)中，每個概念的建立、每個定律的發(fā)現(xiàn)、每個理論的確立，都有其堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。學(xué)生參與知識的發(fā)現(xiàn)過程是培養(yǎng)學(xué)生能力的關(guān)鍵，其中科學(xué)思維是核心素養(yǎng)的重要方面，是解決問題的靈魂，[2]是物理教學(xué)的根本。

3.3.1 模型建構(gòu)

彈簧振子是一個理想化模型，忽略次要因素，突出主要矛盾，逐步簡化、建構(gòu)模型的過程就是一個科學(xué)思維過程，“為什么往復(fù)運(yùn)動不能一直持續(xù)下去？這種運(yùn)動怎樣才能一直持續(xù)下去？”在建構(gòu)彈簧振子的過程中，學(xué)生再次經(jīng)歷理想化的模型建構(gòu)過程，充分認(rèn)識到簡諧運(yùn)動和勻速直線運(yùn)動、勻速圓周運(yùn)動、平拋運(yùn)動一樣，都是理想運(yùn)動模型。

3.3.2 分類討論

對模型的研究同樣滲透著思維方法的教育，如簡諧運(yùn)動描述的表征就需要進(jìn)行分類討論，有文字表征，包括位移、振幅、周期、頻率的定義等；有圖像表征，簡諧運(yùn)動的圖像為正弦曲線；有數(shù)學(xué)(函數(shù))表征，簡諧運(yùn)動的位移y=Asin(ωt+φ0)；有動力學(xué)表征，回復(fù)力與位移成正比，方向與位移的方向相反，即F=-kx。本節(jié)課的教學(xué)主要圍繞“簡諧運(yùn)動”圖像表征及位移概念展開。

3.3.3 實(shí)驗(yàn)方法

(1)間接測量：用位移傳感器測量位移，據(jù)此描繪出振子的運(yùn)動圖像。

(2)控制變量：在分組實(shí)驗(yàn)中，讓兩學(xué)生按住直尺兩頭，讓學(xué)生“閉眼畫線”就是為了控制“振子”的運(yùn)動方向，讓另一位學(xué)生勻速拉動紙帶，從而使振動隨“時間”展開，位移這個變量得到了展現(xiàn)。

(3)替代法：用“頻閃照相”替代“攝像取幀”，通過錄制豎直放置的彈簧振子的運(yùn)動視頻，結(jié)合軟件取幀的方法，獲得了振子不同時刻的位置，豐富了學(xué)生獲取物體運(yùn)動位置的方法(圖6)。

圖6

(4)圖像法：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方法較多，對數(shù)據(jù)處理的教學(xué)一直都是個難點(diǎn)，在高中階段數(shù)據(jù)處理的重點(diǎn)常放在圖像法上。利用PPT中“橫向等距離排列”功能，使振動物體的位移隨時間的變化情況得以形象化的呈現(xiàn)(圖7)，通過讀數(shù)、描點(diǎn)，使學(xué)生掌握用圖像法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基本方法。

圖7

(5)誤差處理：根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)描繪振動圖像時，讓學(xué)生用平滑的曲線使盡可能多的點(diǎn)出現(xiàn)在線上，不在線上的點(diǎn)盡量均勻分布在曲線的兩側(cè)，掌握在作圖中減少誤差的處理方法，培養(yǎng)學(xué)生的分析、歸納、推理能力。

離開了實(shí)驗(yàn)教學(xué)和思維方法教育，物理教學(xué)就成了無源之水、無本之木，因而實(shí)驗(yàn)教學(xué)是有效培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究與科學(xué)思維等能力的重要途徑。

3.4 利用現(xiàn)代教育技術(shù)呈現(xiàn)物理過程

物理研究始于觀察，沒有觀察就沒有科學(xué)的發(fā)現(xiàn)。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，觀察的內(nèi)涵也在逐步擴(kuò)大，由原來的單純?nèi)庋塾^察，發(fā)展到通過儀器去觀察，再發(fā)展到通過傳感器去進(jìn)行一系列的觀察。[3]有更好的觀察工具，才能得到更為精確的數(shù)據(jù)，為有效探究打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3.4.1 利用視頻軟件PotPlayer和圖像處理軟件生成“頻閃”照片

用頻閃照相可以研究物體的運(yùn)動，其原理是相機(jī)每隔相等的時間曝光一次，將多次照相結(jié)果呈現(xiàn)在同一張照片上，通過分析照片可以研究物體的運(yùn)動的性質(zhì)，以往要有專業(yè)的器材才能完成。智能手機(jī)內(nèi)置傳感器種類豐富、功能強(qiáng)大，智能手機(jī)已經(jīng)成為物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新工具，可利用其連拍功能，用視頻軟件PotPlayer和圖像處理軟件進(jìn)行畫面捕捉、生成振子運(yùn)動的“頻閃”照片。

3.4.2 利用《幾何畫板》函數(shù)功能

在描點(diǎn)、繪出振子的振動圖像后，如何證明此圖像為正弦曲線？可把測量值輸入計算機(jī)中，用數(shù)學(xué)軟件畫出曲線，然后按照計算機(jī)的提示用一個周期性函數(shù)擬合這條曲線，看一看彈簧振子的位移和時間的關(guān)系可用什么函數(shù)表示。這就要求數(shù)學(xué)軟件有擬合函數(shù)提示功能，常用的Excel軟件不能實(shí)現(xiàn)，可采用《幾何畫板》的函數(shù)功能，形象、簡潔地對振動圖像進(jìn)行擬合，結(jié)果一目了然。

3.4.3 實(shí)物投影，授課助手

希沃白板是一個不錯的平臺，可以充分發(fā)揮該系統(tǒng)的相關(guān)功能，如實(shí)物投影、授課助手(手機(jī)同屏上傳)等，使學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過程與成果得到及時分享與展示。

3.4.4 利用DIS系統(tǒng)

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入DIS系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集、處理智能化程度高，快速而又精確，讓學(xué)生進(jìn)一步感受現(xiàn)代科技的魅力。

現(xiàn)代科技的引入有助于打破實(shí)驗(yàn)的時空限制，呈現(xiàn)出全面、細(xì)致的物理過程，使學(xué)生觀察的目的性、敏銳性、深刻性、準(zhǔn)確性和全面性得到提高，同時也培養(yǎng)了學(xué)生觀察能力、邏輯推理能力，激發(fā)了學(xué)生創(chuàng)新意識，促進(jìn)學(xué)生積極主動進(jìn)行自主探究。

4 教學(xué)反思

4.1 重視概念教學(xué)的情境創(chuàng)設(shè)

在物理概念教學(xué)中要幫助學(xué)生深層次理解概念的內(nèi)涵和外延，此過程中應(yīng)遵循“潛移默化、層層推進(jìn)”的原則，切勿生硬地給出定義，讓學(xué)生死記硬背，生搬硬套，否則學(xué)生無法深刻理解概念，更談不上形成物理觀念。應(yīng)堅(jiān)持“知識問題化、問題情境化”的原則進(jìn)行教學(xué)設(shè)計，創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，使學(xué)生在探究中對概念的認(rèn)知不斷深化，對新舊知識進(jìn)行重組、內(nèi)化、再生成，只有做到“真情境”教學(xué)，核心素養(yǎng)的培養(yǎng)才能落到實(shí)處。

4.2 運(yùn)用豐富PCK知識對概念進(jìn)行提煉與升華

在理解概念內(nèi)涵的基礎(chǔ)上，還應(yīng)拓寬對概念外延的認(rèn)識，幫助學(xué)生對概念進(jìn)行提煉與升華，使所學(xué)的物理概念等知識形成富有邏輯的合理結(jié)構(gòu)，并靈活運(yùn)用于實(shí)際問題的解決。這一過程對教師學(xué)科教學(xué)綜合能力的要求較高，教師要盡可能多地設(shè)置探究活動、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方式，讓學(xué)生與已學(xué)的類似知識進(jìn)行對比分析，才能真正讓概念得到提煉與升華。

5 結(jié)語

在高中物理教學(xué)中，物理概念的教學(xué)至關(guān)重要。對物理概念內(nèi)涵和外延的深刻理解，是學(xué)生學(xué)習(xí)物理規(guī)律、提高解決問題能力、提升核心素養(yǎng)的基礎(chǔ)。基于PCK的高中物理概念教學(xué)，在學(xué)生習(xí)得物理概念、建構(gòu)物理模型的同時，又讓學(xué)生領(lǐng)會科學(xué)方法，逐步形成物理觀念，提升核心素養(yǎng)。