張煜

物理學(xué)是基于觀察與實驗，建構(gòu)物理模型，并引用數(shù)學(xué)等計算方法，通過科學(xué)推理和論證的一門基礎(chǔ)學(xué)科。物理學(xué)對人類的思維方式和價值觀念都會產(chǎn)生巨大的影響，而這些主要是通過物理教學(xué)實施來實現(xiàn)的。物理課堂作為物理教學(xué)的主要方式，探究教學(xué)方式對學(xué)生的發(fā)展具有深刻的影響。探究教學(xué)不僅需要學(xué)生在做中學(xué)，也需要關(guān)注學(xué)生的認(rèn)知建構(gòu)來指導(dǎo)適合的教學(xué)方法。在實際課堂教學(xué)中常常會發(fā)現(xiàn)很多同學(xué)雖然上課很認(rèn)真地聽講，老師所講的內(nèi)容也能明白，但是在做課后練習(xí)時卻發(fā)現(xiàn)無從下手，甚至出現(xiàn)相同的題目，改變一個條件就解決不了，這就導(dǎo)致了在很多同學(xué)心中覺得高中物理是最難學(xué)的一門學(xué)科。

這些年國內(nèi)外不少物理學(xué)者也在研究是什么原因?qū)е逻@些問題產(chǎn)生的。他們得出的結(jié)論主要包括教師在教學(xué)過程中沒有較好地引導(dǎo)、激勵學(xué)生主動思考；沒有有效地讓學(xué)生理解所學(xué)物理知識與實際生活中的應(yīng)用和缺乏對學(xué)生邏輯推理能力和科學(xué)思維能力的培養(yǎng)。針對以上出現(xiàn)的現(xiàn)象和產(chǎn)生的原因，我們嘗試使用穆良柱教授的物理認(rèn)知模型來進(jìn)行教學(xué)設(shè)計，尋找解決上述問題的方法。

一、物理認(rèn)知模型

物理學(xué)是自然科學(xué)中的基礎(chǔ)科學(xué)之一，它是研究自然界中物理的基本結(jié)構(gòu)、相互作用和運動規(guī)律的科學(xué)。物理學(xué)發(fā)展過程促進(jìn)了人類生產(chǎn)生活方式的變化，對人類的思維方式、價值觀念等產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。穆良柱教授認(rèn)為物理學(xué)是在人們對自然的探索中通過不斷積累認(rèn)知過程中發(fā)展起來的，所以其從物理認(rèn)知的角度總結(jié)歸納了物理認(rèn)知模型，如表1所示。

穆良柱教授將認(rèn)知階段分為三大類，其中前兩個過程對應(yīng)實驗物理認(rèn)知階段，中間三個過程對應(yīng)理論物理階段，最后三個過程對應(yīng)應(yīng)用物理認(rèn)知階段。從這個認(rèn)知模型中我們可以看到科學(xué)與技術(shù)的差別，同時也更加清晰地闡述了物理學(xué)理論和實驗的關(guān)系，即實驗物理為理論物理的發(fā)展提供靈感，而理論物理又可以預(yù)言解釋實驗。而這恰好正是人類發(fā)展科學(xué)的一般途徑。

我們根據(jù)這個物理認(rèn)知模型在實際教學(xué)中進(jìn)一步闡釋。在具體的教學(xué)活動中首先通過對實際的物理現(xiàn)象進(jìn)行觀察，讓學(xué)生思考其中會包含哪些物理規(guī)律。然后教師找到類似的物理規(guī)律相應(yīng)的現(xiàn)象，讓同學(xué)們認(rèn)真觀察其所包含的物理本質(zhì)。在此基礎(chǔ)上學(xué)生逐漸發(fā)現(xiàn)他們的共同點，就可以選擇合適的對象進(jìn)行分析，那么就可以讓同學(xué)們選擇一種理想的實驗器材來更好地觀察，激發(fā)了同學(xué)們創(chuàng)新實驗的熱情。在理想實驗的基礎(chǔ)上可以保留最本質(zhì)的運動規(guī)律，多次實驗，通過觀察、實驗和運用合適的數(shù)學(xué)工具對其分析，讓同學(xué)們發(fā)現(xiàn)其包含的物理規(guī)律和物理法則。最后運用這一規(guī)律分析實際生活中的問題。

基于此物理認(rèn)知模型，我們對人教版高中物理教材選修3-4中的“波的形成與傳播”這一節(jié)內(nèi)容進(jìn)行了教學(xué)設(shè)計研究。

二、基于物理認(rèn)知模型的教學(xué)設(shè)計

（一）將繩子一端在遠(yuǎn)處打個小結(jié)，然后向?qū)W生提問：“怎樣才能站在遠(yuǎn)處將小結(jié)打開？”學(xué)生會根據(jù)生活經(jīng)驗，很自然地會就知道拿著繩子的另一端不斷地上下抖動繩子，繩子的波動逐漸地傳遞到打結(jié)處，打結(jié)處慢慢地就松動了。學(xué)生對這樣的生活現(xiàn)象有著感性認(rèn)知，但認(rèn)知的程度不夠，不理解其包含的物理規(guī)律，通過設(shè)計這樣的實驗過程，讓學(xué)生參與其中，增強課程的趣味性，同時也為后面提煉相關(guān)概念做好鋪墊。

（二）波是一個非常抽象的概念，為了讓同學(xué)們對這個概念有個形象生動的認(rèn)識，需要我們用形象直觀的方法來表達(dá)出來，所以課堂上繼續(xù)讓同學(xué)們觀察抖動繩子的過程，繩子上產(chǎn)生的圖像，這樣就可以讓學(xué)生對波動的概念有個更加清晰地認(rèn)識。在此基礎(chǔ)上就可以方便直觀地向同學(xué)們介紹波的概念，緊接著讓同學(xué)們思考怎樣才能形成波？

（三）由于學(xué)生第一次學(xué)習(xí)波的概念，所以通過觀察很難得到波的形成條件，因此老師通過一些合理地引導(dǎo)，讓同學(xué)們發(fā)現(xiàn)問題。如果拿著繩子的手不抖動會形成波嗎？手如果抖一次會看到什么呢？如果沒有繩子只是手上下抖動會形成波嗎？通過以上的問題和實驗過程，同學(xué)們會逐漸總結(jié)出要想形成波，需要有質(zhì)點和連續(xù)的物體才行，進(jìn)而老師讓學(xué)生明白連續(xù)的物體本質(zhì)上就是介質(zhì)的含義。那么波具有什么樣的特點呢？這就需要選擇一個合適的對象進(jìn)行研究才行。學(xué)生會發(fā)現(xiàn)需要對介質(zhì)中的一個一個質(zhì)點進(jìn)行研究，那么怎樣才能獲得一個一個質(zhì)點？通過這樣的設(shè)問和討論，激發(fā)了同學(xué)們對創(chuàng)新實驗的熱情和鼓勵了同學(xué)們積極思考的學(xué)習(xí)態(tài)度。

（四）學(xué)生在以前學(xué)生過質(zhì)點的運動，對質(zhì)點的常見運動有直觀清晰地認(rèn)識，但是這里卻是多個質(zhì)點一起運動，就會使問題變得異常復(fù)雜。另外波的形成需要振動，而振動是學(xué)生剛學(xué)習(xí)的新概念，這就增加了這一節(jié)學(xué)習(xí)的困難。為了讓學(xué)生可以直觀理解這一節(jié)運動，我們需要把物理學(xué)家的思維過程重現(xiàn)。為此在學(xué)生討論的基礎(chǔ)上，給出一個小小的實驗器材。在這里可以把一個一個小球通過繩子依次連續(xù)吊起來，然后再通過一根繩子把這些小球依次連接起來，這樣就可以方便地滿足波形成的兩個條件。我們就可以從下面觀察小球運動的情況來研究波的傳播問題。

（五）將第一個小球上下振動一次，我們會看到緊接著各個質(zhì)點依次振動下去，初次振動方向向上，并且可以看到一個完成的波形逐漸向前傳播。如果將第一個小球先向下振動一次，會發(fā)現(xiàn)接下來每一點都會先向下振動，然后一個完成的波形依次振動下去。將第一個小球上下振動兩次，會發(fā)現(xiàn)后面有兩個波形向前傳播，并且每一個小球都會上下振動兩次，然后停止下來。

（六）一個新的物理概念的形成，需要將學(xué)生生活中的“碎片化”的知識、感性的認(rèn)識綜合起來。我們可以通過設(shè)置一個一個問題串，激發(fā)學(xué)生的求知欲，通過演繹推理、類比等思維方式進(jìn)行優(yōu)化整合，以達(dá)到知識的重構(gòu)。在以上實驗觀察的同時，引導(dǎo)學(xué)生注意以下問題：①觀察其中某個任意小球的運動情況；②由第一個小球振動開始依次觀察每一個小球的第一次振動（起振）方向；③觀察每個小球運動的順序；④觀察每一個小球和第一個小球的振動時間有什么特點；⑤第一個小球上下振動一次，波形向前傳播特點；⑥波形運動方向與小球運動方向具有什么樣的關(guān)系。學(xué)生在以上問題的基礎(chǔ)上觀察得出波形運動的規(guī)律：①波在傳播過程中每個質(zhì)點都在自己的平衡位置附近做簡諧振動，一會兒質(zhì)點位于波峰位置，一會兒出現(xiàn)在波谷位置；②每個質(zhì)點的起振方向都和波源的起振方向相同；③在振動的過程中前面的質(zhì)點帶動后面的質(zhì)點振動，并使得振動形式逐漸向外傳播；④后面每個質(zhì)點的振動情況都和波源的振動情況一樣；⑤波形在空間上具有周期性，并且波源上下振動一個周期，波形會向前傳播一個波形，也就是一個波長；⑥波傳播的方向上和質(zhì)點振動的方向互相垂直。用公式可以表達(dá)運動具有的特點為v=λ/T或者v=x/t。該過程思維表達(dá)如圖所示。

（七）總結(jié)了波的形成與傳播的概念和規(guī)律后，進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生思考質(zhì)點運動方向和波傳播方向的關(guān)系，從而給出這種波的傳播方向和振動方向互相垂直的波稱為橫波。在大自然中還存在波的振動方向和傳播方向在同一直線上的運動，我們把這樣的波稱為縱波，進(jìn)而指導(dǎo)學(xué)生運用邏輯推理的方式大膽給出縱波的運動性質(zhì)和運動規(guī)律。為了讓學(xué)生直觀地看到和驗證所猜想的縱波的性質(zhì)，我們在課堂上利用縱波演示儀演示縱波傳播過程中的圖像，讓學(xué)生可以清晰地看到縱波運動的特點。另外給學(xué)生介紹聲波是縱波的概念，但是由于聲波在空氣中的形成與傳播是看不見的，那么設(shè)計怎樣的實驗才能驗證聲波是縱波這一概念呢？引發(fā)同學(xué)們積極思考在音響前面張貼一張薄膜，在薄膜上面放上一塊硬幣，隨著音響發(fā)出聲音，學(xué)生會看到硬幣也在不斷地上下跳動，改變增加聲音的頻率，就會發(fā)現(xiàn)硬幣跳動得更快。通過增加這樣的一個設(shè)計，讓學(xué)生不僅體會到實驗對研究物理問題的重要性，還可以激發(fā)學(xué)生對物理創(chuàng)新實驗設(shè)計的興趣。

（八）在近幾年的幾次地震中，我們經(jīng)常會看到地震前電視中、短信中會提前收到地震倒計時，為什么現(xiàn)在我們可以事先知道地震什么時候到來呢？原來地震中不僅存在縱波，也存在橫波。通過科學(xué)計算發(fā)現(xiàn)縱波的傳播速度比橫波的速度大。進(jìn)而引導(dǎo)同學(xué)們思考，在地震中是縱波的破壞性大，還是橫波的破壞性大？我們是怎樣來預(yù)測地震呢？在同學(xué)們討論之后，我們給出答案。事實上在地震發(fā)生后，我們就會先收到縱波的信號，再根據(jù)科學(xué)的計算，可以預(yù)測橫波到來的時間，那么我們就可以預(yù)測地震了。我們目前預(yù)測地震的方式并不完善，還需要努力學(xué)習(xí)，開發(fā)更加有效合理的方法來預(yù)測地震。通過這樣的教學(xué)設(shè)計，不僅讓同學(xué)們把理論知識和生活實踐結(jié)合起來，還激發(fā)了同學(xué)們科學(xué)的探究精神。

教學(xué)是一門藝術(shù)，在物理教學(xué)中需要設(shè)計巧妙的、創(chuàng)新的教學(xué)設(shè)計，才能獲得良好的教學(xué)效果和激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣?；谀铝贾淌谔岢龅奈锢碚J(rèn)知模型而進(jìn)行的教學(xué)設(shè)計是符合科學(xué)家發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律的一般方法，是從生活中常見物理現(xiàn)象開始，從實驗的角度總結(jié)物理規(guī)律，再把得到的物理規(guī)律應(yīng)用到實際生活中的認(rèn)知規(guī)律來指導(dǎo)教學(xué)，將教學(xué)內(nèi)容和物理思想方法合理地結(jié)合在一起，在教會學(xué)生知識的同時，也全面培養(yǎng)了學(xué)生的實驗物理認(rèn)知能力、理論物理認(rèn)知能力和應(yīng)用物理認(rèn)知能力。在此理論的指導(dǎo)下，教師的教學(xué)思路可以沿著最有效的方式進(jìn)行，還可以根據(jù)學(xué)生的特點，在各個實際教學(xué)過程中穿插合理的教學(xué)活動，使得課堂的教學(xué)設(shè)計更加靈活和高效。

物理認(rèn)知模型下的教學(xué)設(shè)計，在實施過程中充分體現(xiàn)了學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)的教學(xué)理念。教師在實際教學(xué)過程中主要扮演指引者和啟發(fā)者的角色，讓學(xué)生一步一步沿著科學(xué)研究的方法主動思考，發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律，最后與實際生活中的問題聯(lián)系起來，激發(fā)同學(xué)們學(xué)習(xí)的興趣和學(xué)以致用的態(tài)度，有效培養(yǎng)了物理思維能力和解決實際問題的能力。