注重科学思维发展的启发探究式教学设计

---以“简谐运动”教学为例

 马华峰

（吴江汾湖高级中学，江苏 苏州 215211）

摘要：科学思维是对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的一种认识方式，是学生终身发展的必备品格和关键能力，因此，关注学生科学思维素养的提升在高中物理课堂教学中就显得尤为重要。文章通过巧用生活情境、铺设实验路径和激发批判思维等方式，启发学生通过比较与分类、抽象与概括、分析与综合和逻辑推理等活动，在形成概念或得出规律的同时，提高学生的模型建构、科学推理和论证以及质疑创新等能力，这样的教学有效促进了学生科学思维素养的提升。

关键词：科学思维  启发探究  教学设计

在高中物理学科核心素养中科学思维是关键能力，科学思维素养主要包括：模型建构、科学推理、科学论证和质疑创新四个方面，发展科学思维对人的终身发展有着至关重要的作用。启发探究式教学强调引导学生积极主动思考，强调教师主动而科学地引导，体现教学的主导地位，另一方面，也强调学生积极思考，主动参与课堂教学活动，体现学生的主体地位。探究式教学需要更多的教学时间，而且挑战很大，假如在探究过程中教师不能适当启发，还可能挫败学生的学习积极性与主动性。为此，在设计教学方案时，要注意创设恰当的情境，让学生有效融入课堂，并以适宜的情境为载体，以问题为导向，通过师生、生生、生本等多元化的互动启发，有效开展物理实验探究，让学生在实验探究的过程中，学习相应的物理知识，提升科学思维素养。

下面以人教版高中物理选择性必修第一册第二章第一节简谐运动为例，探讨在启发探究式教学中培养学生的科学思维。

一、巧用生活情境，培养模型建构能力

模型建构是一种认识手段和思维方式。高中物理教学中要培养学生的科学思维，就要注意关注并提升学生的模型建构能力，具体应注意引导学生体验“基于经验事实构建研究模型的过程”，让学生感悟思维方法，提升学生迁移运用物理知识、思维方法解决实际问题。在“简谐运动”教学过程中，教师可以先从生活的实例入手，在增加学生感性认识的基础上进行适当的启发引导，让学生抓住运动的主要因素，忽略次要因素，最后形成一个能进行实验探究的理想化模型。在具体教学过程中，让学生在观察、实验的过程中，学习建模、学习思维、学习论证，在交流、讨论、展示与评价中，学习思维、论证、质疑、创新，从而有效培养学生的科学思维素养。

生活情境展示1：展示以下四张动态图，钟摆的摆动、水面上随水浪上下浮动的物体、树枝在风中来回摆动和人们担物行走时扁担下物体上下颤动。

问题1：这四个运动有什么共同点？

交流讨论：上述物体都在某个位置附近往复运动，跟以往学习的单向直线运动和平抛运动等曲线运动不同。物理学中将物体在某一平衡位置附近的往复运动称为机械振动。

问题2：像这样的机械振动生活中常见的还有哪些？

交流讨论：荡秋千，飞行的鸟儿的翅膀摆动，活塞的运动...

问题3：上面展示的四个运动有什么不同点？

交流讨论：钟摆摆锤的运动是曲线的，水面上上下浮动的物体和扁担下上下颤动的物体的运动是直线的，风中摆动的树枝上各个点都在振动。

       生活情境展示2：播放振动筛工作时的视频，如图1所示，振动筛下面连接着多组弹簧，振动筛工作时随弹簧上下振动。

交流讨论：在学习物理的过程中，为了研究某种问题，往往选择一个较为简单的模型进行研究。比如，在学习抛体运动时，在忽略物体自身的大小，和一切阻力等次要因素后，研究水平抛出物体的平抛运动。

问题4：在上述提到的各个振动中，为了便于研究，选哪个振动进行研究比较合适？

交流讨论：第一、直线运动比曲线运动更简单，所以排除钟摆的摆动；第二、要有能突出的研究对象，即运动中的次要因素可忽略，像树枝和鸟儿翅膀在振动时，各点都在振动，不能突出研究对象，所以也应排除。而水面上上下浮动的物体、扁担下颤动的物体、活塞和振动筛的振动相对便于研究，且受力也较为简单。

       所以，在研究机械振动时，可以构建这样的运动模型，如图2所示，将轻质弹簧的一端固定，另一端跟一个小球相连，将小球穿在水平直杆上，忽略掉小球的大小、弹簧的质量和小球与杆之间的摩擦，向右拉动小球到某个位置释放后，可以对小球在平衡位置附近做的往复运动进行研究。

设计意图：通过对不同的实例进行比较分类，可以使学生在表象认识的基础上对简谐运动的本质有初步的探究，有了初步探究后，就需要教师适当的启发，借助振动筛引导学生进行抽象和概括，把振动这个运动的共同的、本质的属性联合起来，从而构建出能反映振动本质的且易于研究的弹簧振子运动模型。这样的设计，使学生的形象思维得到了发展，抽象概括和建模能力得到了提升。在后面的学习中，弹簧振子还可以创设在不同的环境中，学生就需要通过知识迁移和创新思维去解决不同环境下的振动问题。

二、铺设实验路径，培养推理论证能力

蕴含在物理知识背后的规律与方法对学生来说需要一个领悟的过程，假如教师在传授知识时，只是照本宣科，就会导致学生不能把握知识间的内在联系，而是简单记忆事实和概念。学生对事物本质没有深入的认识，就会影响他们用物理知识解决实际问题能力的提升，这对于学生的继续学习和发展是不利的。所以，在实际教学中就需要教师创设问题情境，并围绕问题铺设实验路径，让学生亲身实践和收集证据，引导他们将收集的证据进行分析和评价，从而达到使学生在认识事物本质的同时，推理论证能力也得到提升的目的。

简谐运动的本质是物体在大小跟位移成正比，方向跟位移相反的回复力作用下的运动，位移是研究物体运动的一个重要的物理量，在机械振动中，又因为物体一直在往复运动，所以研究振动的位移更加重要。那么，如何去研究振动的位移，振动的位移特点跟之前学过的运动的位移有什么不同，这是教学过程中要重点关注的。

问题1：通过对弹簧振子的观察，发现振子的位置在不断变化，在图2中的A、O、B三个位置中，选择哪个位置作为位移的起点最合理？

交流讨论：机械振动的物体都是在平衡位置附近做往复运动，在研究机械振动的位置变化时，对相对平衡位置的位移进行研究更有价值，又因为机械振动具有对称性，所以，以O点作为位移的起始位置最为恰当。

问题2：振子会在不同时刻经过同一位置，所以，经过的位置有重叠，为了清楚地描述这个运动，可以采取什么方法？

       交流讨论：在研究单向直线运动时，为了反映位置随时间的变化，经常采用作出位移时间图像（x-t图像）的方法，通过描出不同时刻的位置，再连成平滑的曲线，以此反映位置随时间的变化关系。

演示实验1：如图3所示，将重物下拉一段距离后放手，让竖直弹簧振子振动起来。

        问题3：猜想一下，假如以平衡位置（重物静止时的位置）为坐标原点，以向上为正方向，下拉到的某个位置为起始时刻的位置作出的x-t图大概是怎样的图像？

学生在之前的学习中虽然对位移时间图像已经有所认识，但因为对振动物体的具体运动情况还不了解，所以很容易作出如图4所示的锯齿形的位移时间图像。

      拍摄一段竖直弹簧振子运动的视频，然后采用Potplayer软件将视频连续截图，再将图片错开叠加，如图5所示，发现模拟得到的x-t图像并不是直线的，而更有点像正弦或余弦曲线。

交流讨论：在研究单向直线运动时，假如是匀速运动，x-t图线是直线，假如是变速直线运动，x-t图线则是曲线。

播放竖直弹簧振子运动视频的慢镜头，让学生观察振子运动的情况。发现重物的运动是变速的，在经过平衡位置时速度最大，在上下两个端点的速度为零。为了更加清楚的反映弹簧振子的运动情况，将实验进行改进。

      演示实验2：如图6所示，弹簧一端固定，另一端连着一个滑块，滑块放在气垫导轨上，气源对气垫导轨充气后，就构成了水平弹簧振子。两个位移传感器，一个固定在导轨上静止不动，另一个安装在滑块上。滑块在导轨上振动时，位移传感器通过数据采集器可以把各个时刻滑块的位置输入计算机。

       计算机对数据处理后在屏幕上显示出各个时刻滑块位置的连线如图7所示，发现类似正弦曲线。

设计意图：通过先让学生猜想竖直弹簧振子的x-t图像，再用信息技术手段将实际的图线展示出来，学生会发现实际的跟猜想的并不相同，产生了认知冲突，对继续深入研究产生了兴趣。学生通过观察振动视频的慢镜头，找到x-t图像不是直线的原因是振动物体的速度在不断变化，然后，师生一起改进实验方案，继续寻找证据。这样的教学设计，可以引导学生不断地进行分析、推理和评价，学生的论证能力得到了提升，同时，学生对振动的认识也有了从现象到本质的转变。

三、激发批判思维，培养质疑创新能力

要将实验现象物化为实验结论，还需要通过解释和交流。解释交流的过程是培养学生质疑创新能力的最佳阶段，这时就需要教师设置一些能激起学生批判性思维的问题情境，启发学生对得到的实验现象提出合理的质疑，然后，师生一起通过寻找更加优化的实验方案继续进行探究，使得所研究的对象得到充分的解释，最终得出实验结论。在得出实验结论后，学生再通过合作与交流，将实验结论进行准确表述，这样，学生的学习能力得到发展的同时，思维能力、创新能力也得到了发展。

问题1：如图7所示，计算机得出的位移时间图是一条类似正弦曲线的图线，能不能直接确定它就是正弦曲线？

交流讨论：在探究物体的质量一定，加速度和受力的关系时，得到的是一条直线，就能说明加速度和力是成正比的，但是，在探究物体受力一定，加速度和质量的关系时，得到的是一条曲线，就不能直接得出反比的关系。同样，这里得出的位移随时间的图像是一条类似正弦曲线，要确定是不是真正的正弦关系，还要进一步寻找论证方法。

问题2：怎样确定图7中位移和时间的具体关系？

交流讨论：采用假设法，假设这条图线是正弦曲线，然后，根据实验获得的数据，利用数学知识来分析论证。先从图像上读出周期T和振幅A，图像对应的正弦函数表达式就是x=Asin，然后，将不同的时刻代入表达式，算出相应的位移，比较计算出来的位移与实验得到的位移是否一致，假如一致，则假设成立。

       通过正弦函数表达式计算出的位移与实际位移近似相等，说明弹簧振子的位移时间图像确实是一条正弦曲线。

学生实验：如图8所示，一位同学匀速拉动纸带，另一位同学拿着笔在纸带的中心线附近在垂直中心线的方向上来回摆动，两人合作绘制振动图像。

两位同学合作绘制的过程，既是对位移时间图像的一次实践，更是一起交流的一个过程。拿笔同学的手来回摆动的形式会影响所画的图线，有的组画出的图像接近正弦曲线，有的组画出的图像接近锯齿形。

交流讨论：画出接近正弦曲线的组，拿笔同学的手臂来回的速度时刻在变化，而画出接近锯齿形的组，拿笔同学的手臂来回速度几乎不变。

最后概括总结，形成概念，物理学中把振动图像是正弦曲线的振动称为简谐运动。

设计意图：通过教师的启发，学生对计算机得出的曲线是否就是正弦曲线提出质疑，学生的思维得到了激发，在师生、生生的互动启发下，最终找到运用数学加以验证的方法，再通过分组实验进行振动图像的绘制，使学生对振动的位移进行了充分的交流讨论和反思，从而达到了培养学生质疑创新能力的目的。假如教师在授课时一直注重这样的思维锻炼，就能够使学生逐步进行思维建构，形成稳定的认知结构，当物理概念、规律达成后，这种认知结构会使学生对物理规律有很深的认识度，并能产生迁移，学生就懂得应用概念、规律解决实际的问题。

启发探究式教学是希望物理教学始终植根于问题情境，教学过程始终处于师生之间、生生之间的启发与探究之中。从生活现象中发现问题，铺设实验路径搜集证据，改进实验方案进行充分论证，最后通过生生之间的合作交流将探究结果进行表述和反思，通过这样的教学设计，让学习在活动、实践、操作中真实发生，学习环境始终处在分析、推理、论证、质疑中，才能使学生勇于提出自己的观点，最终将创意“物化”，使学生获得“真知识”，学生的创造性思维就得到了培养，科学思维和“自我能力”也就得到了发展。

参考文献：

[1]普通高中物理课程标准[s]. 北京:人民教育出版社, 2018.

[2]马华峰.运用探究性演示实验培养学科关键能力[J]物理教学，2020（10）：30-33.

[3]江山.基于物理学科关键能力培养的“启发+探究”式教学[J]物理教师，2020（7）：24-27.

基金项目：本文系江苏省教育科学“十四五”规划2021年度立项课题“指向学科思维能力发展的教学设计与实施策略的研究”（项目编号：D/2021/02/765）阶段性研究成果。