探究式教学与讲授式教学的有机整合研究——“受迫振动和共振”的教学案例

陈菊梅 张祖荣

（国防科学技术大学理学院，湖南 长沙 410073）

讲授式教学是指教师通过语言与学生相互作用，向学生描绘情境、叙述事实、解释概念、论证原理和阐明规律的教学方法。在讲授式教学过程中，教师的讲授能使深奥、抽象的课本知识变得具体形象、浅显通俗，采取定论的形式直接向学生传递知识，从而排除学生对知识的神秘感和畏难情绪，使学习真正成为轻松的事情，还可以避免认识过程中的许多不必要的曲折和困难。借助教师对教材的系统讲授和透辟分析，以及个人学识、修养、情感的输出，学生能够比较深刻准确地掌握教材，理解其中蕴含的丰富内涵，领会吸收各种思想观点、思维方法，并接受潜移默化的影响、感染和熏陶，收获其中丰富的精神财富，从而全面提升学生的学科能力以及个人整体素养。讲授式教学也有其局限性。在讲授式教学过程中，教师把知识讲解得清清楚楚，学生以听讲代替思考，这样不靠思维获得知识，不仅知识本身掌握不牢固，而且很难举一反三、实现迁移应用，促进能力的发展。讲授式教学容易使学生产生依赖和期待心理，从而抑制了学生学习的独立性、主动性和创造性。

探究式教学[1]把开发学生的智力放在突出位置，发展学生的创造性思维，培养学生的自学能力，以探究活动引导学生学会学习和掌握科学思维方法，提升学生的科学素养，为终身学习和工作打下坚实的基础。学生作为探究式教学的主人，根据教师提供的条件，明确探究的目标，思考探究的问题，掌握探究的方法，敞开探究的思路，交流探究的内容，总结探究的结果。学生在探究活动的过程中经常伴随惊奇、困惑、不满足和不完善，然后紧张地思考、设想、提方案，找理由、找证据和得答案等，最大程度地激发学生学习的兴趣，调动学生的主动性和创造性。同时学生在探究活动中学会用科学的观点认识和评价规律，总结规律，从而学会科学研究的方法和工作方法，培养科学思维意识，提高发现问题和解决问题的能力，全面提升科学素养。而且在探究活动过程中，学生在一种开放的环境中自主地发现和提出问题、设计解决问题的方案、收集资料、分析资料和得出结论等。这些活动有助于长期记忆和信息的复现，有助于把已掌握的知识迁移到新的情景中去应用，进一步提高发现和解决问题的能力以及举一反三的能力。探究式教学由于其开放性与拓展性的特点，也具有先天的不足。由于探究问题的设置，学生个性等原因，是很难兼顾到每个学生，严重的甚至会锉削个别学生的学习积极性，作用适得其反；而且探究式教学需要学习者花费较多的时间和精力，不利于学生掌握大量的、系统的知识和练就全面的必要的技能。另外对于基础较差的学生，在某些领域会有无所适从的感觉，将会给这些学生造成学习上的心理障碍，在教学过程中很可能加剧两极分化。教师和学生在开展探究活动过程中，经历挫折，弯路甚至失败是在所难免的，这其中的许多感受和体验对学生成长具有重要的教育价值。但教师一旦不能做出适当的引导，很容易使学生丧失学习的积极性和主动性。

讲授式教学和探究式教学各有优势与不足，分别适用于不同的教学情境[2]。由于探究式教学实践会占用大量时间，单纯采用探究式教学很难完成教学任务；讲授式教学能够有效地提高课堂效率，有机整合讲授式教学与探究式教学，能够弥补探究式教学效率低的缺陷。在探究式教学实践中，随着探究活动的开展，学生会在观点上出现意见分歧，分散学生对知识点的注意力，导致学生对知识点的理解、把握不准确。我们可以借助讲授式教学帮助学生全面、深刻、准确地把握教材，夯实学生的基础知识。因此有机整合讲授式教学与探究式教学，能够提高探究式教学在知识点上的把握力度[3]。探究式教学重视发挥教师与学生双方的主动性、创造性，并强调学生的主体地位，讲授式教学往往忽视了学生的主动性和创造性。如果将讲授式教学与探究式教学有机整合，就会使讲授式教学取探究式教学之长，补己之短。讲授式教学经常会导致理论与实际脱节。探究式教学能够提高学生发现问题、解决问题的能力，促进学生学以致用，而如果将讲授式教学与探究式教学有机整合，就会解决这一问题。探究式教学教会学生分享与合作，师生平等协作，相互补充，而讲授式教学往往出现教师一言堂，教师居于权威、主控地位，学生的主体地位常被忽视，不利于学生科学探究精神与合作意识的培养。如果将讲授式教学与探究式教学有机整合，就不会出现这一问题。讲授式教学与探究式教学在很多方面优势互补，相互之间可以取彼之长，补己之短。可见，讲授式教学与探究式教学有机整合极具价值。

因此在大学物理的教学中，如何把尊重传统的讲授式教学与追求创新的探究式教学进行有机整合，实现讲授式教学和探究式教学的优势互补，找到讲授式教学与探究式教学的最佳结合点，最大限度地发挥两种教学模式的优势，相得益彰地应用在大学物理的教学情境中，更好地促进学生发展，是大学物理教师需要认真研究的理论问题和实践问题。

1 教学案例

大学物理的定位是公共基础课，因此学生不仅要学习基本知识，更重要的是培养科学思维习惯，学会运用科学思维方法，才更有利于创新能力的提高。针对我们学校学生普遍基础扎实，思维灵活的特点，在教学过程中，以建立清晰的物理图像为基础，着重培养学生的探究意识和创新意识。我们在教学过程中尝试将探究式教学和讲授式教学有机整合，以期实现相应的教学目标和培养目标。

本文希望通过“受迫振动和共振”这节课，探讨在大学物理课程中如何有机整合探究式教学和讲授式教学。

之所以选择这堂课来探讨，基于以下几点考虑。首先从内容上，考虑到受迫振动和共振现象非常常见，与日常生活、工程技术以及前沿领域都有非常紧密的联系；尤其是共振，不仅在宏观领域随处可见，在微观领域也具有非常普遍的意义。学生生活中很容易接触体验受迫振动和共振现象，所以适合探究学习活动的开展。其次从方法论上来看，这节内容应用了多种科学思维方法。面对复杂的实际问题，遵从物理学的简单原则，建立简单物理模型，简化问题。将模型的结论延伸到特定的复杂系统，提高学生通过建模来解决实际复杂问题的能力。通过分析受迫振动的特点，讨论共振条件，了解固有频率的角色，拓展应用，探讨防范有害共振，提高理论联系实际的能力，并渗透内因和外因以及一分为二的哲学思想；受迫振动和共振不仅发生在宏观力学领域，而且在其他领域也非常普遍，因此相应的方法以及结论可以类比到其他领域，从而可以在未知领域借助清晰的物理图像发现、分析和解决问题；同时结合应用，培养学生关注科技前沿发展的意识，关注环境，同时了解体会学科的开放性；可以借助丰富而简洁的演示实验，提高发现、观察和分析问题的能力。

教学过程分四步[4]。

第一步，我们经常会看到许多周期性振动，这些周期性振动有些什么特征？通过讨论引入受迫振动的概念，引领学生进入到受迫振动和共振的世界。然后简要分析受迫振动的要素：周期外力，引导同学们思考如何处理复杂的实际问题；渗透物理学的简单原则，从最简单的情况入手，讨论什么形式的周期外力最简单，如何加入这种简单的周期外力（余弦函数形式的周期外力）；从中体会物理学中分析和处理问题的方法之一——建立理想化模型；借助一个精心设计的简单实验仪器，清晰明了地分析实验仪器对应的简单振动模型，体会怎样针对实际问题建立对应简单物理模型。针对建立的物理模型，分析并讲解余弦外力作用下，受迫振动的动力学及运动学特性；借助曲线建立受迫振动振幅和外力频率的定量数学图像；进一步借助演示实验，通过改变周期力频率观察受迫振动振幅，检验数学定量图像的对应物理现象，建立相应的物理图像；在实验中通过观察，发现受迫振动中的共振现象。

第二步，探讨共振发生的条件及意义。结合受迫振动中发生共振现象的条件，借助玻璃杯被声音震碎的视频，体会共振的威力，探讨共振威力的来源以及威力来源对应的物理原理；通过讨论，探究共振现象发生时，系统自身的固有频率在其中的角色。借助一组玻璃杯实验验证系统固有频率在共振发生中起到作用。

第三步，再次提出问题供同学们讨论：在实验中，在同样形式的作用力条件下，多个不同的系统都能发生共振现象，而且所加的周期外力比较复杂，如何研究在复杂周期外力作用时的受迫振动？在实际情况中，共振现象在为什么能够发生？通过同学们讨论，得出：可以借助数学分析方法，可以从简单到复杂，将简单模型推广到任意周期外力作用的受迫振动以及在复杂外力作用下共振发生的可能性。和开篇的探讨呼应：为什么在物理学中解决实际问题时，可以首先建立简单模型；体会物理学中的理想化模型方法作为一个基本物理方法的重要性和可行性；体会如何针对实际情况，建立简单模型分析基本物理图像，进而分析和解决实际复杂的问题。

第四步，拓展受迫振动和共振话题，讨论生活中实际存在的受迫振动模式以及共振现象，讨论共振的应用，以及共振危害的防范。

讨论过程中提出相关问题，留作课后小论文题目，供学生课后进行探讨：由于学生存在兴趣和相关能力的个体差异，留存多个课后讨论的小论文题目，方便同学们有较大的选择自由。通过几段视频，提出相关的讨论问题供学生选择：（1）1985年9月19日墨西哥发生8.1级地震。通常地震中破坏最为严重的地区在震中附近。这次墨西哥地震发生了奇怪的现象：墨西哥地震的震源中心位于墨西哥城400公里以外的西海岸，地震波从震源传播到墨西哥城的途中，破坏相对较小；而墨西哥城内却遭到了非常严重的破坏，尤其是5～15层等中等高度的建筑物。希望同学们通过调研，结合墨西哥的地貌特征以及墨西哥城的演化历史，探讨为什么会发生特殊的地震现象；为了尽量减小地震可能带来的破坏，建筑设计需要考虑哪些因素，建筑所在位置的地形地貌有什么样的要求？（2）1940年11月7日，美国仅通车四个月的塔克马海峡大桥被一阵不太大的海风吹断了。当时的风速稳定在42英里每小时，远远低于大桥的设计风速。但就在这阵速度不太大的海风中，大桥在经历激烈的震荡后轰然倒塌。为什么在不太大的风速下，塔克马大桥会出现震荡而坍塌？如何避免这样的坍塌事件？同样的现象在通常的高层建筑中是否会出现？在什么地区的建筑物发生这种现象的可能性大？这对相应地区的建筑物提出什么要求？结合大桥坍塌事件，和其他相类似的地理气候条件的大桥建筑进行比较；通过调研，结合相应的地貌特征，针对现行环境中异常的天气情况，探讨建筑跨海或者跨河大桥的设计要求；以及类似的特殊地区高层建筑设计时需要注意哪些条件？（3）在我们前面演示的声音震碎玻璃杯的视频中，玻璃杯震碎需要什么条件？如何测试玻璃杯的固有频率？采用什么方法产生所需的音频？为了最终利用声音震碎玻璃杯，对喇叭有什么要求？设计一套可以通过声音震碎玻璃杯的实验设备。（4）不仅在宏观领域有共振现象，在微观领域也存在共振现象。例如医学中的核磁共振设备。分析核磁共振设备的工作原理。比较宏观领域和微观领域共振中，系统与外界交换能量的差异，探讨差异的来源，充分理解宏观领域的连续分布和微观领域的量子分布。（5）面向军队学员，提出问题：如何将共振现象用于军事武器设计中？希望设计的军事武器可以在杀伤敌方的同时，又要能够避免己方的力量的伤害。

希望通过教学过程达到相应的教学目标和培养目标。在认知层面上，透析理论。在此基础上，运用原理，关注应用，让学生深刻理解受迫振动和共振的特性。通过提出问题，然后运用原理解决问题；进一步分析问题，为什么共振非常广泛，并从不同侧面提出新问题：一方面，如何有效地利用共振效应；另一方面，如何有效地防范有害共振。希望在此过程中实现相应的能力目标。通过不断提出问题、分析问题、解决问题，希望能够提高学生的科学素质。激发好奇心，培养探索、创新意识，同时关注环境，关注科技前沿。

在具体实施教学过程中，我们充分借助演示实验，发挥演示实验在物理课程中的作用。演示实验不仅是为了便于学生更好地观察某些物理现象及原理，让学生更容易抓住问题的关键而设置；还可以培养学生观察能力、提高学生的实际操作能力，锻炼学生良好的科学研究习惯及科学品质等。更重要的是，学生如果充分参与到实验中，可以通过与教师或同伴的交流学习到更多的知识，在培养学习能力的同时提高学习热情。演示实验不但能够创建形象化的物理情景，其新颖的物理现象还可以吸引学生，使学生能够保持好奇心，从而培养学生的探究意识与创新精神，培养学生发现问题、分析问题、解决问题的能力。在“受迫振动和共振”的教学中，我们自制了一个能够演示受迫振动和共振现象的简单仪器。将教材中的验证性实验改为探索性实验，引导学生动手、动脑，在实践中探究。同时进行形象化教学，以增强学生的感性认识，激发学生积极讨论探究，诱导学生辨析疑难，以辨激思、以辨明理，使学生在辨疑解难的过程中有所感、有所思，还要有所悟，积极培养学生的创新思维能力。同时仍然借助于演示实验，释疑检验，引申探究，引导学生进一步探究问题更深层次的物理本质。我们在教学过程中，播放第二个视频：声音震碎玻璃杯，从而验证共振的威力，提出问题：威力巨大的来源？并通过定量分析共振威力巨大的物理本质。激发学生的好奇心，并引导学生通过自己分析、自己操作，完成课后的相关作业题。然后引导学生动手进行实验：四个相同的玻璃杯，分别盛有不同高度的水；通过手摩擦杯口边缘施加周期外力，观察实验现象。提出问题，通过分析问题，将简单模型延伸到实际问题，得出受迫振动和共振的普遍性结论，并进而解释相应的问题。

借助实验，提出问题，引入受迫振动概念；从最简单的模型入手，分析实际系统在特殊周期外力——余弦函数外力驱动的余弦受迫振动，以及在特定条件下发生的共振现象；然后利用数学工具——傅里叶分析推断：对于线形系统而言，周期外力驱动的受迫振动是由多个余弦分量叠加的周期振动。而且只要某个分振动满足共振条件，就会发生共振现象；由于受迫振动和共振现象非常普遍，因此可以应用类比的方法将力学领域的结论拓展到其他领域，同时也可以将其他领域得到的规律应用到力学等领域。类比方法在物理学中应用非常广泛，经常一些非常重要的理论就是借助类比方法获得的。物理类比利用一种科学定律和另一种科学定律之间的部分类似性，用它们中的一个去说明另一个，类比方法建立在两类定律数学形式上相似的基础上，可以沟通不同领域，可以启发新的物理思想，帮助人们去认识和发现一些尚待研究的物理过程和规律。其中大家非常熟悉的麦克斯韦就是用类比的方法推演电磁理论。他将通过把电场和流速场类比，对法拉第的力线思想作出了精密的数学处理，并在此基础上，建立起电磁场的基本方程。在学习近代物理中我们还会看到很多科学大师们利用类比的方法发现新的物理理论。

2 小结

通过精心设计教学场景，激发学生探索兴趣；在不断探索中得出物理规律；在不断探索中发现新的现象，提出新的问题；思考问题背后的物理原理，发现问题的物理本质；用实验进一步验证所得出的结论，并提出新的问题，呼应开篇的探索问题。通过不断探索，层层深入，不仅解决了实际的复杂问题，深刻理解相应的物理原理；而且通过探索，培养了学生探究问题、分析解决问题的能力；更多的是培养探究意识，创新意识，从而全面提升科学素养。有机整合探究式教学和讲授式教学，能够让学生在有限的时间内充分理解领悟物理内容，而且通过探究激发学生学习兴趣，不断地提出问题、分析问题、解决问题，又从新的角度提出更多的问题；激发学生的探究意识，体验分析研究问题的成就感，从而可以不断地提高学生的科学思维，培养创新能力，不断提升综合科学素养，实现大学物理课程的培养目标。如何找到探究式教学和讲授式教学的最佳结合点，我们还将不断进行探索[5]。希望能够借助于各种教学手段和方法，使大学物理课程在大学生成长过程中的真正作用充分发挥出来。

[1] 蔡铁权. 物理教学丛论[M]. 北京: 科学出版社, 2005: 24-26.

[2] 袁运开, 蔡铁权. 科学课程与教学论[M]. 杭州: 浙江教育出版社, 2004: 226-229.

[3] 刘儒德. 探究学习与课堂教学[M]. 北京: 人民教育出版社, 2005: 240.

[4] 李随源. 启发探究四步教学法[M]. 河南教育, 2001(4): 26.

[5] 孟万金. 优质高效——因材施教的教育追求[M]. 上海: 华东师范大学出版社, 2004: 23-25.