付鸝娟

(北京市第一〇一中學(xué),北京 100091)

1 問題的提出

教學(xué)的有效性在于邏輯性．[1]物理核心素養(yǎng)有效的落實,需要教師根據(jù)教學(xué)的邏輯設(shè)計學(xué)生活動,引導(dǎo)學(xué)生自主探究．什么是教學(xué)邏輯?應(yīng)該如何遵循教學(xué)邏輯設(shè)計教學(xué)?本文以“簡諧運動”中對簡諧運動的認識及其位移—時間圖像的得出過程為例,嘗試對上述問題進行探討．

2 教學(xué)邏輯

教學(xué)邏輯是教學(xué)思維的秩序、規(guī)律．它包含學(xué)科邏輯、學(xué)的邏輯和教的邏輯．[2]學(xué)科邏輯關(guān)注學(xué)科知識的生成過程,旨在回答“為什么要教這個內(nèi)容”．學(xué)的邏輯關(guān)注學(xué)生認知發(fā)展規(guī)律,旨在回答“為什么要這么學(xué)”．教的邏輯關(guān)注把學(xué)科知識轉(zhuǎn)化為學(xué)生個體經(jīng)驗的轉(zhuǎn)化過程,旨在回答“為什么要這么教,效果如何”．學(xué)科邏輯、學(xué)的邏輯和教的邏輯之間是相互關(guān)聯(lián)的,可用圖1表示．

圖1 教學(xué)邏輯系統(tǒng)各要素關(guān)系

“學(xué)科邏輯、學(xué)的邏輯內(nèi)隱于教的邏輯背后,是教師形成教的邏輯的前提”．[2]在某種意義上,教學(xué)設(shè)計的過程就是教師厘清教的邏輯的過程．

3 基于教學(xué)邏輯的教學(xué)設(shè)計案例分析

下面以人教社選修3-4第十一章第1節(jié)“簡諧運動”教學(xué)設(shè)計為例,探討如何基于教學(xué)邏輯進行教學(xué)設(shè)計．

3.1 教的邏輯

3.1.1 基于學(xué)科知識邏輯理解教學(xué)內(nèi)容

物理學(xué)有嚴謹?shù)闹R體系．教師進行教學(xué)設(shè)計時首先要明確所教授的這部分知識在整個物理學(xué)知識體系建構(gòu)和發(fā)展過程中的地位和作用．

經(jīng)典物理學(xué)通常分為力、熱、電、光等學(xué)科．某些形式的運動橫跨這所有的學(xué)科,最典型的就是振動和波．力學(xué)中有機械振動和機械波,電學(xué)中有電磁振蕩和電磁波,光也是一種電磁波．近代物理也處處離不開波,量子力學(xué)又稱為波動力學(xué),可見振動和波的概念在近代物理中的重要性．[3]

本章的學(xué)習(xí)不僅局限于力學(xué),它將為整個物理學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)．

3.1.2 基于教材編排邏輯挖掘教學(xué)價值

教材遵循學(xué)科知識的邏輯順序以章節(jié)的方式編排．教學(xué)不是照本宣科,而是對教材的再度創(chuàng)作,這就是我們常說的“要用教材,而不是教教材”．教師要著眼于學(xué)生的發(fā)展,發(fā)現(xiàn)知識的育人價值,把教材的文本知識轉(zhuǎn)化為蘊含教育價值的教學(xué)知識．

“機械振動”一章共5節(jié),依次是從運動學(xué)角度定義簡諧運動、描述簡諧運動、從相互作用與能量觀念分析簡諧運動、研究具體的振動(單擺和受迫振動)．這種從運動的描述到動力學(xué)分析的順序,與研究直線運動和曲線運動中的邏輯保持了一致性,凸顯了研究不同運動方法的統(tǒng)一性和內(nèi)在邏輯．因此,“簡諧運動”的教學(xué)應(yīng)開篇明義,為學(xué)生展現(xiàn)這套研究方法．

3.1.3 基于學(xué)生認知基礎(chǔ)安排教學(xué)序列

“簡諧運動”一節(jié)根據(jù)簡諧運動的位移—時間圖像定義簡諧運動,是整章學(xué)習(xí)的起點．通過前面的學(xué)習(xí),學(xué)生會用圖像描述運動,把這種用圖像研究運動的方法遷移到對陌生、復(fù)雜運動的研究中,并用所學(xué)知識獲得圖像,是本節(jié)教學(xué)的關(guān)鍵．

教材介紹了頻閃照相和數(shù)碼相機實驗獲得圖像,但學(xué)生對這樣的方法缺乏相關(guān)經(jīng)驗,因而都較難理解,這樣就會掩蓋用圖像研究運動的思想方法這一教學(xué)重點．

因此筆者的設(shè)計是:創(chuàng)設(shè)彈簧振子實際運動的情境,讓學(xué)生用最熟悉的“描點連線”的方法獲得振子位置—時間圖像,并深化振動位移的概念．在學(xué)生對圖像有了一定認識后,引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計實驗去獲得圖像,體會把時間軸展開的思想．最后用傳感器實驗,得到比較精確的圖像,讓學(xué)生根據(jù)圖像寫出位移隨時間的表達式,從定性到定量給出簡諧運動的運動學(xué)定義．這樣的設(shè)計,每一個環(huán)節(jié)都基于學(xué)生原有的認知,不斷創(chuàng)設(shè)新的問題情境,促進學(xué)生的認知發(fā)展．

3.2 學(xué)的邏輯

3.2.1 基于知識建構(gòu)的邏輯設(shè)計問題

知識建構(gòu)的過程包括知識形成過程的具體途徑、方式,即科學(xué)方法的運用過程．[2]教師在設(shè)計問題時要把這個“隱性”的過程用問題線索“顯性化”．

簡諧運動概念的建立,體現(xiàn)了從自然現(xiàn)象到物理模型再到物理概念的知識生成過程．首先從大量的實例歸納振動的特點給出機械振動的定義;然后通過彈簧振子這一理想裝置,構(gòu)造理想振動的模型,并抽取理想振動的特征(周期性以及對稱性);最后探究理想振動的運動學(xué)規(guī)律,得出簡諧運動的概念．這一過程可用圖2表示．

圖2 簡諧運動概念建構(gòu)過程

教師用問題推動課堂按這個順序展開,問題不是孤立的,而是一個問題鏈．問題的序列遵循這個過程的發(fā)展脈絡(luò),問題間的過渡和銜接體現(xiàn)關(guān)鍵的物理思維．

定義機械振動的教學(xué)環(huán)節(jié),設(shè)計的問題鏈如下.

問題1： 請舉出生活中振動的實例,并用一個動作表現(xiàn)振動；

問題2： 播放視頻展現(xiàn)各種形式的振動．請用關(guān)鍵詞描述振動；

問題3： 播放秋千運動的視頻,請歸納機械振動的特點；

問題4： 請給機械振動下一個定義．

問題1旨在探查學(xué)生對振動的界定是否清晰,能否感受振動的特點．問題2說明什么形式的運動屬于這節(jié)課要研究的振動,讓學(xué)生通過觀察描述振動．學(xué)生能用“來回動”、“重復(fù)動”等生活用語描述,很難發(fā)現(xiàn)振動“圍繞中心位置”的特點．問題3視頻中記錄秋千在不同時刻的位置(如圖3),引導(dǎo)學(xué)生有效觀察,歸納振動的特點．在學(xué)生對振動特點有認識的基礎(chǔ)上,問題4引導(dǎo)學(xué)生用物理語言概括機械振動的定義．可見,這組問題是用從學(xué)生已有的經(jīng)驗出發(fā),通過觀察—歸納—概括得出定義的方法線串起來的．

圖3 秋千運動

為研究復(fù)雜的機械振動,需要建立物理模型．這里建模有兩個層次:一是對彈簧振子裝置的模型建構(gòu),二是對彈簧振子振動的模型建構(gòu)．設(shè)計的問題鏈如下．

問題5： 教師演示滑塊在彈力作用下振動但很快停下來,為什么?

問題6： 在什么情況下滑塊受到的阻力可忽略?

問題7： 這種理想的運動有什么特點?

“彈簧振子”是一個忽略阻力理想的運動裝置,實際中要構(gòu)造一個接近理想狀態(tài)的振動裝置,需要忽略次要因素,這就是建模．近似的條件如表1．

表1

通過對這個理想裝置運動的分析,可以初步感受這種振動對稱性和周期性的特征,對這一運動的深入探究將圍繞這兩個特征展開．

3.2.2 基于認知發(fā)展的邏輯設(shè)計學(xué)生活動

學(xué)生有效的學(xué)習(xí)是在原有認知結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,經(jīng)過同化、順應(yīng)形成新的認知結(jié)構(gòu),而學(xué)生重組新的認識結(jié)構(gòu)是在問題解決的過程中實現(xiàn)的．因此,一個良好的學(xué)生活動就是為學(xué)生創(chuàng)設(shè)問題解決的機會,使他們形成新的認知．

這節(jié)課設(shè)計的第一個學(xué)生活動是:播放3個視頻,分別是從不同位置開始運動的水平彈簧振子和豎直彈簧振子(如圖4,其中①表示平衡位置,②表示起始位置),分組畫出視頻中振子運動的位置—時間圖像,并說明圖像如何與實際運動相對應(yīng)．

圖4

教師沒有任何提示,學(xué)生典型作答情況如圖5、圖6、圖7．

圖5

圖6

圖7

圖5反映學(xué)生不能用圖像正確表示位置的方向；圖6反映學(xué)生不能用圖像正確描述振子的運動；圖7反映學(xué)生忽略了振子的起始位置．如果教師直接問“位置有方向嗎?”、“振子的速度如何變化?”大多數(shù)學(xué)生都能說出答案,但學(xué)生可能只是機械記住了這些結(jié)論,而教師只憑答案的正確會以為學(xué)生理解了這些知識．如果教師在學(xué)生作圖之前,就提示應(yīng)該如何確定坐標原點等易錯點,學(xué)生暴露錯誤的機會就會降低,當學(xué)生在教師提示下畫出正確圖像,他們會以為自己掌握了這些知識．本節(jié)課的上述設(shè)計就是要通過活動,讓學(xué)生自己發(fā)現(xiàn)錯誤并加以修正,這是發(fā)展認知的開始．

圖8規(guī)定“正半軸為向左運動”,可見學(xué)生以為正方向是運動方向,說明學(xué)生認為位移的方向和運動方向有關(guān)．圖9規(guī)定“設(shè)向上為正”,但圖像中起始時刻位置卻為正,說明學(xué)生不理解位移是相對平衡位置的．位移反映物體位置的變化,機械振動中物體的位置圍繞中心位置變化,這個中心位置就是平衡位置,位移是相對平衡位置而言的,與速度無關(guān)．如果選取平衡位置為坐標原點,位置—時間圖像就是位移—時間圖像,圖像體現(xiàn)振子運動的對稱性．從位置到位移,學(xué)生的認知得到發(fā)展．

圖8

圖9

學(xué)生通過圖10和圖11發(fā)現(xiàn)水平彈簧振子和豎直彈簧振子圖像形式一樣,說明圖像作為一種物理的語言反映了運動的共同特征,進一步發(fā)展認知．

圖10

圖11

最后引導(dǎo)學(xué)生小結(jié)(如圖12):作圖首先應(yīng)確定坐標原點,規(guī)定正方向,然后,確定不同時刻運動物體的位置(通常需要找到典型的位置)．如何把這些典型的位置用線連接起來,取決于物體從一個位置到另一個位置是如何運動的,也就是速度是如何變化的,位移—時間圖像的斜率可以反映速度．

圖12

為了獲得更為準確的位移—時間圖像,需要盡可能多的,甚至是連續(xù)記錄振子的位置,可用實驗的方法獲得．

這節(jié)課設(shè)計的第二個學(xué)生活動是: 請用一張白紙、一把尺子和一支筆設(shè)計一個實驗,模擬振子的運動,并記錄振子的位移隨時間變化的情況．

這個設(shè)計有兩個意圖：一是通過對簡諧運動實物操作表征深化學(xué)生對簡諧運動特征的認識;二是讓學(xué)生體會“把時間展開”的思想．

學(xué)生經(jīng)過討論能進行正確的操作,如圖13．

圖13

引導(dǎo)學(xué)生小結(jié)(如圖14)．模擬振子運動要抓住振子運動的特點,提取關(guān)鍵的要素,筆代表振子的運動,其軌跡是直線,并且是變速運動．

圖14

如果不抽動白紙,只能得到一條直線．因為振子的運動具有周期性,不同時刻能運動到相同的位置,要區(qū)分不同時刻的位置,就要在不同的空間記錄振子在不同時刻的位移,所以要抽動白紙．

抽紙實際上是用紙移動的距離表示時間,只有勻速抽動才能保證通過相等的距離所用的時間相等,也就是時間軸是均勻的,這樣圖像才能呈現(xiàn)周期性的特點．

通過學(xué)習(xí)活動,引導(dǎo)學(xué)生在真實情境中主動建構(gòu),置課堂教學(xué)于形散而神不散的境界,這是教的邏輯向?qū)W的邏輯轉(zhuǎn)化的核心．

4 結(jié)論

基于教學(xué)邏輯進行教學(xué)設(shè)計應(yīng)把握兩條主線： 一是基于學(xué)科邏輯、教材邏輯、學(xué)生認知基礎(chǔ)厘清教的邏輯； 二是通過問題設(shè)計,學(xué)生活動設(shè)計外顯學(xué)的邏輯．符合教學(xué)邏輯的教學(xué)設(shè)計能通過外在的表現(xiàn)形式展現(xiàn)課堂內(nèi)在的思維本質(zhì),提升教學(xué)的深度．