基于学习进阶发展层级模型的高中物理教学设计——以“波的形成”为例

马朱林

(江苏省苏州实验中学,江苏 苏州 215011)

当前国内外物理教育领域认为学习进阶是培养学生物理核心素养最有效的教学方式之一,在促进认知发展、建构物理观念、提升思维品质等方面发挥着举足轻重的作用.

先进的教学理论需要课堂教学实践支撑.笔者运用学习进阶层级模型对人教版选择性必修第1册第3章第1节“波的形成”进行教学设计,并在江苏省教学新时空名师课堂进行课堂教学展示.

1 学习进阶理论及发展层级模型简介

学习进阶就是在较大的时间跨度内对某一主题进行学习和探究,依次进阶、逐级深化的思维方式的描述,是学生在学科概念的认知过程中思维发展和学习路径逐级进阶、不断升华的过程,是建构物理观念和培养关键能力的重要途径之一.进阶变量和“阶”的确立是学习进阶构建的核心.进阶变量就是学生思维与认知发展的路径,类似爬山的路径,而“阶”就是路径中的“蹬脚点”,连续的“蹬脚点”将学生的学习始终两端连接起来.沿着路径,踩着“蹬脚点”步步前行就能够实现思维深化、概念理解和能力培养.物理观念的建构是物理学习的主要问题之一.面向物理观念建构的进阶学习中,北京师范大学郭玉英教授团队在层级复杂度和知识整合度等认知理论的基础上研究总结出了契合我国高中物理教学的5个发展层级模型(表1),即经验→映射→关联→系统→整合,并对5个发展层级的表现期望作出了具体的描述.

表1 学习进阶发展层级模型

在“波的形成”一节进行教学设计时,将5个发展层级作为进阶变量探究波的形成的机制,在进阶过程中实现运动观、能量观等物理观念的建构.

2 经验——情境创设

经验是物理观念的具象,是物理问题的素材,也是物理教学的起点.杨振宁先生就曾指出“物理现象才是物理学的根源”,这里的现象就是经验.高中物理教学中,需要围绕着教学主题将学生平时积累的经验在课堂中重现并引发学生的思考,即创设物理情境.创设物理情境既能让学生感受到物理学与自然、生活间紧密联系,又能降低学生的思维起点,激发学生的学习兴趣.

高中生对波的经验比较丰富,在生活中会接触到形形色色的机械波,如绳波、水波、声波等.在教学中,从不同的角度唤醒学生对机械波的再认识,并探寻共性特点.笔者运用图片和视频从视觉的角度去呈现生活中的水波和绳波(如图1所示)以唤醒学生对机械波的经验.为了让学生从视觉感官进阶到触觉感官,对波的特点有更直接更深刻的认识,可让学生在课堂上亲自体验绳波的形成：将一根柔软且较长的麻绳的一端系在桌腿上,让学生执绳另一端并上下连续抖动,麻绳上即刻呈现一列如图2所示的绳波.

图1 水波和甩绳运动

图2 绳波

3 映射——模型建构

映射就是对原有经验进行抽象并建立物理模型,在经验和模型之间建立对应关系.映射是实现物理现象向物理模型进阶的必然路径,是科学表象思维向科学抽象思维进阶的重要形式,既遵循科学探究的一般规律,也符合学生认知规律的发展特点.

学生虽对绳波现象有直观的印象,但是对其形成原理比较生疏.如何将现象抽象为模型并进阶到概念是教学的重点,也是难点.学生通过观察绳波现象与体验绳波形成对绳波的形成原理能作出简单的定性解释,即“一段绳子带动另一段绳子,从而形成绳波”.但是,这样的定性解释依然停留在现象的描述上,还没有深入到一般机制,不具备普遍性.此时,物理研究的思想和方法在现象向模型的进阶过程中将发挥决定性作用.

教学片段1.

师：刚才有同学讲了,一段绳子带动另一段绳子从而形成绳波,我只看到了一根绳子,“另一段”从何而来?

生：将绳子一分为二.

师：我们从视频的慢镜头中可以看到,如果将长绳从中间一分为二,我们发现,抖动绳子左端,在绳子左半段就已经形成了绳波,甚至在非常靠近绳子左端就已形成绳波,而右半段甚至更长并没有被带动,但绳波已经形成,这该如何解释?

生：将左半段再进行分割,可以分割成无数小段.是相邻的绳段之间相互带动形成绳波.

师：“将长绳分割成无数小段”这一操作从物理方法的角度称为什么方法?

生(全体)：微元法.

师：很好.其他机械波,比如水波等等是否也可以运用微元法进行解释?

生：可以.都可以运用微元法将产生机械波的物质无线分割,相邻的小段之间相互带动形成波.

师：“小段”到底有多小?可否用其他物理方法对“小段”进行界定?

生：可以分割到尺度趋近于0.运用理想模型法将每一小段抽象为质点,即质点之间的相互带动形成机械波.

通过教学片段1可见,通过教师的引导,学生运用微元法将长绳分割成“小段”,并运用理想模型法将“小段”抽象为“质点”,从而建构起“质点之间的相互带动形成机械波”这一物理模型(如图3所示).在建构的过程中,现象“小段”与模型“质点”、现象“抖动”与模型“波源”建立映射关系;从“两段”到“无数小段”再抽象为“质点”的思维进阶与思想方法“微元法”“理想模型法”形成映射关系.从整个建模过程看,不仅仅是物理现象向模型建构进阶,呈现出真实的物理探究过程,学生的思维也实现了由浅入深、由表入里、从感性向理性的进阶,培养了学生科学思维的能力.

图3 物理建模与思想方法

4 关联——探寻证据

经验是对物理表象的认知,映射是将表象认识进阶到理性分析的桥梁,建立物理模型,关联是对物理模型中各物理量之间的逻辑和规律提出猜想并探寻证据.探寻证据是物理核心素养中科学探究的主要形式之一,对培养学生设计探究方案和获取证据能力和思维的培养举足轻重.

探寻证据的关键是确定需要探究的物理量及其数据.物理量的确定是基于对原理的定性分析后的猜想,而数据测量需要进行实验设计和测量手段的选择,因此,在关联这一教学环节,教师需要引导学生在这三个方面进行思考与探究.

教学片段2.

师：我们已经初步了解了波的形成原理,即相邻质点间的带动形成机械波.每个质点都会在前一质点的带动下振动,那么,这些质点做的是什么振动?

生：受迫振动.

师：如果第一个质点做的是简谐运动,那么后面所有质点的运动形式如何?

生：和第一个质点的振动形式一样,这是由受迫振动的性质决定的.

师：如何确定振动形式一样?

生：所有质点的振动频率和振幅相同.

师：描述振动除了频率和振幅,还有什么物理量?

生：初相位.但是由于这些质点的起振有先后顺序,初相位可能不同.但是每个质点起振的方向一定相同.

师：以上只是我们通过原理分析得到的猜想,我们需要验证.根据大家刚才的分析,我们需要测量这些质点的哪些物理量?

生：振幅、频率、振动方向和起振方向.

物理量确定后,就需要引导学生设计测量各物理量的实验方案.

教学片段3.

师：现在要对测量这些质点的振幅、频率等物理量.在物理学的研究中,往往是通过实验去测量相关物理量.我们要测量的对象是理想模型质点,并且在测量时我们期望实验稳定且现象明显.怎么办?

生1：可以在绳子的不同处做上记号,测量这些记号的振幅、频率.

生2：手上下振动不稳定,不能作为波源,而且绳子由于重力作用,在振动时并非完全的受迫振动.我觉得不能直接将绳波作为研究对象,需要改进.

师：如何改进?实验方案如何设计?

生2：可以用水平的弹簧振子,也可以运用匀速圆周运动在某直线方向的分运动为简谐运动为原理设计波源.

师：质点如何呈现呢?

生3：可以用小珠子表示质点.用细线将小珠子串成珠串,一长串珠串替代长绳.

师：这个主意很好.还有个困难,就是如何解决重力对波的形成产生的影响呢?

生3：这个不难.每个珠子用细线悬挂,细线的拉力将重力平衡,让波源在水平方向振动.

师：看来我们是师生同心.我在课前就按照两位同学的设计思路制作了这个实验设备.

(教师展示如图4所示的实验器材)

图4 简谐波演示仪与简谐运动波源

数据采集也是证据探寻中至关重要的环节,是学生实验能力的重要体现.学生在选择和设计数据采集方法时能将已有知识与现实问题相关联,根据实际问题去选择熟悉的、合适的方法去解决,达到学以致用的效果.当学生的已有知识无法解决当前的问题,就需要学生创造性地研发新的测量手段,这对学生的思维进阶和创新能力培养有很大益处.

教学片段4.

师：前面的学习中,我们已经确定了要测量小珠子的振幅、频率、振动方向和起振方向,实验器材已经完成,下面就要讨论各物理量的数据测量手段了.

生1：振动方向、起振方向直接观察就可以了.

生2：振幅可以运用频闪照相的方法.将所有照片叠加,若所有小球的正负最大位移相同,说明振幅相同.

师：很好.频闪照相法也是我们熟悉的且常用的数据测量方法.频率的测量呢?

生1：可以多个同学各自选择一个小珠子,采用测量单摆周期的方法用秒表进行测量时间.

生2：这个方法只能估测,精确度不够.可以使用光电门去测量.

生3：也有困难.珠子太小,难以保证珠子每次都能经过光电门的中心,而且需要大量的光电门.

生1：我觉得还是用视频的方法.录制一段视频,利用播放器上的计时工具可以准确测量某个珠子多次全振动的时间,这样就可以算出周期,而且可以反复测量.

根据学生的设计思路,笔者制作了如图4所示的实验仪器.波源在水平方向做简谐运动,各珠子随之振动形成如图5所示的简谐横波.用频闪照相将各时刻珠子的位置进行标记,测出各个珠子的振幅和轨迹;通过拍摄视频并利用播放器自带计时器可以测量出各珠子的振动周期;通过直观观察判断各珠子起振的先后顺序和起振方向.通过以上测量,将结果记录在表2中.

图5 珠串振动形成简谐波

表2 实验记录表格

5 系统——归纳规律

系统就是通过从实验数据中寻求共性规律,构建学科核心概念,是目前中学物理教学中倡导的基本方法.归纳是科学研究的一般方法,从数据中发现蛛丝马迹,寻求普遍规律,对培养学生的数据洞察能力、处理能力和归纳能力有很大帮助,也是培养学生科研素养的重要途径之一.

在关联层级,通过一系列测量手段将波源和珠子的振幅、频率、振动方向、起振方向等物理量进行了测量并填入表2中.通过教师引导、小组讨论,学生对波源和各珠子在某一个物理量的具体表现进行分析、归纳,找到共性特征：(1) 各小球的振幅、频率、起振方向与波源相同;(2) 各珠子的振动方向与波的传播方向垂直;对以上两点共性特征再次归纳,可以得到“各质点的振动形式均与波源相同”这一学科核心概念,机械波的形成原理也就应运而生,即“各质点在相邻的前一质点的带动下依次重复着与波源相同形式的机械振动形成机械波”.

经过经验、映射、关联和系统4个层级的认知和思维进阶,学生能够建构起波的形成原理这一核心概念,对机械波的形成机制、产生条件和分类也比较清晰,知识目标和思维形成目标已基本达成.

6 整合——建构观念

整合就是从建构学科概念向建构学科观念的进阶,也是统整跨学科概念联系的路径之一.

学科观念已经超越学科知识范畴上升到了哲学视角.从学科育人目标看是让学生形成物理观念,并能解释自然现象和解决实际问题.整合就是将学科概念内化、升华为学科观念,并能解决本学科或跨学科的实际问题,实现了从学习向应用的进阶,从科学向哲学的进阶,从知识向素养的进阶.

“亲身体验”是物理观念构建的最优方式之一.基于此,笔者设计了一个如图6的体验活动：让学生排成一排,后一同学紧抓前一同学下衣沿,除了第1个同学外,其他同学全部闭眼,让第1个同学左右横向来回走动,后面的同学会依次在前一同学的“带动”下跟动起来.学生通过“紧抓”和“跟动”的触觉体验加深对“带动”的理解,有利于学生对相互作用观、运动观的建立.

图6 学生体验

“学以致用”能加深物理观念的建构.通过前面的科学探究,学生对机械波的形成原理只是停留在“学”的基础上,而“用”才能进一步加深物理观念的建构.笔者在课堂让学生根据波的形成原理用多种方法描绘出简谐横波在4个特殊时刻(T/4、T/2、3T/4、T)的波形图,让学生对波的形成与传播中所体现的能量观、运动观有更深刻的认识.

图7 用GeoGebra绘图软件绘制波的形成

在描绘波形图的实践阶段,除了让学生运用描点法外,笔者还指导学生运用数学绘图软件GeoGebra进行编程实现不同时刻波形图的呈现,并将学生的习作与之对比、纠正,达到学习工具的进阶,实现计算机编程与物理学的跨学科整合.此外,笔者还引导学生运用所学的波的知识去解释地震波现象,指导学生设计制作简易地震监测仪,实现物理学与地震学、工程学的跨学科学习,让知识、方法、观念与情境相整合.

7 结语

学习进阶是符合学生的认知发展规律的有效学习方法之一.学生对物理本质的认知由浅入深、循序渐进的过程,而学习进阶的5个发展层级恰恰符合学生的认知发展规律,同时也符合科学探究的一般步骤.从浅层的经验开始以建模为“阶”将现象和物理概念之间建立映射关系,从现象向物理模型进阶;以实验测量为“阶”,将表征物理模型的各物理量之间建立关联,从模型向概念的进阶;以比较分析为“阶”,归纳总结出共性规律,建构出核心概念,从下位概念向核心概念的进阶;以实践体验为“阶”,亲身体验“带动”所蕴含的物理观念,达到从概念向观念的进阶.

学习进阶是培养学生核心素养的有效策略之一.在对波的形成原理的研究中,将学习进阶中五个发展层级为进阶变量,以真实问题绳波的定性分析到珠串振动的定量研究为主线,在科学探究的过程中使得思维方法、学科概念、学科观念的不断建构,科学态度与责任也逐步形成,学生的核心素养也在不断的提升,最终达成“学科育人”的教育目标.