基于学习进阶的高中物理模型教学

摘 要：进阶式教学是一种在学生现有知识水平的基础上，通过设计逐步升级的实践活动，引导学生循序渐进地学习，从而有效提升学生能力的教学方法。本文以“简谐运动”的教学为例，探寻进阶式模型教学在高中物理教学中的一般模式。

关键词：学习进阶；模型教学；简谐运动

1 引言

模型建构是高中物理学习中的一种重要科学实践和思维方法。理解和掌握物理概念与原理往往可以通过物理模型的建构来实现，而这一过程需要循序渐进，不能一蹴而就。在物理教学中，教师应用学习进阶的理念，引导学生从已有的知识和经验出发将实际问题抽象为物理模型。［1］这不仅可以帮助学生深入理解物理知识，还能有效培养学生的物理核心素养。本文以人教版普通高中物理选择性必修第一册第二章第1节“简谐运动”的教学为例［2］，尝试指导学生建立简谐运动的过程模型，并探讨模型教学的一般模式。［3］

2 进阶微课使预习效果最大化

2.1 进阶微课1“机械振动”

在讲解新课内容之前，教师可以通过班级学习群，向学生发布有关机械振动和基本运动模型的资料。学生可以通过观看视频，预先了解机械振动在现实世界中是普遍存在的，例如地震、树叶在风中的摆动、小船在水面上的晃动、钟摆等现象，进而感知机械振动的特征等。

2.2 进阶微课2“弹簧振子”

通过观看Flash动画，学生可以初步了解弹簧振子模型，包括水平方向和竖直方向的弹簧振子，并认识模型中的主要和次要因素。学生还能初步观察到振子的运动与匀变速直线运动之间的差异。通过自主学习和学习小组的网络交流，学生能够建立起对物理情境的感知，并对物理概念形成初步的理解。

设计思路：在传统课堂中，预习材料通常来源于教材和教辅资料。这些材料往往缺乏直观性，导致学生对物理现象的真实情境缺乏足够的感知。利用现代教学技术，教师可以提前让学生通过视频和动画体验机械振动在日常生活方方面面的具体情景。这样的教学方法能够有效激发学生的学习兴趣。

3 进阶式探究机械振动的特点

3.1 利用实验、多媒体技术创设情景，导入新课

首先，教师展示预先准备好的“鱼洗”实验器材，并通过师生互动，指导学生用湿润的手掌摩擦鱼洗的把手。学生观察到水面上水珠的跳动，了解这是共振现象的体现。其次，教师敲击音叉，让学生直观感受振动的存在。再次，教师拨动固定在讲台上的直尺，让学生观察直尺来回振动。最后，教师引导学生进行分组实验，使用直尺在桌边振动，让学生亲自体验振动的感觉。

分组实验：请同学们轻轻发声，将手掌放在喉结附近，感受声带的振动。

师生讨论：课件展示大量振动的gif格式的图片，引出话题“振动无处不在，同学们能否找出它们共同的特征？”引导学生归纳总结，上述运动中物体总是在某一位置的附近做往复运动，从而引出机械振动和平衡位置的概念。

设计意图：从视觉、听觉、触觉等多角度进行教师演示实验、学生分组实验，让学生充分感知振动的特征。这种多角度的体验将物理概念的建构过程置于直观和形象的层面上，从而降低了学生在理解过程中的思维难度，使得概念教学更加自然和流畅。

3.2 进阶式建构弹簧振子模型

思考与讨论：如何研究复杂的机械振动？

在物理研究中，进阶式模型建构强调采用递进的方法，即从易到难、由简入繁，抓住问题的主要矛盾而忽略次要矛盾，从而建构出理想化模型。

3.2.1 演示一

实验1：在铁架台上竖直悬挂一个弹簧，其下端连接一个乒乓球。用手将乒乓球拉至一定位置后释放，乒乓球上下晃动但很快停止运动。

实验2：在铁架台上竖直悬挂一个弹簧，弹簧的下端连接一个质量较大的铁球。静止释放铁球后，铁球在平衡位置附近进行幅度相等的往复运动。

实验3：将铁球悬挂在细棉线下端，从最低点横向拉至一定的角度由静止释放后，铁球在平衡位置附近进行幅度相等的往复运动。

实验4：在水平光滑直杆上安装定滑轮，定滑轮的下端连接一个铁球，铁球的两端由两根弹簧固定。将铁球拉至一定位置后释放，铁球在平衡位置附近进行幅度相等的往复运动。

教师提问：这些物体的运动各不相同。运动轨迹有直线的、曲线的；运动方向有水平的、竖直的；物体各部分运动有相同的、不相同的。这些物体的运动有什么共同的特征？这几个振动，哪一个运动形式最简单、最便于研究？简要阐述你的理由。

学生回答：在实验1中，由于乒乓球质量相对于弹簧质量而言较轻，乒乓球会迅速停止运动，这不利于进行振动研究。实验3中的铁球运动轨迹为曲线，而非直线，这增加了研究的复杂性。相比之下，实验2和实验4中铁球的运动轨迹为直线，这使得研究更为方便。特别是在实验4中，铁球受到的重力和水平光滑直杆产生的支持力二力平衡，因此铁球所受的合力主要来源于弹簧的作用力；这种力的作用较为简单，便于揭示力和运动之间的规律。

教师归纳：在实际的运动过程中，小球和弹簧的质量都不能忽略，受到的阻力虽然很小，但仍然是存在的。在研究复杂的物理问题时，我们需要抓住问题的主要因素而忽略次要因素，从而建构出理想化模型。在这一类运动中，我们可以忽略弹簧的质量和一切阻力，在此条件下，小球和弹簧组成的这个系统，就称为弹簧振子。

3.2.2 演示二

实验：气垫导轨上的弹簧振子模型。

思考与讨论：如何描述弹簧振子的运动？对于弹簧振子的运动，怎样定义“位移”对研究问题更方便？教师通过平板终端，采集同学们的猜想，如可以从位移、时间、速度、加速度等角度，更科学、方便地描述相对平衡位置的位移。

动画演示：弹簧振子的位移定义是以平衡位置为起点的，强调弹簧振子的运动具有对称性。

设计意图：在建立模型的过程中，学生需要学会抓住问题的关键，即抓住问题的主要矛盾而忽略次要矛盾。通过云数据采集，学生可以将思维建立在直观的一手信息之上。这样的方法能够有效拓宽学生的思路，鼓励学生大胆提出猜想。随后，通过实物演示和对比，教师引导学生逐步进行抽象思考，概括出物理模型，从而培养学生的模型建构能力。

3.3 进阶式探究弹簧振子的位移与时间关系

思考与讨论：如何更加直观地反映位移随时间变化的规律？

学生阅读教材，分组讨论得出方法：照片平铺法、描图记录法。

3.3.1 演示三

实验1：照片平铺法。将频闪照片等间距地排列在一起，得出不同时刻弹簧振子的位置。

实验2：自制描图记录仪。将水平纸平铺在塑料板上，水平匀速拉动塑料板，铁球上的毛笔在水写纸上留下痕迹，从而间接地反映铁球的位移随时间的变化规律。描图记录仪及留下的水迹如图1所示。

分组实验：利用弹簧振子图像描绘器进行数据的采集。弹簧振子图像描绘器和充气泵如图2所示。

获取证据：学生协同合作，操作仪器，获得纸带。学生实验获得的纸带如图3所示。

猜想与假设：弹簧振子的位移与时间的关系与正弦或余弦函数关系相似。

3.3.2 实验论证

学生活动1：用直尺画出分别经过最高点和最低点的两条直线，找出两条直线的中位线并画出中位线，确定与曲线的交点。建立横、纵坐标轴，以一个周期内的点为研究对象，找出半个周期、四分之一个周期、六分之一个周期、八分之一个周期各点的纵坐标。如果这些点的纵坐标与对应正弦函数的值接近，那么可以近似认为这条曲线是一条正弦曲线。

学生活动2：通过频闪照相技术获取的照片用于测量数据，弹簧振子在前半个周期和后半个周期不同时刻的位置分别记录在表1和表2中。学生根据这些数据在坐标纸上进行描点作图，课堂中学生的作图成果如图4所示。

实验3：图像拟合。利用位移传感器获取的弹簧振子位移与时间的关系图像如图5所示。在传感器界面上进行图像分析时，教师应用了正弦拟合公式y＝asin（ωt＋φ）＋b。经过拟合后的图像与实验直接采集的图像高度一致，几乎完全重合，如图6所示。这一结果说明，简谐运动中位移与时间的关系呈现正弦函数的典型特征。

归纳总结：弹簧振子的运动位移随时间的变化满足正弦或余弦函数关系。

设计意图：在教学中，教师首先通过演示实验，使用不同的方法来获取简谐运动的位移—时间图像。教师随后引导学生进行分组实验，让学生搜集证据、提出猜想、作出判断，并让学生通过实验来验证猜想。这种层层递进的教学方法贴合学生的认知规律。在分析数据并运用图表法和图像法描述运动的过程中，学生不仅提高了数据处理能力，还深刻领略到了数学与物理结合的魅力。同时，这个过程也为学生科学探究能力的培养奠定了坚实基础。

3.4 建构模型，总结规律，形成概念

思考与讨论：由上述分析可得弹簧振子的位移—时间图像是一条正弦曲线，类似的运动被称为“简谐运动”。

多媒体动画：师生共同讨论，简谐运动的图像不是运动轨迹。

设计思路：与实物模型相比，过程模型在建构过程中更难以掌握，这主要是因为学生需要通过多角度的深入探究来全面理解过程模型。利用多媒体技术，学生可以直观地感受到图像和轨迹之间的差异。这有助于加深学生对过程模型的认识。此外，通过在教学中列举生活中的实例，不仅可以引导学生形成正确的价值观，还能培养学生的科学态度和责任感。

4 进阶式训练实现知识的巩固与深化

4.1 进阶式训练一（针对基础薄弱的学生）

（1）质点离平衡位置的最大距离为多少？

（2）在1.5s和2.5s两个时刻，质点向哪个方向运动？

（3）质点在第2s末的位移是多少？

4.2 进阶式训练二（针对基础较好的学生）

例2 某弹簧振子的振动图像如图8所示。根据图像判断并回答下列问题。

（1）哪段时间内弹簧振子相对于平衡位置的位移与速度方向相反？

（2）哪段时间内弹簧振子相对于平衡位置的位移不同，但瞬时速度方向相同？

（3）哪段时间内弹簧振子相对于平衡位置的位移方向相同，瞬时速度方向相反？

设计思路：利用智慧教学平台，教师可以直接将习题发送给每位同学。学生在班级的平板终端上直接答题，并通过拍照上传答案。云数据系统会根据不同答案对学生进行分类。对于掌握不牢固的学生，教师会推送相关的讲解视频，帮助他们理解；而对于基础较好的学生，教师会推送相似难度的题目，以进一步挑战他们的能力。这样的分层布置作业方式，能够确保每位学生都能获得与自身的水平相适应的练习，从而达到个性化学习的目的。

5 结语

高中物理模型教学形式多样，教师需根据不同课型的特点，高效运用现代教育技术，以进阶式科学探究的方法揭示物理规律，建构物理模型。这样不仅能够打造出更加智慧和智能的课堂，提高学生的学习兴趣，还能促使学生更早地适应现代科技社会，培养学生终身学习的能力。教师应积极开发多样化的教学资源，丰富智慧课堂的内容，并将这些资源进行分类、去伪存真地筛选，以开阔学生的视野，激发学生学习的内在动力。同时，教师应根据学生的认知基础，有计划地进行进阶式教学，从而提升教学效果和教学质量。

参考文献

［1］中华人民共和国教育部. 普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）［M］. 北京：人民教育出版社，2020：46-48．

［2］人民教育出版社 课程教材研究所 物理课程教材研究开发中心. 普通高中教科书 物理 选择性必修 第一册［M］. 北京：人民教育出版社，2020：31-34．

［3］季启红. 基于核心素养的教学设计——简谐运动［J］. 中学物理，2019，37（11）：57-58．