妙用“可视化”技术促进科学思维进阶——以“简谐运动”教学为例

尹庆丰 刘霁华

(1. 常州市武进区教师发展中心,江苏 常州 213164; 2. 常州市武进区礼嘉中学,江苏 常州 213176; 3. 常州市教育科学研究院,江苏 常州 213000)

在2017版课标中将科学思维能力由低阶至高阶划分为5个水平等级．这5个等级的划分启发了我们在培养学生的科学思维能力的过程中,需遵循认知规律,循序渐进,达到能力的逐级提升．[1]由此可见,从高中物理学科教育着手,培养学生的思维能力,已经成为当今教育改革,特别是课堂教学改革的重点．

笔者以“简谐运动”为例,综合运用“可视化”技术,为学生创造良好的思维环境,使之经历由点至面、由近及远、由现象到本质等多个不同的思维状态,从而展开思维进阶课堂教学,让学生在学习活动中完成思维的深度进阶,培育物理学科核心素养．

1 基于“科学思维进阶”的教学设计思路

科学思维,是从物理学视角对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的认识方式,是基于经验事实建构理想模型的抽象概括过程．科学思维的培养,是一个不断积累、不断发展、不断推进的过程．

在具体教学实践中,我们也发现学生对某一主题或核心概念的理解不是一蹴而就的,而是需要依次进阶、逐级深化的思维方式．将科学思维的培养和认知心理学相结合,设计教学流程,这就是基于“科学思维进阶”的课堂．

“简谐运动”这节课,首先通过各种振动情景,让学生了解简谐运动既是最基本也是最简单的一种机械振动,植入清晰的运动观念;其次,指导学生从位移时间图像的角度去描述和解释简谐运动;最后,让学生学会综合应用简谐运动的知识解决实际问题．可见,在“简谐运动”的教学中,应该从建立理想模型开始,探究其内在规律,从而推进学生科学思维能力的培养．

基于本节课教学认知目标的特点,以2017版课标中科学思维进阶的5个水平为指导思路,融入“可视化”技术,教学设计思路如图1所示．

图1 融入“可视化”技术的科学思维进阶教学设计

从图中可以看出,课堂采用了“可视化”技术辅助推进科学思维进阶的整个过程．在提出物理问题时,引入了视频播放、建立了理想化模型;在猜想和验证时,采用频闪照片、几何画板、DIS传感器等手段,从特殊点到很多点再到所有点,层层递进,直至验证成功得出结论;在应用拓展交流阶段,利用“希沃授课助手”软件,实现同屏技术．

“可视化”技术具有传递速度快、反馈效率高的特点,能够将传统技术无法展示的现象呈现在学生的眼前．“可视化”技术的应用让学生获得直观的真实感受,让抽象的概念具体化、形象化,为科学思维过程的推进提供强有力的辅助作用．[2]

2 融合“可视化”技术的具体实施方案

2.1 播放演示视频,分析常见物理现象

视频引入: 把iPhone手机放在吉他里,近距离拍摄琴弦的振动,图2(a)为琴弦振动截屏．

演示实验: 敲击音叉,音叉振动发出声音,将振动着的音叉靠近悬挂着的静止的乒乓球,观察乒乓球的运动,如图2(b)所示．

图2 振动截屏示意图

从听觉到视觉,亲身感受振动．对上述常见的物理现象进行简单分析,明确振动也是生活中常见的一种运动形式:钟摆、秋千的摆动,过独木桥时桥的颤动,敲动音叉时叉股的振动．

设计意图: 应用视频导入教学,旨在诱发科学思维动机,让学生能对常见的物理现象进行简单分析,达到科学思维水平的第一层次．

2.2 抽象物理模型,明确机械振动概念

投影: 实验室里,一根轻弹簧和小球就能组成一个最简单的振动系统,如图3所示．现在小球处于平衡状态．若将小球向下拉一段距离后放手,仔细观察,小球在运动形式上最显著的特点是什么?

图3 振动系统

生: 往复性、周期性、对称性．

建立模型: 我们把这种物体在某一位置附近的往复运动,叫做机械振动．而物体静止时所在的位置称为平衡位置．这个由小球和弹簧组成的振动系统,显然比我们生活中的很多振动形式都要简单,可以抽象为一个理想化模型——弹簧振子．

接下来,根据弹簧振子这一理想模型,研究机械振动,明确机械振动中位移的概念．

投影: 机械振动的位移:物体偏离平衡位置的位移．下面我们就振动的位移这个新的概念来练习一下．

练一练: 弹簧振子在A-O-B间做简谐运动,如图4(a)所示,试着说出每一个T/4质点的运动方向、位移方向和位移大小的变化情况?结果见图4(b)．

图4 “练一练”截屏

设计意图: 应用投影的方式,让学生能在熟悉的问题情境中提炼出理想化的物理模型,并会对该模型进行简单的分析,建立机械振动的基本概念,了解机械振动位移的特点,达到科学思维水平第二层次．

2.3 拍摄频闪照片,猜想位移-时间图像

对于这样一个复杂的运动,暂时没有公式可用．我们可以用位移-时间图像来研究．如何得到弹簧振子振动的x-t图呢?

师: 仔细观察水平方向弹簧振子的运动过程,变化太快,肉眼来不及反应．如何记录呢?

生: 频闪照片．

师: 我们将频闪照片等间距排列,得到了弹簧振子运动的位移-时间图像,如图5所示．

猜想: 我们所得到的x-t图可能是什么规律的曲线?

生: 正弦函数．

设计意图: 通过拍摄频闪照片，挑选恰当点照片,形成位移-时间图像,从而进一步猜想其规律．让学生在熟悉的问题情境中,根据需要选用恰当的方式,建立自己的思维模式,解决简单的物理问题,达到科学思维水平第三层次．

图5 弹簧振子的运动过程

2.4 应用不同方式,验证正弦函数规律

2.4.1 通过频闪照片,特殊值验证

验证这条曲线是否符合正弦函数规律,实际上就是验证这条曲线上的每个点是否满足正弦函数．验证每一个点比较困难,我们能不能先验证某几个特殊点呢?

生: 可以．由于对称性,我们只研究1/4周期．1/4周期内比较熟悉的特殊点:T/4,T/6,T/8,T/12,如果在正弦曲线上应该对应位移A,0.866A,0.707A,0.5A,再测出实际位移,看是否吻合．

师: 下面我们就来验证这一条曲线是否满足我们的猜想．请同学们用手中的频闪照片验证．

学生活动: 设计表格及测量计算验证．

学生展示: 测量的数据及计算验证数据,如表1所示，其中,振幅A=2.6cm,周期T=9.6 s．

表1 特殊值验证法数据表

结论: 曲线符合正弦函数规律．

2.4.2 应用几何画板,数据拟合

特殊点验证法只能说明我们验证的那些点在正弦函数上,如何来验证频闪照片中所有的点都在正弦曲线上呢?

屏幕显示: 绘制的新函数通过了这些点,如图6所示,学生瞬间发出了巨大的惊叹声.

图6 几何画板数据拟合

2.4.3 应用DIS传感器,图线拟合

验证整条曲线满足正弦关系还是不够严密,除非我们能验证所有瞬间的点都在正弦函数上．运用了现代科技的传感器可以帮我们解决这个问题．

图7 DIS实验仪器介绍

仪器介绍: 这是一个悬挂的弹簧振子．如图7所示,位移传感器可以测量振子在不同时刻的位移,我们用位移传感器记录不同时刻振子的位置,就可以得到振子的位移-时间图像,再用正弦函数拟合．

DIS实验: 描绘散点图及函数的拟合,如图8所示．(运用朗威DIS传感器系统,记录离散点,频率20 Hz)

3种不同的方法,最后都能得到同一结论:弹簧振子的x-t图为正弦函数．由此我们验证了前一环节的猜想.

定义: 质点的位移与时间的关系遵从正弦函数的规律,即它的振动图像(x-t图像)是一条正弦曲线,这样的振动叫做简谐运动．

设计意图: 通过频闪照片的特殊点、几何画板拟合整条曲线,到DIS图线拟合所有瞬间的点,层层递进地验证简谐运动图像满足正弦曲线规律．在这个过程中,让学生能恰当使用证据证明物理结论,能对已有猜想提出有依据的质疑,学会采用不同方式分析解决物理问题,达到科学思维水平第四层次．

图8 DIS实验图像

2.5 引入单摆实验,深化认识简谐运动

引导: 图9(a)这台仪器是单摆(单摆的详细知识后面会学到),利用高压脉冲放电可在白纸上打点,接通电源后让小球开始运动,如何能显示小球的位移随时间的变化规律呢?根据今天学到的知识,你有没有办法直接记录小球摆动过程的x-t图呢?

学生讨论: 待小球摆动稳定以后,匀速拖动纸带,就能得到x-t图．

同屏技术: 请一位学生配合完成实验,利用“希沃授课助手”软件,将实验过程用手机拍摄后同屏显示在大屏幕上．

师: 接通电源,开始实验,把得到的图9(b)图像与学生分享,并思考以下问题:

(1) 用笔标出白纸的运动方向,时间轴的方向和白纸的运动方向是什么关系?

(2) 单摆运动的x-t图是什么形状?说明单摆的运动是什么运动?

学生活动及展示: 得到单摆的x-t图,时间轴的方向和纸板的运动方向相反．从直接记录的图像看,图像为正弦函数,说明单摆的运动也是简谐运动．

设计意图: 通过同屏技术,将单摆实验的位移-时间图像呈现在学生的眼前,让学生能应用已有知识在新的情境中对物理问题进行分析和推理,获得正确结论并从运动学角度作出解释,认识到简谐运动是最基本最简单的振动,达到科学思维水平第五层次．

图9 单摆实验x-t图记录

3 结束语

苏霍姆林斯基说:“在人的心灵深处有一种根深蒂固的需要,这就是希望自己是个发现者、研究者、探索者．”而正处于成长期的高中生,这种需要表现得特别强烈．[3]这样的认知心理学在高中物理教学中的最佳着手点就是“科学思维”．

提高学生的“科学思维”能力是课改的重要命题,教师要开放思想、融合多种方法、创新教学,让学生经历科学思维的5个水平等级全过程,使得高中物理教学不仅能够满足学生的学习认知需求,还能够提升学生的物理学科核心素养．对比传统教学,这节课以“可视化”技术为脚手架,引导学生动手体验、动脑猜想、论证、观察、分析、综合、归纳、交流、提升、创造,促进学生思维水平由低到高的进阶发展.