物理教学中建立“整体观念”策略的探索与实践

张嘉弘

(海宁市第一中学 浙江 嘉兴 314400)

观念决定着做事方向和质量，因此构建完善的物理观念对于解决物理问题起着至关重要的作用，根据梁旭老师《认识观念形成的过程与要素指导教学设计与评价》一文的观点，观念的形成与完善不是一蹴而就、一朝一夕完成的，因为观念的形成基础是知识[1](观念的组成部分)，而知识的积累需要长期的学习.但是在我们的教学实践中，明明学生已经完成了3年的高中物理学习，可并不是每个学生都能形成较为完善的物理观念(从解决物理问题的表象推断)，究其原因，主要是这些学生仅仅是完成了知识的积累(堆积)，而没有主动构建，从而导致“最终观念”的难产.鉴于此，在学生已经具备建立“整体观念”所需要的知识时，教师需要通过教学引导学生构建出“整体观念”，并通过运用“整体观念” 解决一些问题，巩固所构建出的“整体观念”，为下一步形成“最终观念”打下基础.

作为一名高中生，大概率在高二后期或者高三时，已经具备建立“整体观念”所需要的知识，因此，在设计高三的复习教学时，应注意引导学生梳理已知的“观念的组成部分”，对其进行相互关系的深入认识与理解，并概括出“整体观念”，为在高中阶段结束时形成阶段性的“观念”做好准备.下面笔者将以“运动观”的整合教学为例进行论述.

1 梳理运动种类 寻求实例支撑

运动种类是运动观形成的基础，对已学的运动进行梳理，有利于全面了解高中阶段的运动种类，而通过实例的列举，将进一步巩固脑海中的各种运动种类与概念.

课堂实例1:

任务1:提取高中物理课本中的运动种类

问题情境：展示生活中一些物体的运动场景.相应问题如表1所示.

表1 问题与目标

教学建议：问题1比较简单，建议学生独立完成，问题2比较开放，建议学生分享自己的实例.

学生的操作结果如表2所示.

表2 运动的种类和实例

点评：通过运动种类的寻找以及相应实例的分享，大多数学生在脑海中逐渐建立了形成“运动观”的大致框架.

2 厘清运动关系 完善特征理解

关于运动的概念和规律是形成“运动观”的关键，但是零碎知识堆砌并不能自发的形成“运动观”.因此,通过对各类运动的特征有效对比，有助于加深对各类运动的理解以及厘清相互之间的关系，促进“运动观”的形成.

课堂实例2:

任务2:厘清各种运动之间的关系网络

问题情境：展示表2中大家分享的实例.相应问题如表3所示.

表3 问题与目标

教学建议：问题1比较抽象，因此教师应引导学生模仿数学建立二维坐标系,如图1所示，帮助学生从序度和尺度两个方面同时描述各种运动.而在解决问题2时，教师应提供表格形式的学案，如表4所示.帮助学生分类，并尽量引导学生从速度、位移、加速度、轨迹、周期等角度进行思考，对比分析各种运动的特征，要求学生尽量用图像配合文字描述，便于学生形成结构性的观点.

图1 二维分类图

学生的操作结果,如图1和表4所示.

点评：通过对问题1和问题2的解决，大多数学生潜移默化地对运动观的内涵进行了丰富拓展，为运动观的结构化奠定了基础.

表4 各类有序运动的特征

续表4

3 深挖运动变换 促进结构优化

表象不同的运动之间并不一定是毫无关联的，从不同的角度看待这些运动，会有新的发现，并在原有认知的基础上产生新的认知，促进对此类运动认知结构的优化.

课堂实例3:

任务3:挖掘部分运动之间的变换关系

问题情境1：手拉住一条软绳一端连续抖动,如图2所示.

图2 绳波

相应问题如表5所示.

表5 问题与目标

教学建议：问题1在新课讲授过程中已经分析总结，学生比较容易理解，对于问题2，学生平时思考得较少，但只要教师有意的去引导提示，学生不难解决.

学生的操作结果：

结论：振动是单个质点的运动，是局部的运动，而波动则是大量质点的运动，是整体的表现，如图3所示.

图3 波动与振动

举例：

(1)弹簧振子的运动从整体角度理解是一种振动，从局部角度理解每一小段的运动也是直线运动.

(2)单摆的运动从整体角度理解也是一种振动，从局部角度理解每一小段的运动也是圆周运动.

也可以这样理解，圆周运动是整体，单摆的振动看成是圆周运动的一个部分(局部性),如图4所示.

图4 圆周运动与单摆

问题情境2：手拉细绳让小球在竖直平面内做圆周运动,如图5所示.相应问题如表6所示.

图5 竖直平面内圆周运动

表6 问题与目标

教学建议：对于问题1，学生通过实践观察或者空间想象去解决，不难得到物体是做直线往复运动的结论.对于问题2，大多数学生也只能得到问题1的结果，但是对于这样的结论，学生的内心可能并不满意，教师应引导学生从对称性角度思考，学生可能猜想这是简谐振动(特殊的振动形式). 而问题3是一个追问，就是需要引导学生从匀速圆周运动出发，利用运动的合成与分解，观察物体在侧面投影点的位移与时间的关系，从而证明观点.

学生的操作结果：

判断1：通过观察直接得出结论，物体是做直线往复运动，如图6所示.

图6 竖直平面内圆周运动的不同视角观察图

判断2：设有一质点沿半径为R的圆周以角速度ω做逆时针匀速圆周运动，如图6所示，令x轴过圆心且与圆在同一平面内，如果把质点在各个时刻的位置向x轴投影，则可以确定投影点在以O为平衡位置左右振动.

证明：如图7所示，若该时刻质点位置对应的半径与x轴夹角为φ0,经过时间t，则该质点在x轴上的投影点坐标为x=Rcos(ωt+φ0) ，因此投影点在x轴上做的是简谐振动.

图7 理论证明示意图

问题情境3：播放太阳系中各星体运动的视频，如图8所示.

图8 行星运动视频截图

相应问题如表7所示.

表7 问题与目标

教学建议：问题1比较简单，学生可从课本找出相关解释来解决，教师也可引导学生从椭圆标准方程入手，通过修改参数来印证课本中的解释.问题2虽然是同类问题，但是由于需要极限的思维，教师可通过几何画板演示帮助学生理解,如图9所示.

学生的操作结果：

分析1：从数学角度讲，在椭圆标准方程

当b≈a时,则就将接近圆标准方程，而根据c2=a2-b2，则c≈0，两个焦点接近重合，中心天体即将出现在圆的圆心.

分析2：当b→0时,椭圆的两侧就将重合为一条直线，此时c≈a，中心天体即将出现在直线的一个端点.

点评：通过上述问题的引导与思考，对运动原有的认知将受到强烈的冲击，在这样的学习过程中，更新认知结构将成为必然，认知水平将更上一层楼.

4 使用运动观念 解决实际问题

在解决问题的过程中，运用的是运动学的知识和规律，经历的是运动学中具体的结构化案例，得到的是对运动学问题的本质认识，形成的是对于该类问题解决的系统化观点.通过问题解决的方式，体验“运动观”使用的程序性、灵活性和综合性，促进“运动观”的建构整合.

课堂实例4:

任务4：强化“运动观”在解决问题中的使用

问题情境1：一列波速为1 m/s的简谐横波沿x轴正方向传播，在t=1 s时刻的波形如图10所示,质点P的x轴坐标为3 m.

图10 波形图

问题情境2：赫菲斯托斯是希腊神话中的冶炼之神，刚出生的时候由于虚弱多病而且还是个瘸子，他的母亲赫拉就把他从奥林匹亚山顶扔了下去，如图11所示，经过整整一天，赫菲斯托斯才掉进海里.

图11 神话情境图

问题情境3：现有两种交通工具，一个是地球近地轨道空间站，另一个是贯穿地球的直通隧道车，如图12所示.它们各自的运动轨迹处于同一平面内.

图12 交通工具图

相应问题如表8所示.

表8 问题与目标

教学建议：问题1比较简单，学生应该会用不同的方式去画出振动图像，教师应鼓励学生分享解决问题的思路或程序.问题2和问题3容易出错，主要是思维定式的问题，教师应引导学生从情境信息中提取有效信息“整整一天”，从侧面说明这个山是非常高的，进而促进学生思考，灵活地选择处理问题的规律.问题4和问题5需要帮助学生运用动力学知识确定或构建未知的运动，从而感知“运动观”的综合性.

学生的操作结果：

解答1：思路一，利用波形平移画出t=0 s时刻的波形图，确定t=0 s时质点P的位置和振动方向，进而从t=0 s开始画出质点P的振动图像.

思路二，直接从t=1 s时刻的波形中确定质点P在该时刻的位置和振动方向，进而把t=1 s时刻的状态定为起始状态，向前向后延伸画出质点P的振动图像.学生解答过程如图13所示.

图13 问题1学生解答过程

解答2：从时间角度思考，运动距离相当大，那么运动过程中万有引力有比较大的变化，加速度不是常数g，不能用自由落体规律计算高度.因此需要从天体运动角度处理问题，设想有一个狭长的椭圆轨道，近地点为A，远地点为赫菲斯托斯开始下落的B点，在极限情况下，椭圆两侧轨道就靠拢为直线，椭圆的焦点就无限接近A点，下落距离就约为椭圆的长轴长度.那么下落时间就为椭圆轨道周期的一半.学生解答过程如图14所示.

图14 问题2和3学生解答过程

解答3：对于问题4，空间站的运动是匀速圆周运动，从受力角度看，更像是弹簧振子，有必要从回复力切入，探究沿隧道方向力的变化与位移的关系，从而判定其运动性质.对于问题5，由于问题指向时间，因此考虑周期，从而对比得出结论，由于隧道车运动的等时性，不难引起类比等时圆的联想，解答过程如图15所示.

它们同时从隧道口A出发，若近地空间站顺时针做圆周运动，则近地空间站先到隧道口B.

若近地空间站逆时针做圆周运动，则直通隧道车先到隧道口B.

新发现：1.直通隧道车运动周期与隧道长度无关，且与近地空间站的运动周期相同.

2.直通隧道车穿越地球的时间是定值，类似等时圆情况.

图15 问题4和5学生解答过程

点评：通过上述问题的的解决，学生将积累更多具体典型的运动案例，为学生构建在“运动的物理概念和规律”之上的“运动观”提供了支撑，并进一步潜移默化地将“运动观”印刻在了学生的意识中.

5 结束语

在高中阶段，建立完善的物理观念是一个长期而复杂的过程，需要教师在3年的教学中作出整体性的规划，并抓住每一个教学阶段，运用恰当的教学方式和策略，有效推进知识结构化进程.纵观整个教学过程，笔者以教材内容为起点，以学生学习为中心，通过分解任务、设计情境、跟进问题和引导整合的联动方式，帮助学生将“运动观”从已有的认知结构中剥离、更新并进行重构，主动呈现在学生的观念意识中，使之成为“运动与相互作用观念”建立的一个重要组成部分，为下一步物理观念的整体搭建做好铺垫.