整合资源以优化情境 强化体验以唤醒思维

张 飞

（江苏省外国语学校，江苏 苏州 215104）

问题情境就是将问题或疑难蕴含于特定的场合（环境）之中，当学生面临这种特定场景时，根据已有的知识或经验不能加以解释，导致认知失衡，从而产生困惑，且又急于消除这种困惑的一种心理状态.在这一特定的问题情景中，学生对前认知中的成分进行加工、补充、修正和重组，形成新的认知结构，新的认知结构又将成为下次学习的前认知.学生的学习就是这种不断重构自己前认知的过程.在认知重构的过程中，物理问题情境呈现方式不同，会使学生的思维方式和思考速度等显示出不同的状态.因而课堂教学中，教师应遵循思维发展规律，遵从科学家科学研究的原生过程，基于物理学家的思维活动特征，整合教学资源优化设置问题情景，以浓缩方式，在有限的时间和空间内，让学生重蹈物理概念建立、物理规律发现、物理实验设计等物理知识构建中的那些最关键的步子，让学生重演物理知识的发生、形成和发展过程，让思想在学生的头脑里产生出来，教师只是充当学生的“思想助产婆”，使学习成为学生的“亚研究”、“再创造”的过程.这将不仅有助于学生加深对物理知识本质的理解，而且也为激发学习动机，明确思维指向，唤醒学生思维提供认知起点，培养他们的科学思维方式，提供了极好的情境体验的素材.

1 开发生活资源，在追问原始问题的根源处唤醒思维

苏赫姆林斯基认为：“让学生体验到一种自己在亲身参与掌握知识的情感，乃是唤起少年特有的对知识的兴趣的重要条件.当一个人不仅在认识世界，而且在认识自我的时候，就能形成兴趣.没有这种自我肯定的体验，就不可能有对知识的真正的兴趣.”现代物理教学呼唤科学世界向生活世界的回归，强调问题情境的原始性，追寻问题情境的自然性、真实性.紧密联系学生的生活实际，结合学生熟悉的生活情境，激发丰富学生的生活体验，回归到学生的认知原点，从教学活动（学生原有的知识和经验）的起点出发，为学生的思维发展创造一个最佳的原始问题情境，在原始问题产生的根源处唤醒思维，引导学生展开分析、综合、比较、抽象、概括、判断等思维活动，深化思维，活化思维，促使学生思维向纵深发展，让学生经历了思维的过程，培养学生的思维兴趣，逐步形成质疑、反思的科学思维习惯，训炼深刻、灵活、批判、敏捷和创新的思维品质.

教学片段1：波的独立性.

图1

生活情境导入：播放2014年4月22日上海新闻报到丹麦Derek Muller打造了疯狂的火焰波形成录像，当音乐响起时，火焰随着音乐燃起熄灭，用真正的火焰来表示音乐波形，如图1所示，看上去真是奇观.激发兴趣，引发问题：他究竟是怎么做到让火焰伴随音乐起舞的呢？（音乐声波相遇引起的气压变化影响可燃性气体的排放量变化，从而使得火焰的高度和颜色产生差异，创造出这种让人啧啧称奇的效果.）波相遇时，会出现什么样的物理现象？（用生活新闻创设原始问题情境，引发冲突，激起质疑.）

追问1：（当学生心生疑问时，追问）在日常生活中是否见过两列波相遇的情况？（学生举例：a.教室里几个同学同时在说话，每个人发出的声波在空气中传播时相遇；b.下雨天，雨滴落到水塘中就会形成一圈一圈的水波，这些波同时在水中传播并相遇…….）（了解学生认知起点，在问题产生的根源处唤醒思维.）

追问2：播放雨滴落在水面的录像，要求学生边看边思考：两列水波相遇后，是否与小球相碰一样，会改变原来的运动状态？（学生通过观察，发现水波相遇后继续一圈一圈的向外传播，此时教师指出两列波相遇，跟小球相碰不一样，小球相碰后运动状态会改变，而两列波相遇，它们能彼此穿过，穿过后波的形状和传播的情形都不变，保持各自的运动状态继续传播，彼此都不受影响，如图2所示，这种现象表明波具有独立传播性.）

图2

追问3：得出了水波具有独立传播性后，现在你们是否还能举出其他的例子，说明波具有独立传播的性质.（提示：日常生活中除了水波，你能联系生活举例说明还有什么波具有独立传播的性质吗？）（紧密联系学生的生活实际，结合学生熟悉的生活情境，激发丰富学生的生活体验，回归到学生的认知起点，播放音乐会多种乐器演奏录像，如图3所示，让学生体验区分不同乐器乐音，让学生经历了比较与判断、抽象与概括、唤起直觉、诱发灵感、构建图景等思维的过程.）

追问4：我们刚才观察了两列波相遇彼此穿过，保持原来的波形继续传播，那么在它们相遇时的重叠区域又会出现什么现象？你们平时注意过吗？（引导学生回归上述生活现象，进行分析、综合、比较、抽象、概括、判断，并科学推理、猜想结果，然后实验验证.）

图3

反思：学生思维的唤醒、意识形成、习惯的收获都很难通过集中灌输来建立，当下的学生所缺的“解决实际问题的能力”，本质上缺的是把原始问题变成合适的物理问题的能力.其原因是学生经常面对的所谓实际问题，大多是理想化的物理习题，实际情景只是附加的背景而已.要改变这一现状，就要求课堂教学回归至认知起点——从现象出发，尽可能开发生活资源，向学生提供原始的材料，在追问原始问题的根源处唤醒思维，让学生在各种体验性活动中，打破思维平衡，通过结合日常生活与实际经验，构建新知识与已有的观念间的非任意的和实质性的联系，并基于自己的知识和自己的努力思考去“想通”问题，教师只是充当学生的“思想助产婆”，思维方向指引者，这样做也是与现代教学理念及教材提供课程资源相吻合的（教科书中提供的大量物理情景和学习资料，以及“思考与讨论”、“说一说”、做一做，如通过照片估算照相机的曝光时间，实践活动如制作飞镖、摇绳发电等都是依托生活资源提供情境的原始材料）.这也将有利于实践意识的形成，学习方式的改变，思维习惯的养成，做到播种行为，收获习惯.

2 开发实验资源，在追寻知识发生的过程中唤醒思维

物理学是一门实验科学，在物理教学中，物理概念的建立、每个物理定律的发现，都有坚实的物理实验基础.物理实验是物理教学的重要基础、重要内容、重要方法和重要手段，让学生重演物理知识的发生过程，离不开观察实验，观察和实验是获取物理思维材料的重要途径.各种物理实验以其直观性、形象性为学生提供了丰富的感性材料，使其充满着趣味性、思维性、挑战性、探索性和创造性，利用实验的魅力创设问题情境，能让学生体验实验设计、实验过程、实验数据分析、实验结论得出和实验误差分析，使学生通过对实验的观察、研究和分析去思考问题、探索问题，从而唤醒思维，激发学生的好奇心和求知欲，调动学习的积极性，培养发散思维和收敛思维.

教学片段2：波的叠加.

实验创景1：水波实验.如图4所示（学生猜想波相遇时的重叠区域又会出现的现象后，引导学生参与做大水槽中水波实验），在大水槽中演示波的叠加现象.演示时分4个步骤：第1次演示如何在水槽中制造水波，即摇动刮板；第2次演示如何产生单个脉冲波，即一个来回迅速抖动刮板；第3次，第4次请两位学生在两边同时产生单个脉冲波的叠加，但两次观察的侧重点不同，一次注意峰峰相遇，另一次注意谷谷相遇.（学生通过观察实验归纳得出：峰峰相遇，新的波峰变高了；谷谷相遇，新的波谷变低了）（丰富感性材料，引导分类比较，抽象概括，激发兴趣，指导学生质疑，提问并猜想）

提问并猜想：如果恰好一边是波峰传过来，另一边是波谷传过来，它们相遇会怎么样？（猜想后，在水槽制造水波恰好一边是波峰传播过来，另一边是波谷传播过来，观察相遇现象，平了.）

图4

实验创景2：绳波实验（如图5所示）.（为了进一步验证实验结论，学生分组用弹簧绳做实验，注意同时产生相向的两列波，最好控制在1～2周期观察情况.）

图5

教学片段3：波的干涉条件.

实验创景：（实验装置介绍：在同一振片上引出两个振源，因此就可以在水面上形成两列频率相同的水波.如图6）两列相同波相遇时，在它们重叠的区域里会发生什么现象？（同步演示图6实验）

问题1：观察方形水槽中两列相同水波相遇的重叠区域出现的图样，与雨滴形成的叠加图样的录像相比较，找出相同及不同之处，特别是找出不同的特征.

演示实验1：适当调节频率旋钮，（引导观察方形水槽中两列相同水波相遇的重叠区域出现的图样，观察、分析、抽象、概括，并与教师提供的雨滴形成的叠加图样的录像相比较，找出相同及不同之处，特别是找出不同的特征；观察后小组内部交流，用语言描述水槽中图样的特征.）探究产生干涉波的条件（实验同时播放雨滳录像）.

问题2：如何描述叠加区域图样的特征？（教师引领学生观察比较实验与雨滴形成的叠加图样，如图7所示，并共同探讨，抽象、概括出图样特征：图样稳定，位置固定，间隔分布.）

图6

图7

问题3：两列相同水波相遇时，在它们重叠的区域里出现的位置固定，间隔分布的稳定图样，是否是波的共性？有无推广价值？（问题创景，引领反思，引发学生批判性、发散性思维）

分组实验2：学生分组实验.观察绳波干涉实验（用两个打点计时器同时振动传播相向绳波演示）.［绳波的叠加实验（在常规情况下）几乎不能做成功，而且实验现象转瞬即逝，受驻波实验的启示（一列波在向前传播的途中遇到障碍物或者两种介质的界面时，行进波和反射波相遇叠加就会形成驻波.可以认为驻波是一种特殊的干涉现象），将反射波改为起振波源（如图8所示），用两个电磁打点计时器产生相干波，并使两相干波在同一直线弦绳上沿相反方向传播时叠加，将会产生干涉现象.］（引导学生观察，分析实验现象，与演示实验1水波实验现象比较，概括抽象描述现象特征，促进培养收敛思维.）

图8

问题4：如何表述频率相同的两列波相遇叠加区域图样的特征？（频率相同的两列波叠加，使某些区域的振动加强，某些区域的振动减弱，而且振动加强和振动减弱的区域相互隔开的现象叫做波的干涉.干涉是波特有的现象.）（引导学生合作交流，抽象概括得出结论，培养抽象思维.）

引导学生质疑5：两列频率不同的波相遇叠加是否也会形成这样特殊的叠加图样？（不会）（激发学生质疑，给学生发现问题、提出问题的机会，使学生既会“学”又会“问”，必将引领学生主动思维，提高学生发现与解决问题的能力，培养学生思维习惯.）

图9

实验3：用两个频率可调的振子作为振源，（如图9所示）借助投影仪观察两列不同频率水波在空间的叠加情况.（在原有水波实验基础之上做一些改进，使频率f1＞f2，然后缓慢调低频率f1逐渐减小至f2，然后继续减小f1.学生纵观整个过程的波纹图样变化现象，得出印证结论.）（学生通过实验实现探究学习，既培养敢于质疑的良好思维习惯，又实现了“变学为思”、“变学为悟”，发挥实验的功能）

图10

拓展实验4：如图10所示，演示声波的干涉，两只喇叭输入同一频率的音频讯号产生干涉，让学生听其“声”，观其“形”.（拓展实验提供丰富的感性材料，使学生认知充满着趣味性、思维性、挑战性、探索性和创造性.有条件还可进一步猜想：撤去一只喇叭，还会有干涉现象吗？演示：结果仍有干涉现象，这是为什么？……唤醒学生思维的深刻性.）

反思：利用实验创设教学情境，学生在冲突的实验情景中产生问题，并借助实验观察而获取的物理思维材料，并使学生更全面地考察问题，多角度地思考问题，多方面地联想，抽象概括实验现象的共性，比较判断并揭示现象之间的多种联系，想象事物变化的多种可能，寻找解决问题的多种途径.引导学生在问题情境中将“问题串”变成“知识串”，达到知识的建构，方法的渗透，有助于培养学生的开放、发散思维；将物理教学根植于“做中学”.让学生思考问题时，能始终做到有理有据，使推理过程环环相扣，合乎逻辑，不以想像代替分析，不以直觉代替推理，有助于深化学生理性的严密思维；基于实验解决问题，使学生能够善于透过纷繁复杂的现象，把握事物的本质，善于进行抽象概括，抓住问题的核心，揭示隐含的问题情境信息，善于根据事物的初态预见事物的发展，有助于深化学生理性的深刻思维，深化学生理性思维的培养.

3 开发虚拟资源，在情景资源的优化整合中唤醒思维

从物理课堂教学的进程来看，学生在思考问题形成物理思维时，往往是既要用大脑的右半球进行形象思维，又要用大脑的左半球去进行抽象思维.物理概念形成、物理规律探究、物理实验数据分析都是形象思维与抽象思维的互补结合，共同作用的结果（当两种思维“互补”最完美之际，也就是问题解决之时）.物理教学中，如何优化整合问题情境资源，为大脑提供丰富的形象思维与抽象思维的素材，让学生体验并唤醒思维呢？信息技术凭借其强大的数据平台，函数计算功能、图形显示功能和动画功能，为物理课程资源深度的整合提供支撑，信息技术不仅可向学生提供图形、图像、动画、声音和色彩等丰富的感性的具体形象材料，还可以用二维或三维的图像、实验大数据分析及动画模拟等虚拟资源，以动态方式呈现物理图景的过程，向学生提供丰富多彩的理性的科学素材，为优化教学效果，激发学生思维的主动性，激活学生的创造性思维创设良好的资源环境.

教学片段4：波的叠加与独立的理解.

虚拟创景：根据学生大脑中已有的对绳波（也可通过图景展示，如图11所示，引发学生想象再现其表象）的表象，用flash展示绳波叠加（如图12所示）虚拟动画（尊重真实依据及教师对绳波叠加的理解模拟制作，目的是提供形象素材，展示思维表象的动态过程，帮助学生进行思维抽象），分两次演示分析：第1次整个过程演示一遍，在学生头脑中建立整体概念（两个波峰相向传播→相遇了→分离了）；第2次慢镜头演示并定格，从定量的角度，结合运动合成的知识研究相遇区域中各质点的运动.（我们看到波峰与波峰相遇开始出现重叠区域，形成新的波形的幅度比原来大，在相遇过程中波形较原来变化了，然后分离保持原来的波形继续传播.）

图11

图12

问题1：为什么会形成这样的现象呢？（引导学生思考解决问题方法，更深一步从定量的角度来研究波在传播过程中质点是如何运动，同时继续演示出现原波形.）

问题2：我们看到左右两边的波峰都在向中心传播，那么波在传播过程中，这些质点有没有随着波迁移？（没有）

问题3：质点如何运动的？（质点上下振动）

问题4：（动画展示）两列波都传到这儿，现在它们相遇了，出现了重叠区域，两列波都要引起质点振动，质点的位移是多少呢？（选择其中一个质点来看一看，红色波峰引起这点振动的位移是红色箭头所示，绿色波谷引起这点振动的位移是绿色箭头所示，它们彼此没有影响.）按照已经学过的运动合成知识，形成新的波形，这个质点的位移与原来波峰、波谷引起该点的振动的位移有什么关系？（按照运动合成的知识可知，应该是两个位移的矢量和.）（通过虚拟展示，让学生发现当两列波相遇时，它们重叠的区域介质的质点是同时参与了这两列波引起的振动，质点的位移等于这两列波单独传播时引起的位移的矢量和，根据形象表象，经过分析、比较、抽象、概括得出波的叠加.进而想象出，如果是几列波相遇也是这样，峰峰相遇、谷谷相遇，引起质点的振动都是相长的，峰谷相遇引起质点的振动是相消的.）

教学片段5：波的干涉的理解.

图13

图14

问题1：为什么两列相同的波相遇叠加会形成这样特殊的叠加图样？［对“波的干涉”概念的形成是很抽象的，在做完干涉实验之后，应用Flash动画虚拟展示水波（如图13所示）物理情境，增加感知素材；PPT设计（如图14所示）动画虚拟展示绳波的物理情境：左右两列波长相等的简谐波相向传播，在相遇区域内两波边线上取一个波长中的所有质点作为研究对象，观察并描述这些点的运动情景.通过观察相同质点的振动情况，学生自主归纳：（1）相遇区域内的所有质点都在自己的平衡位置附近振动；（2）各质点振动的频率相同但振幅不同，质点振幅超过原振幅的区域为振动加强区，质点振幅小于原振幅的区域为振动的减弱区；（3）振动加强区是一个区域，其中心位置的质点振幅最大，振动最强；振动减弱区也是一个区域，其中心位置的质点振幅最小、振动最弱，振动的加强区和减弱区相互间隔；（4）如果两列波频率相同，图景如图15所示.这样，学生就描述了干涉现象，自己抽象并理解了“波的干涉”以及“相干条件”的概念，并在概念形成过程中自觉纠正错误认识.］

图15

问题2：波的干涉图样的是如何分布的？有何规律可寻呢？（借助Flash用红色的实线表示波峰，用蓝色的虚线表示波谷，波源S1产生一列波，波源S2也产生一列波，当S1、S2同时产生频率相同的两列波，就形成这样一幅动态的平面叠加图样.让学生利用前面叠加认知，选点描述某一时刻该点的振动是加强的，那么它的振动始终是加强，如果某一时刻该点的振动是减弱的，那么它的振动始终是减弱.并推理某一区域的规律，描述叠加图样，并与观察到的实验现象比较，抽象并深化理解 “波的干涉”以及“相干条件”的概念.促使学生形象思维与抽象思维的互动发展.）

反思：依托信息技术提供的虚拟资源，其素材内容固然十分丰富，但它也存在运用误区，如用其模拟实验来替代真实实验，它在情感态度价值观方面就会产生负面的教育效果，学生失去了发现自然规律时的振奋感，更没有误操作损坏器材甚至伤害人身的担心，学生失去的是对自然和自然规律的敬畏.出于这些考虑，教学中真实的物理实验不可用虚拟实验替代.信息技术与物理课程的整合，只能从（1）辅助搜集和处理实验数据，减少繁琐的重复性的操作，提高实验效率（如DIS实验和Excel数据处理）；（2）为丰富思维素材，展示科学家思维、再现教师思维、唤醒学生思维提供辅助平台（波叠加与干涉思维展示）；（3）为重复再现瞬间暂态过程，延迟思维过程，提供物理情境（动态平衡的过程展示）；（4）为拓展时间和空间，重复提供尊重事实而不可复制事实情景（如引入共振提供美国塔柯姆大桥共振被毁录像）及难以实现实验（如太空实验）等方面着手开发优化运用虚拟资源，激发唤醒学生思维.

学习过程一般是从生动直观开始的，通过观察、实验和虚拟信息整合等过程，学生对学习内容的认识是感性的、具体的，而当学生了解了事物的本质以后，认识就变得理性并抽象.学生借助于逻辑推理，又辅助于形象变换，在两种思维结合的同化和顺应中构建新的认知结构.当下的物理教学提倡优化整合多元教学资源，构筑“回归生活”、“贴近生活”问题情境唤醒学生思维，诱发和驱动学生自主探究，在情境体验中追寻前人从事科学研究的足迹，了解科学的本质并进而形成正确的科学观，促进学生逻辑思维能力和非逻辑思维能力的发展.

1 张飞.用电磁打点计时器做波的干涉实验［J］.中学物理，2008（12）：33－33.

2 张延庆.物理教学中的形象思维与抽象思维［J］.物理教师，1983（6）：5－9.

3 陶洪.著名特级教师教学思想录 中学物理卷［M］.南京：江苏教育出版社，2012.