简谐运动的高端备课_王慧.pdf

2014年 第3期现 象 透 视课程教学研究·Journal of Curriculum and Instrution课程教学研究·Journal of Curriculum and Instrution简谐运动是高中物理中继直线运动、 曲线运动之后的又一种重要运动形式， 也是学习机械波、 电磁振荡和电磁波的重要铺垫 作为一节新授课， 简谐运动同时具有时间上的周期性和空间上的往复性， 这一特点决定了其振动图像既形象又抽象 因此， 这种运动形式在给学生带来对称美的同时， 也对学生的想象能力提出了较高要求 鉴于此， 本文从高端备课的视角出发， 对简谐运动重新梳理， 以期对教学有所裨益一、对教材的辩证分析人教版高中物理教材一改传统教材从动力学角度定义简谐运动的方式， 转而以运动学的特征来定义简谐运动 这种编排沿承了匀速直线运动、 匀变速直线运动的定义方式， 避免了动力学特征对知识教学的干扰， 符合学生的认知习惯， 有利于学生思维的发展 具体来说， 教材通过频闪摄影获得弹簧振子的位移—时间图像 （振动图像）， 并用位移—时间图像满足的规律来定义简谐运动这一研究思路虽然逻辑清晰， 但也存在诸多问题。

分析发现， 教材把重点集中在振动图像的获得上， 而对于弹簧振子模型的建立和简谐运动图像的获得过程着墨甚少 因此， 这种编写方式就不利于学生对知识的理解 教材先后介绍了四种获得简谐运动振动图像的方法， 这些实验虽然目的明确， 但缺乏对实验原理的阐释 由于学生不能体会图像产生的本质， 也就不能真正理解图像的内涵教材通过频闪仪获得了弹簧振子的位移—时间图像， 该实验记录了振子在不同时刻偏离平衡位置的位移 由于弹簧振子的往复运动本身是一种较为复杂的变加速运动， 其位移—时间图像不同于以往的匀速直线运动和匀变速直线运动， 而是遵循更为复杂的函数变化规律 因此， 研究简谐运动规律的实验就并不只是单纯记录振子的运动轨迹， 其创新之处在于通过底片的匀速运动从而得到位移—时间图像 正因为此， 其中的缘由才是本节教学的关键之处 遗憾的是教材给出弹簧振子的位移—时间图像只是解决了 “是什么” 的问题， 却并没有解决“为什么” 的问题二、高端备课的过程基于对上述问题的深入思考， 高端备课把教学环节分为 “振动模型的建立”、“振动图像的描绘”、“振动规律的获得” 三部分， 并且将科学方法和物理思想纳入其中， 使物理知识教学和科学方法教学相得益彰。

下面结合教学流程 （如图1） 说明具体教学步骤图1简谐运动的高端备课*王慧陈清梅邢红军□ 摘要从高端备课的视角出发，以“简谐运动”一节为例，可以把教学安排为振动模型的建立、振动图像的描绘、振动规律的获得三个步骤，从而实现科学方法和物理思想的渗透这充分体现了“从物理知识传授到物理方法教育，再到物理思想形成”的高端备课理念□ 关 键 词简谐运动；高端备课；科学方法；物理思想□ 作者简介王慧，首都师范大学物理课程与教学论硕士研究生；陈清梅，北京中医药大学基础部副教授；邢红军，首都师范大学物理系教授，博士，博士生导师3 92014年 第3期现 象 透 视Journal of Curriculum and Instrution·课程教学研究Journal of Curriculum and Instrution·课程教学研究1.振动模型的建立首先， 通过观察振子的运动情况使学生获得感性上的具体 如图2所示， 一个有孔的小球装在弹簧的一端， 弹簧的另一端固定， 小球穿在一根杆上， 能够自由滑动，O点为小球静止时的位置， 这一位置称为平衡位置， 物体偏离平衡的距离称为位移 把小球拉向右侧， 释放后小球左右运动起来，经过一段时间后， 小球会慢慢停下来。

其次， 分析小球的运动情况， 概括小球持续振动的条件 可以启发学生思考， 如果忽略小球和杆之间的摩擦， 小球会怎样运动 显然， 小球会持续振动下去 接下来进行总结， 为了研究问题的方便， 往往不考虑弹簧的质量， 忽略一切阻力， 并将小球视为质点 这样， 弹簧振子的模型就得以建立， 与此同时， 学生的思维也就从感性具体上升到了抽象规定最后， 引导学生理解物理模型的内涵 所谓物理模型， 就是通过对实际问题进行科学的抽象化处理， 保留主要因素、 忽略次要因素， 得出的一种能反映原物本性特征的一种理想物质 （过程） 或假想结构 至此， 当学生把物理模型的概念内化到头脑中形成具体的思维方法时， 学生对弹簧振子的概念才算得以完整建立2.振动图像的描绘弹簧振子的位移—时间图像是本节教学的重点， 鉴于传统教学存在的缺陷， 应首先让学生清楚地知道， 弹簧振子的往复运动并不能展示出其速度、 位移随时间变化的关系， 因为一维坐标并不能显示时间轴 因此， 为了形象地描述振子的运动情况， 需要将振子的往复运动在 “空间展开” ———变一维坐标为二维坐标空间展开” 物理思想的渗透， 是教学中的一个关键点 所以， 为了讲清实验思路， 应当首先引入一个实验粗略地描绘出图像，让学生了解图像产生的过程。

如图3所示， 在弹簧振子的小球上安装一支绘图笔， 小球下面铺白纸， 分两步进行实验①白纸不动， 让小球做机械振动 此时， 记录笔在纸上同一位置重复记录小球的运动轨迹， 即为一条直线②让小球在做机械振动的同时 “匀速” 拉动白纸，会发现白纸上出现如图所示的曲线对实验结果的解释是教学的难点， 为了突破这一难点， 教学应依据学生思维的逻辑， 以问题驱动的形式展开， 逐次提出以下问题： 一是为什么要拖动白纸？ 二是怎样拖动白纸？白纸不动时， 小球经过同一位置的轨迹被 “重复叠加” 因此， 为了使小球在不同时刻的位置记录在白纸上， 就应该拖动白纸使重复的路径在 “空间展开” 进一步， 对 “为什么要匀速拖动” 这一问题的解释就显得至关重要 只有当学生真正理解了 “匀速拖动” 的实质， 才能在学习频闪照片法时体会到 “底片匀速运动” 和 “匀速拉动纸带” 的异曲同工之妙 这是因为， 只有匀速拖动纸带， 才能用纸带上相等的位移表示相等的时间 例如， 如果匀速拖动白纸的速度是5×10-2m/s， 那么在与振子振动方向垂直的坐标轴上就应该以5 cm为一格， 每格代表1 s， 这样就可以把位移刻度转化为时间刻度， 从而形成时间轴， 这才是匀速拖动白纸的根本意义所在， 这样描绘出的曲线即为弹簧振子的位移—时间图像 （又称振动图像）。

3.振动规律的获得验证图像满足的规律需要进行数学证明 因此， 通过频闪仪获得精确的图像进行研究， 就成为本节课的另一重要环节 图4为频闪摄影得到的一个弹簧振子振动的图像假定图像是正弦曲线且满足表达式x=Asin2πTt依据经验公式法的一般步骤，“绘制曲线→分析并假定公式的基本形式→确定公式中的常数→代入数图2图3图44 02014年 第3期现 象 透 视课程教学研究·Journal of Curriculum and Instrution课程教学研究·Journal of Curriculum and Instrution据检验公式的准确性”， 用刻度尺在图像上测出振幅A和周期T， 然后在曲线上选取若干位置， 测量出每个位置对应的纵坐标x、 横坐标t，将 （x，t）代入正弦函数表达式， 发现各组数据均能和公式吻合， 由此验证振动图像遵从正弦函数规律这样， 建立简谐运动概念的条件才水到渠成即 “如果质点的位移与时间的关系遵从正弦函数的规律， 即它的振动图像 （x-t） 是一条正弦曲线， 这样的振动叫做简谐运动”［1］三、高端备课的收获本文作为高端备课的一个范例， 打破了传统教学只注重知识传授的教学模式， 注重了科学方法和物理思想的渗透， 既关注知识的获得， 又关注学生的思维发展， 体现了 “从物理知识传授到物理方法教育， 再到物理思想形成” 的高端备课理念。

以下是本次高端备课的几点收获1.高端备课凸显了模型的建构过程弹簧振子作为对实际生活中振动物体的一种理想化抽象， 是继质点、 点电荷之后学生接触到的又一个重要的理想化模型 传统教学往往只关注模型的提出， 对于模型建构的过程关注不够 高端备课没有局限于弹簧振子概念的介绍， 而是以弹簧振子为切入点， 通过对 “理想化” 条件的逐步渗透， 将建立模型的思维过程分为 “感性具体”、“抽象规定”、“思维的具体” 三个渐次上升的层面， 使学生在充分理解物理模型内涵的同时， 也获得思维品质的提升2.高端备课注重了科学方法的训练科学方法不仅是物理课程的内容， 而且它还是获取物理知识的途径和手段， 是理解物理知识的纲领和脉络， 是应用物理知识的桥梁［2］高端备课显化了 “经验公式法” 的步骤， 让振动规律的获得“有法可依”， 这种方法实质上就是假设—求证的方法 遗憾的是以往的教学往往对其进行隐性处理经验公式法” 清楚地表达了教学的逻辑， 对于提高学生解决问题的能力大有裨益3.高端备课关注了物理思想的渗透物理思想是物理教学的灵魂， 物理知识唯有通过科学方法再上升到物理思想， 才能转化为能力的提升 传统教学关注于知识的静态生成， 对物理思想的渗透关注不够。

本节课的难点在于位移—时间图像成因的解释， 高端备课渗透 “空间展开” 的物理思想， 从一维过渡到二维， 关注了图像的动态生成过程 并用 “把位移刻度转化为时间刻度， 形成时间轴” 这样关键的话， 把 “匀速拖动纸带” 的原因阐释清楚 这一物理思想的渗透不仅有利于培养学生的想象能力， 而且为机械波的教学提供了有益的启示［*本文系中国教育学会物理教学专业委员会2013—2016年全国物理教育科研重点课题 “物理高端备课的研究”的阶段性研究成果］参考文献：［1］ 人民教育出版社， 课程教材研究所.物理选修3-4［M］.北京： 人民教育出版社，2007：2-4.［2］ 陈清梅， 邢红军， 李正福.论物理课程改革背景下的科学方法教育［J］.课程 · 教材 · 教法，2009（8）：52-56.4 1。