摘 要：進(jìn)階式教學(xué)是一種在學(xué)生現(xiàn)有知識(shí)水平的基礎(chǔ)上，通過(guò)設(shè)計(jì)逐步升級(jí)的實(shí)踐活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生循序漸進(jìn)地學(xué)習(xí)，從而有效提升學(xué)生能力的教學(xué)方法。本文以“簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)”的教學(xué)為例，探尋進(jìn)階式模型教學(xué)在高中物理教學(xué)中的一般模式。

關(guān)鍵詞：學(xué)習(xí)進(jìn)階；模型教學(xué)；簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)

1 引言

模型建構(gòu)是高中物理學(xué)習(xí)中的一種重要科學(xué)實(shí)踐和思維方法。理解和掌握物理概念與原理往往可以通過(guò)物理模型的建構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，而這一過(guò)程需要循序漸進(jìn)，不能一蹴而就。在物理教學(xué)中，教師應(yīng)用學(xué)習(xí)進(jìn)階的理念，引導(dǎo)學(xué)生從已有的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)出發(fā)將實(shí)際問(wèn)題抽象為物理模型。［1］這不僅可以幫助學(xué)生深入理解物理知識(shí)，還能有效培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng)。本文以人教版普通高中物理選擇性必修第一冊(cè)第二章第1節(jié)“簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)”的教學(xué)為例［2］，嘗試指導(dǎo)學(xué)生建立簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的過(guò)程模型，并探討模型教學(xué)的一般模式。［3］

2 進(jìn)階微課使預(yù)習(xí)效果最大化

2.1 進(jìn)階微課1“機(jī)械振動(dòng)”

在講解新課內(nèi)容之前，教師可以通過(guò)班級(jí)學(xué)習(xí)群，向?qū)W生發(fā)布有關(guān)機(jī)械振動(dòng)和基本運(yùn)動(dòng)模型的資料。學(xué)生可以通過(guò)觀看視頻，預(yù)先了解機(jī)械振動(dòng)在現(xiàn)實(shí)世界中是普遍存在的，例如地震、樹(shù)葉在風(fēng)中的擺動(dòng)、小船在水面上的晃動(dòng)、鐘擺等現(xiàn)象，進(jìn)而感知機(jī)械振動(dòng)的特征等。

2.2 進(jìn)階微課2“彈簧振子”

通過(guò)觀看Flash動(dòng)畫(huà)，學(xué)生可以初步了解彈簧振子模型，包括水平方向和豎直方向的彈簧振子，并認(rèn)識(shí)模型中的主要和次要因素。學(xué)生還能初步觀察到振子的運(yùn)動(dòng)與勻變速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)之間的差異。通過(guò)自主學(xué)習(xí)和學(xué)習(xí)小組的網(wǎng)絡(luò)交流，學(xué)生能夠建立起對(duì)物理情境的感知，并對(duì)物理概念形成初步的理解。

設(shè)計(jì)思路：在傳統(tǒng)課堂中，預(yù)習(xí)材料通常來(lái)源于教材和教輔資料。這些材料往往缺乏直觀性，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)物理現(xiàn)象的真實(shí)情境缺乏足夠的感知。利用現(xiàn)代教學(xué)技術(shù)，教師可以提前讓學(xué)生通過(guò)視頻和動(dòng)畫(huà)體驗(yàn)機(jī)械振動(dòng)在日常生活方方面面的具體情景。這樣的教學(xué)方法能夠有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

3 進(jìn)階式探究機(jī)械振動(dòng)的特點(diǎn)

3.1 利用實(shí)驗(yàn)、多媒體技術(shù)創(chuàng)設(shè)情景，導(dǎo)入新課

首先，教師展示預(yù)先準(zhǔn)備好的“魚(yú)洗”實(shí)驗(yàn)器材，并通過(guò)師生互動(dòng)，指導(dǎo)學(xué)生用濕潤(rùn)的手掌摩擦魚(yú)洗的把手。學(xué)生觀察到水面上水珠的跳動(dòng)，了解這是共振現(xiàn)象的體現(xiàn)。其次，教師敲擊音叉，讓學(xué)生直觀感受振動(dòng)的存在。再次，教師撥動(dòng)固定在講臺(tái)上的直尺，讓學(xué)生觀察直尺來(lái)回振動(dòng)。最后，教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)，使用直尺在桌邊振動(dòng)，讓學(xué)生親自體驗(yàn)振動(dòng)的感覺(jué)。

分組實(shí)驗(yàn)：請(qǐng)同學(xué)們輕輕發(fā)聲，將手掌放在喉結(jié)附近，感受聲帶的振動(dòng)。

師生討論：課件展示大量振動(dòng)的gif格式的圖片，引出話(huà)題“振動(dòng)無(wú)處不在，同學(xué)們能否找出它們共同的特征？”引導(dǎo)學(xué)生歸納總結(jié)，上述運(yùn)動(dòng)中物體總是在某一位置的附近做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而引出機(jī)械振動(dòng)和平衡位置的概念。

設(shè)計(jì)意圖：從視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等多角度進(jìn)行教師演示實(shí)驗(yàn)、學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生充分感知振動(dòng)的特征。這種多角度的體驗(yàn)將物理概念的建構(gòu)過(guò)程置于直觀和形象的層面上，從而降低了學(xué)生在理解過(guò)程中的思維難度，使得概念教學(xué)更加自然和流暢。

3.2 進(jìn)階式建構(gòu)彈簧振子模型

思考與討論：如何研究復(fù)雜的機(jī)械振動(dòng)？

在物理研究中，進(jìn)階式模型建構(gòu)強(qiáng)調(diào)采用遞進(jìn)的方法，即從易到難、由簡(jiǎn)入繁，抓住問(wèn)題的主要矛盾而忽略次要矛盾，從而建構(gòu)出理想化模型。

3.2.1 演示一

實(shí)驗(yàn)1：在鐵架臺(tái)上豎直懸掛一個(gè)彈簧，其下端連接一個(gè)乒乓球。用手將乒乓球拉至一定位置后釋放，乒乓球上下晃動(dòng)但很快停止運(yùn)動(dòng)。

實(shí)驗(yàn)2：在鐵架臺(tái)上豎直懸掛一個(gè)彈簧，彈簧的下端連接一個(gè)質(zhì)量較大的鐵球。靜止釋放鐵球后，鐵球在平衡位置附近進(jìn)行幅度相等的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

實(shí)驗(yàn)3：將鐵球懸掛在細(xì)棉線(xiàn)下端，從最低點(diǎn)橫向拉至一定的角度由靜止釋放后，鐵球在平衡位置附近進(jìn)行幅度相等的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

實(shí)驗(yàn)4：在水平光滑直桿上安裝定滑輪，定滑輪的下端連接一個(gè)鐵球，鐵球的兩端由兩根彈簧固定。將鐵球拉至一定位置后釋放，鐵球在平衡位置附近進(jìn)行幅度相等的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

教師提問(wèn)：這些物體的運(yùn)動(dòng)各不相同。運(yùn)動(dòng)軌跡有直線(xiàn)的、曲線(xiàn)的；運(yùn)動(dòng)方向有水平的、豎直的；物體各部分運(yùn)動(dòng)有相同的、不相同的。這些物體的運(yùn)動(dòng)有什么共同的特征？這幾個(gè)振動(dòng)，哪一個(gè)運(yùn)動(dòng)形式最簡(jiǎn)單、最便于研究？簡(jiǎn)要闡述你的理由。

學(xué)生回答：在實(shí)驗(yàn)1中，由于乒乓球質(zhì)量相對(duì)于彈簧質(zhì)量而言較輕，乒乓球會(huì)迅速停止運(yùn)動(dòng)，這不利于進(jìn)行振動(dòng)研究。實(shí)驗(yàn)3中的鐵球運(yùn)動(dòng)軌跡為曲線(xiàn)，而非直線(xiàn)，這增加了研究的復(fù)雜性。相比之下，實(shí)驗(yàn)2和實(shí)驗(yàn)4中鐵球的運(yùn)動(dòng)軌跡為直線(xiàn)，這使得研究更為方便。特別是在實(shí)驗(yàn)4中，鐵球受到的重力和水平光滑直桿產(chǎn)生的支持力二力平衡，因此鐵球所受的合力主要來(lái)源于彈簧的作用力；這種力的作用較為簡(jiǎn)單，便于揭示力和運(yùn)動(dòng)之間的規(guī)律。

教師歸納：在實(shí)際的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，小球和彈簧的質(zhì)量都不能忽略，受到的阻力雖然很小，但仍然是存在的。在研究復(fù)雜的物理問(wèn)題時(shí)，我們需要抓住問(wèn)題的主要因素而忽略次要因素，從而建構(gòu)出理想化模型。在這一類(lèi)運(yùn)動(dòng)中，我們可以忽略彈簧的質(zhì)量和一切阻力，在此條件下，小球和彈簧組成的這個(gè)系統(tǒng)，就稱(chēng)為彈簧振子。

3.2.2 演示二

實(shí)驗(yàn)：氣墊導(dǎo)軌上的彈簧振子模型。

思考與討論：如何描述彈簧振子的運(yùn)動(dòng)？對(duì)于彈簧振子的運(yùn)動(dòng)，怎樣定義“位移”對(duì)研究問(wèn)題更方便？教師通過(guò)平板終端，采集同學(xué)們的猜想，如可以從位移、時(shí)間、速度、加速度等角度，更科學(xué)、方便地描述相對(duì)平衡位置的位移。

動(dòng)畫(huà)演示：彈簧振子的位移定義是以平衡位置為起點(diǎn)的，強(qiáng)調(diào)彈簧振子的運(yùn)動(dòng)具有對(duì)稱(chēng)性。

設(shè)計(jì)意圖：在建立模型的過(guò)程中，學(xué)生需要學(xué)會(huì)抓住問(wèn)題的關(guān)鍵，即抓住問(wèn)題的主要矛盾而忽略次要矛盾。通過(guò)云數(shù)據(jù)采集，學(xué)生可以將思維建立在直觀的一手信息之上。這樣的方法能夠有效拓寬學(xué)生的思路，鼓勵(lì)學(xué)生大膽提出猜想。隨后，通過(guò)實(shí)物演示和對(duì)比，教師引導(dǎo)學(xué)生逐步進(jìn)行抽象思考，概括出物理模型，從而培養(yǎng)學(xué)生的模型建構(gòu)能力。

3.3 進(jìn)階式探究彈簧振子的位移與時(shí)間關(guān)系

思考與討論：如何更加直觀地反映位移隨時(shí)間變化的規(guī)律？

學(xué)生閱讀教材，分組討論得出方法：照片平鋪法、描圖記錄法。

3.3.1 演示三

實(shí)驗(yàn)1：照片平鋪法。將頻閃照片等間距地排列在一起，得出不同時(shí)刻彈簧振子的位置。

實(shí)驗(yàn)2：自制描圖記錄儀。將水平紙平鋪在塑料板上，水平勻速拉動(dòng)塑料板，鐵球上的毛筆在水寫(xiě)紙上留下痕跡，從而間接地反映鐵球的位移隨時(shí)間的變化規(guī)律。描圖記錄儀及留下的水跡如圖1所示。

分組實(shí)驗(yàn)：利用彈簧振子圖像描繪器進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。彈簧振子圖像描繪器和充氣泵如圖2所示。

獲取證據(jù)：學(xué)生協(xié)同合作，操作儀器，獲得紙帶。學(xué)生實(shí)驗(yàn)獲得的紙帶如圖3所示。

猜想與假設(shè)：彈簧振子的位移與時(shí)間的關(guān)系與正弦或余弦函數(shù)關(guān)系相似。

3.3.2 實(shí)驗(yàn)論證

學(xué)生活動(dòng)1：用直尺畫(huà)出分別經(jīng)過(guò)最高點(diǎn)和最低點(diǎn)的兩條直線(xiàn)，找出兩條直線(xiàn)的中位線(xiàn)并畫(huà)出中位線(xiàn)，確定與曲線(xiàn)的交點(diǎn)。建立橫、縱坐標(biāo)軸，以一個(gè)周期內(nèi)的點(diǎn)為研究對(duì)象，找出半個(gè)周期、四分之一個(gè)周期、六分之一個(gè)周期、八分之一個(gè)周期各點(diǎn)的縱坐標(biāo)。如果這些點(diǎn)的縱坐標(biāo)與對(duì)應(yīng)正弦函數(shù)的值接近，那么可以近似認(rèn)為這條曲線(xiàn)是一條正弦曲線(xiàn)。

學(xué)生活動(dòng)2：通過(guò)頻閃照相技術(shù)獲取的照片用于測(cè)量數(shù)據(jù)，彈簧振子在前半個(gè)周期和后半個(gè)周期不同時(shí)刻的位置分別記錄在表1和表2中。學(xué)生根據(jù)這些數(shù)據(jù)在坐標(biāo)紙上進(jìn)行描點(diǎn)作圖，課堂中學(xué)生的作圖成果如圖4所示。

實(shí)驗(yàn)3：圖像擬合。利用位移傳感器獲取的彈簧振子位移與時(shí)間的關(guān)系圖像如圖5所示。在傳感器界面上進(jìn)行圖像分析時(shí)，教師應(yīng)用了正弦擬合公式y(tǒng)＝asin（ωt＋φ）＋b。經(jīng)過(guò)擬合后的圖像與實(shí)驗(yàn)直接采集的圖像高度一致，幾乎完全重合，如圖6所示。這一結(jié)果說(shuō)明，簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)中位移與時(shí)間的關(guān)系呈現(xiàn)正弦函數(shù)的典型特征。

歸納總結(jié)：彈簧振子的運(yùn)動(dòng)位移隨時(shí)間的變化滿(mǎn)足正弦或余弦函數(shù)關(guān)系。

設(shè)計(jì)意圖：在教學(xué)中，教師首先通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)，使用不同的方法來(lái)獲取簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的位移—時(shí)間圖像。教師隨后引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生搜集證據(jù)、提出猜想、作出判斷，并讓學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證猜想。這種層層遞進(jìn)的教學(xué)方法貼合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律。在分析數(shù)據(jù)并運(yùn)用圖表法和圖像法描述運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，學(xué)生不僅提高了數(shù)據(jù)處理能力，還深刻領(lǐng)略到了數(shù)學(xué)與物理結(jié)合的魅力。同時(shí)，這個(gè)過(guò)程也為學(xué)生科學(xué)探究能力的培養(yǎng)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

3.4 建構(gòu)模型，總結(jié)規(guī)律，形成概念

思考與討論：由上述分析可得彈簧振子的位移—時(shí)間圖像是一條正弦曲線(xiàn)，類(lèi)似的運(yùn)動(dòng)被稱(chēng)為“簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)”。

多媒體動(dòng)畫(huà)：師生共同討論，簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的圖像不是運(yùn)動(dòng)軌跡。

設(shè)計(jì)思路：與實(shí)物模型相比，過(guò)程模型在建構(gòu)過(guò)程中更難以掌握，這主要是因?yàn)閷W(xué)生需要通過(guò)多角度的深入探究來(lái)全面理解過(guò)程模型。利用多媒體技術(shù)，學(xué)生可以直觀地感受到圖像和軌跡之間的差異。這有助于加深學(xué)生對(duì)過(guò)程模型的認(rèn)識(shí)。此外，通過(guò)在教學(xué)中列舉生活中的實(shí)例，不僅可以引導(dǎo)學(xué)生形成正確的價(jià)值觀，還能培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和責(zé)任感。

4 進(jìn)階式訓(xùn)練實(shí)現(xiàn)知識(shí)的鞏固與深化

4.1 進(jìn)階式訓(xùn)練一（針對(duì)基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生）

（1）質(zhì)點(diǎn)離平衡位置的最大距離為多少？

（2）在1.5s和2.5s兩個(gè)時(shí)刻，質(zhì)點(diǎn)向哪個(gè)方向運(yùn)動(dòng)？

（3）質(zhì)點(diǎn)在第2s末的位移是多少？

4.2 進(jìn)階式訓(xùn)練二（針對(duì)基礎(chǔ)較好的學(xué)生）

例2 某彈簧振子的振動(dòng)圖像如圖8所示。根據(jù)圖像判斷并回答下列問(wèn)題。

（1）哪段時(shí)間內(nèi)彈簧振子相對(duì)于平衡位置的位移與速度方向相反？

（2）哪段時(shí)間內(nèi)彈簧振子相對(duì)于平衡位置的位移不同，但瞬時(shí)速度方向相同？

（3）哪段時(shí)間內(nèi)彈簧振子相對(duì)于平衡位置的位移方向相同，瞬時(shí)速度方向相反？

設(shè)計(jì)思路：利用智慧教學(xué)平臺(tái)，教師可以直接將習(xí)題發(fā)送給每位同學(xué)。學(xué)生在班級(jí)的平板終端上直接答題，并通過(guò)拍照上傳答案。云數(shù)據(jù)系統(tǒng)會(huì)根據(jù)不同答案對(duì)學(xué)生進(jìn)行分類(lèi)。對(duì)于掌握不牢固的學(xué)生，教師會(huì)推送相關(guān)的講解視頻，幫助他們理解；而對(duì)于基礎(chǔ)較好的學(xué)生，教師會(huì)推送相似難度的題目，以進(jìn)一步挑戰(zhàn)他們的能力。這樣的分層布置作業(yè)方式，能夠確保每位學(xué)生都能獲得與自身的水平相適應(yīng)的練習(xí)，從而達(dá)到個(gè)性化學(xué)習(xí)的目的。

5 結(jié)語(yǔ)

高中物理模型教學(xué)形式多樣，教師需根據(jù)不同課型的特點(diǎn)，高效運(yùn)用現(xiàn)代教育技術(shù)，以進(jìn)階式科學(xué)探究的方法揭示物理規(guī)律，建構(gòu)物理模型。這樣不僅能夠打造出更加智慧和智能的課堂，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還能促使學(xué)生更早地適應(yīng)現(xiàn)代科技社會(huì)，培養(yǎng)學(xué)生終身學(xué)習(xí)的能力。教師應(yīng)積極開(kāi)發(fā)多樣化的教學(xué)資源，豐富智慧課堂的內(nèi)容，并將這些資源進(jìn)行分類(lèi)、去偽存真地篩選，以開(kāi)闊學(xué)生的視野，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)在動(dòng)力。同時(shí)，教師應(yīng)根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知基礎(chǔ)，有計(jì)劃地進(jìn)行進(jìn)階式教學(xué)，從而提升教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量。

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