基于教学逻辑进行教学设计

◇ 北京 付鹂娟

(作者单位:北京一零一中学)

教学逻辑是教学思维的规律,包含学科逻辑、学的逻辑和教的逻辑.学科逻辑关注学科知识的生成过程,旨在回答“为什么要教这个内容”;学的逻辑关注学生的认知发展规律,旨在回答“为什么要这么学”;教的逻辑关注把学科知识转化为学生个体经验,旨在回答“为什么要这么教,效果如何”.学科逻辑、学的逻辑和教的逻辑是相互关联的,如图1所示.

图1 教学逻辑系统各要素的关系

学科逻辑、学的逻辑内隐于教的逻辑背后,是教师形成教的逻辑的前提.在某种意义上,教学设计的过程就是教师厘清教的逻辑的过程.基于教学逻辑进行教学设计应把握两条主线:一是基于学科逻辑、教材逻辑、学生认知逻辑;二是通过学生活动设计学的逻辑,引导学生在真实情境中主动建构学的逻辑,使课堂教学“形散而神不散”,这是教的逻辑向学的逻辑转化的核心.总之,物理学科核心素养的有效落地,需要教师根据教学逻辑设计学生活动,引导学生自主探究.本文以“简谐运动”一课为例,展示遵循教学逻辑进行教学设计的过程.

1 “简谐运动”教的逻辑

“简谐运动”属于“机械振动”一章,该章共5节,依次是从运动学角度定义简谐运动、描述简谐运动、从相互作用与能量观念角度分析简谐运动、研究具体的振动(单摆和受迫振动).这种从运动描述到动力学分析的顺序,与研究直线运动和曲线运动时的教学逻辑保持一致,凸显了研究不同运动方法的统一性.

“简谐运动”一节根据位移—时间图象定义简谐运动,这是整章学习的起点.通过前面的学习,学生会用图象描述运动,把这种用图象研究运动的方法迁移到对陌生、复杂运动的研究中,并用所学知识获得图象,这是本节教学的关键.

笔者进行了如下设计:创设弹簧振子实际运动的情境,让学生用熟悉的“描点连线法”获得振子的位置—时间图象,深化振动位移的概念;在学生对图象有了一定认识之后,引导学生设计实验并获得图象,最后用传感器实验得到比较精确的图象,根据图象写出位移随时间变化的表达式,从定性到定量逐步得出简谐运动的运动学定义.在这样的教学设计中,每个环节都基于学生的原有认知,不断创设新的问题情境,促进学生的认知发展.

2 “简谐运动”学的逻辑

本节课设计了两个学习活动:一是用“描点连线法”画出弹簧振子的位置—时间图象;二是设计实验并获得图象.

2.1 用“描点连线法”画出图象

教师分别播放从左侧最大位移处和右侧最大位移处开始运动的水平弹簧振子与从下方最大位移处开始运动的竖直弹簧振子的运动视频,让学生分组画出视频中振子运动的位置—时间图象,并说明图象如何与实际运动相对应.

这个活动有两个意图:一是让学生用图象来描述一个陌生的运动;二是通过对图象的分析,理解这种运动的特点.完成这个活动有三个层次.

1)用位置—时间图象描述振子的运动

大多数学生作图时,都选择将平衡位置作为坐标原点,并规定了正方向.典型的错误见图2、图3、图4.

图2反映出学生不能用图象正确表示位置的方向,图3反映出学生不能用图象正确描述振子的运动特点,图4反映出学生忽略了振子的起始位置.这些结果说明学生不能顺利地将物体的实际运动和图象相对应,这对教师和学生来说都是有效反馈.

图2

图3

图4

如果教师直接问“位置有方向吗”“振子的速度如何变化”,大多数学生都能正确回答.而出现上述错误,反映出他们只是机械地记住了结论,教师只凭回答正确会误以为学生理解了这些知识.如果教师在学生作图之前,就讲解了作图的要点替学生规避易错点,他们暴露错误的机会就会降低,学生在教师的提示下画出正确图象时,会以为自己已经掌握了这些知识.因此,通过该活动让学生自己发现错误并加以修正,是发展认知的开始.

最后师生共同小结:作图首先应确定坐标原点,规定正方向,然后确定不同时刻运动物体的位置(通常需要找到典型的位置),其次,如何把这些典型的位置用线连接起来,取决于物体从一个位置到另一个位置是如何运动的,也就是速度是如何变化的.

2)从位置图象到位移图象,理解振子运动的对称性

部分学生所画的图象从形式上看是正确的,说明他们能用图象正确描述振子的运动特点.但仔细分析发现,图5中规定“正半轴为向左运动”,学生规定运动方向是正方向,说明其认为位置的方向和运动方向有关;图6中规定“竖直向上为正方向”,但图象中起始时刻位置却为正,说明学生潜意识中仍然以为速度方向是正方向.这些错误反映出学生不清楚如何描述物体的位置,造成理解振动位移概念的障碍.教师可通过以下设问,引导学生厘清错误认识.

图5

图6

师:请大家回忆什么是位移? 位移的物理意义是什么?

生:位移是从初位置指向末位置的有向线段,反映物体位置的变化.

师:同学们作图时为什么选择平衡位置作为坐标原点?

生:因为振子在平衡位置附近运动.

师:你能否根据机械振动的特点,给机械振动的位移下一个定义?

生:机械振动的位移是指从平衡位置指向该位置的有向线段.

师:可见在不同形式的运动中位移的概念具有内在的统一性.选取平衡位置为坐标原点,位置—时间图象就是位移—时间图象,位移图象体现振子运动的对称性.

3)比较水平和竖直弹簧振子的位移图象,理解振子的运动学特征

经过讨论,得到正确图象如图7、图8所示.

图7

图8

师:水平弹簧振子和竖直弹簧振子的图象形式一样,对此你有什么体会?

生:这两种弹簧振子的运动特点相同.

师:所有类似弹簧振子的运动,其位移图象都具有这样的形式,我们可以用图象直观地描述物体的运动,并抽取其运动的本质特征.

2.2 设计实验获得图象,理解振子运动的周期性

为了获得更准确的位移—时间图象,需要尽可能多地甚至连续地记录振子的位置.由此,设计第二个学生活动:用一张白纸、一把尺子和一支笔模拟振子的运动,并记录振子的位移随时间变化的情况.

这个活动的难点之一是如何用所给的器材构建一个振子的运动,难点之二是如何记录这个运动的位移.突破这两个难点就可以实现这个活动的设计意图:抽取弹簧振子运动的要素,在模拟振子运动的过程中进一步理解振子运动的特点;体会“把时间展开”的思想中的振子运动的周期性.

1)提取振动的要素,构建振动

学生通过用图象方法描述振子的运动,初步认识了振子运动的特点.但只有当学生能根据振动的特点构建一个新的振动,才能表明他们真正理解了振动,抓住振子运动的特点,提取最关键的要素.

有的学生用手上下振动模拟振子运动,用笔记录运动;有的学生用尺子来回运动代表振动,并用笔记录尺子的振动,这些学生对振动特点的把握都不够全面.还有的学生用笔的上下运动构建振动,笔在振动的同时也记录了自身的位置,他让笔在尺子中间的缝隙里来回运动,这样不仅保证振子运动的轨迹是直线,并且还能保证振动是对称的,可见他比较全面地理解了振子运动的特点.

2)把时间轴展开,理解振动的周期性

学生想到用“抽动纸带”的办法获得图象要经历一个试探的过程.有学生想到用尺子模拟振动,把笔“固定”在尺子上,记录位移.但如果不抽动白纸,只能得到一条直线.因为振子的运动具有周期性,不同时刻可能运动到相同的位置,要区分不同时刻的位置,就要在不同的空间记录振子在不同时刻的位移,所以要抽动白纸.抽纸实际上是用纸移动的距离表示时间,只有匀速抽动才能保证通过相等的距离所用的时间相等,这样图象才能呈现周期性的特点.还有的学生用笔模拟振动,并且让笔沿着尺子来回运动,以保证振子的运动轨迹是直线,然后移动尺子获得图象,体现了学生的创造性.