基于教学逻辑进行教学设计——以人教版“简谐运动”为例

付鹂娟

(北京市第一〇一中学,北京 100091)

1 问题的提出

教学的有效性在于逻辑性．[1]物理核心素养有效的落实,需要教师根据教学的逻辑设计学生活动,引导学生自主探究．什么是教学逻辑?应该如何遵循教学逻辑设计教学?本文以“简谐运动”中对简谐运动的认识及其位移—时间图像的得出过程为例,尝试对上述问题进行探讨．

2 教学逻辑

教学逻辑是教学思维的秩序、规律．它包含学科逻辑、学的逻辑和教的逻辑．[2]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的转化过程,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之间是相互关联的,可用图1表示．

图1 教学逻辑系统各要素关系

“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”．[2]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．

3 基于教学逻辑的教学设计案例分析

下面以人教社选修3-4第十一章第1节“简谐运动”教学设计为例,探讨如何基于教学逻辑进行教学设计．

3.1 教的逻辑

3.1.1 基于学科知识逻辑理解教学内容

物理学有严谨的知识体系．教师进行教学设计时首先要明确所教授的这部分知识在整个物理学知识体系建构和发展过程中的地位和作用．

经典物理学通常分为力、热、电、光等学科．某些形式的运动横跨这所有的学科,最典型的就是振动和波．力学中有机械振动和机械波,电学中有电磁振荡和电磁波,光也是一种电磁波．近代物理也处处离不开波,量子力学又称为波动力学,可见振动和波的概念在近代物理中的重要性．[3]

本章的学习不仅局限于力学,它将为整个物理学习打下基础．

3.1.2 基于教材编排逻辑挖掘教学价值

教材遵循学科知识的逻辑顺序以章节的方式编排．教学不是照本宣科,而是对教材的再度创作,这就是我们常说的“要用教材,而不是教教材”．教师要着眼于学生的发展,发现知识的育人价值,把教材的文本知识转化为蕴含教育价值的教学知识．

“机械振动”一章共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)．这种从运动的描述到动力学分析的顺序,与研究直线运动和曲线运动中的逻辑保持了一致性,凸显了研究不同运动方法的统一性和内在逻辑．因此,“简谐运动”的教学应开篇明义,为学生展现这套研究方法．

3.1.3 基于学生认知基础安排教学序列

“简谐运动”一节根据简谐运动的位移—时间图像定义简谐运动,是整章学习的起点．通过前面的学习,学生会用图像描述运动,把这种用图像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像,是本节教学的关键．

教材介绍了频闪照相和数码相机实验获得图像,但学生对这样的方法缺乏相关经验,因而都较难理解,这样就会掩盖用图像研究运动的思想方法这一教学重点．

因此笔者的设计是:创设弹簧振子实际运动的情境,让学生用最熟悉的“描点连线”的方法获得振子位置—时间图像,并深化振动位移的概念．在学生对图像有了一定认识后,引导学生设计实验去获得图像,体会把时间轴展开的思想．最后用传感器实验,得到比较精确的图像,让学生根据图像写出位移随时间的表达式,从定性到定量给出简谐运动的运动学定义．这样的设计,每一个环节都基于学生原有的认知,不断创设新的问题情境,促进学生的认知发展．

3.2 学的逻辑

3.2.1 基于知识建构的逻辑设计问题

知识建构的过程包括知识形成过程的具体途径、方式,即科学方法的运用过程．[2]教师在设计问题时要把这个“隐性”的过程用问题线索“显性化”．

简谐运动概念的建立,体现了从自然现象到物理模型再到物理概念的知识生成过程．首先从大量的实例归纳振动的特点给出机械振动的定义;然后通过弹簧振子这一理想装置,构造理想振动的模型,并抽取理想振动的特征(周期性以及对称性);最后探究理想振动的运动学规律,得出简谐运动的概念．这一过程可用图2表示．

图2 简谐运动概念建构过程

教师用问题推动课堂按这个顺序展开,问题不是孤立的,而是一个问题链．问题的序列遵循这个过程的发展脉络,问题间的过渡和衔接体现关键的物理思维．

定义机械振动的教学环节,设计的问题链如下.

问题1： 请举出生活中振动的实例,并用一个动作表现振动；

问题2： 播放视频展现各种形式的振动．请用关键词描述振动；

问题3： 播放秋千运动的视频,请归纳机械振动的特点；

问题4： 请给机械振动下一个定义．

问题1旨在探查学生对振动的界定是否清晰,能否感受振动的特点．问题2说明什么形式的运动属于这节课要研究的振动,让学生通过观察描述振动．学生能用“来回动”、“重复动”等生活用语描述,很难发现振动“围绕中心位置”的特点．问题3视频中记录秋千在不同时刻的位置(如图3),引导学生有效观察,归纳振动的特点．在学生对振动特点有认识的基础上,问题4引导学生用物理语言概括机械振动的定义．可见,这组问题是用从学生已有的经验出发,通过观察—归纳—概括得出定义的方法线串起来的．

图3 秋千运动

为研究复杂的机械振动,需要建立物理模型．这里建模有两个层次:一是对弹簧振子装置的模型建构,二是对弹簧振子振动的模型建构．设计的问题链如下．

问题5： 教师演示滑块在弹力作用下振动但很快停下来,为什么?

问题6： 在什么情况下滑块受到的阻力可忽略?

问题7： 这种理想的运动有什么特点?

“弹簧振子”是一个忽略阻力理想的运动装置,实际中要构造一个接近理想状态的振动装置,需要忽略次要因素,这就是建模．近似的条件如表1．

表1

通过对这个理想装置运动的分析,可以初步感受这种振动对称性和周期性的特征,对这一运动的深入探究将围绕这两个特征展开．

3.2.2 基于认知发展的逻辑设计学生活动

学生有效的学习是在原有认知结构的基础上,经过同化、顺应形成新的认知结构,而学生重组新的认识结构是在问题解决的过程中实现的．因此,一个良好的学生活动就是为学生创设问题解决的机会,使他们形成新的认知．

这节课设计的第一个学生活动是:播放3个视频,分别是从不同位置开始运动的水平弹簧振子和竖直弹簧振子(如图4,其中①表示平衡位置,②表示起始位置),分组画出视频中振子运动的位置—时间图像,并说明图像如何与实际运动相对应．

图4

教师没有任何提示,学生典型作答情况如图5、图6、图7．

图5

图6

图7

图5反映学生不能用图像正确表示位置的方向；图6反映学生不能用图像正确描述振子的运动；图7反映学生忽略了振子的起始位置．如果教师直接问“位置有方向吗?”、“振子的速度如何变化?”大多数学生都能说出答案,但学生可能只是机械记住了这些结论,而教师只凭答案的正确会以为学生理解了这些知识．如果教师在学生作图之前,就提示应该如何确定坐标原点等易错点,学生暴露错误的机会就会降低,当学生在教师提示下画出正确图像,他们会以为自己掌握了这些知识．本节课的上述设计就是要通过活动,让学生自己发现错误并加以修正,这是发展认知的开始．

图8规定“正半轴为向左运动”,可见学生以为正方向是运动方向,说明学生认为位移的方向和运动方向有关．图9规定“设向上为正”,但图像中起始时刻位置却为正,说明学生不理解位移是相对平衡位置的．位移反映物体位置的变化,机械振动中物体的位置围绕中心位置变化,这个中心位置就是平衡位置,位移是相对平衡位置而言的,与速度无关．如果选取平衡位置为坐标原点,位置—时间图像就是位移—时间图像,图像体现振子运动的对称性．从位置到位移,学生的认知得到发展．

图8

图9

学生通过图10和图11发现水平弹簧振子和竖直弹簧振子图像形式一样,说明图像作为一种物理的语言反映了运动的共同特征,进一步发展认知．

图10

图11

最后引导学生小结(如图12):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)．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,位移—时间图像的斜率可以反映速度．

图12

为了获得更为准确的位移—时间图像,需要尽可能多的,甚至是连续记录振子的位置,可用实验的方法获得．

这节课设计的第二个学生活动是: 请用一张白纸、一把尺子和一支笔设计一个实验,模拟振子的运动,并记录振子的位移随时间变化的情况．

这个设计有两个意图：一是通过对简谐运动实物操作表征深化学生对简谐运动特征的认识;二是让学生体会“把时间展开”的思想．

学生经过讨论能进行正确的操作,如图13．

图13

引导学生小结(如图14)．模拟振子运动要抓住振子运动的特点,提取关键的要素,笔代表振子的运动,其轨迹是直线,并且是变速运动．

图14

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,也就是时间轴是均匀的,这样图像才能呈现周期性的特点．

通过学习活动,引导学生在真实情境中主动建构,置课堂教学于形散而神不散的境界,这是教的逻辑向学的逻辑转化的核心．

4 结论

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、学生认知基础厘清教的逻辑； 二是通过问题设计,学生活动设计外显学的逻辑．符合教学逻辑的教学设计能通过外在的表现形式展现课堂内在的思维本质,提升教学的深度．