让核心素养在物理课堂落地生根——以“简谐运动”为例

王怡秋

(江苏省太仓高级中学 215400)

中共中央、国务院《关于深化教育教学改革全面提高义务教育质量的意见》中提到：教师要优化教学模式.融合运用传统与现代技术手段，重视情境教学；提高课堂教学效率，培养学生学习能力，促进学生系统掌握各学科基础知识、基本技能、基本技法，培养适应终身发展和社会发展需要的正确价值观念、必备品格和关键能力.有关《简谐运动》一节的教学，不同的时期有不同的教学方法，笔者基于“三新一旧”背景下，针对这一节内容，提出了自己的意见.

一、创设真实情境，形成物理观念

新的课程标准中一再强调真实情境的创设，因为只有真实情境才能与学生的生活建立真正联系，学生才能用联想的方式调取自己的经验，使学生学习到的知识与自己的经验有效结构化，并成为下一次学习的经验.在简谐运动这一节，可以通过如下的情境，让学生逐步深入地建立“机械振动”这个概念.

片段一：引入机械振动

情境一：摆钟的摆动、音叉、水中浮标的上下浮动、树梢在微风中的摇摆……

目的是让学生处于自然中、处于自己的日常生活中，让学生通过观察与联想调取自己的生活经验.

情境二：拓展环节中，追问“你能否再举一个生活实例？”使学生头脑中呈现出更多的生活世界，为学生“创造”一到两例振动实例激发了欲望与动力.

情境三：提供真实实验器材，提供了动手实验的器材：直尺 、以及演示竖直放置的弹簧振子、水平方向的弹簧振子.创造真实情境并充分发挥实验器材的作用，让学生在思维上理清思路、突破障碍.

情境四：在“四合一”实验中，通过学生“用圆珠笔或铅笔沿直尺边沿不停地来回画直线，代替振子作往复运动”的设计，让学生真实体验到振动轨迹是直线的事实，使学生错将振动曲线误认为是振子运动轨迹的想法得到显著减少.

设计意图让学生自己感知机械振动的性质往复性、周期性、平衡位置，促进学生对机械振动的概念建立.将手机与希沃白板联接将“创造”活动拍传至电脑，使大家得到共享“创造”成果，强调学生的互动性.

二、遵循认知规律，构建物理模型

物理核心素养要求学生要有物理思维能力，能够进行模型建构，科学推理，科学论证以及质疑创新.领会在物理学的学习中需要塑造模型，能够建构常见的科学模型，认识它的适用条件及特点并尝试将其运用于日常生活中去解决现实问题.新版《普通高中物理课程标准》(征求意见稿)中，“模型建构”是出现频率最高的热点词语，在课程内容、学业质量标准、实施建议等部分反复明确模型建构的要求.例如通过质点模型、宇宙大爆炸理论模型和物质微观结构模型的案例体会物理模型在物理学研究中的意义.下面谈谈如何引入“弹簧振子”这一模型.

片段二：引入弹簧振子

弹簧振子是一个理想化的结构模型，“忽略次要因素，突出主干问题”，“为什么往复运动不能一直持续下去？如何才能让这个运动一直持续下去？”在建立弹簧振子模型的过程中学生又一次体验了理想化的过程.逐步简化、建构模型的过程就是一个科学思维过程.

激疑(演示实验)：刚才我们“创造”的振动中，哪一例更简洁，便于我们研究？轻拉弹簧下的钩码，让其在竖直方向振动起来.

生：水平方向的弹簧和钩码.

师：为什么?

生：轨迹是直线运动，研究对象简单，还有受力个数少

师：能否说明一下？

生：直尺上每点的运动情况不一样，轨迹是曲线，竖直方向的钩码受到重力和弹力，水平方向的钩码重力和拉力平衡(小角度范围内近似)

师：如果是角度比较大，就不能平衡了，有没有其他办法？

生：把小滑块放在气垫导轨上，既平衡了重力，又使摩擦力减小.

师：回答得太好了，给这位同学点赞(展示水平方向气垫导轨的弹簧振子模型)

师：你能把这个模型画出来吗?

生：上台画出水平方向弹簧滑块的模型.

师：为了研究滑块的运动情况，哪些因素可以忽略？

生：弹簧的质量，滑块的大小

师：弹簧的质量可以忽略的称为轻弹簧，滑块的大小忽略可以视为质点

师：请问钩码的振动情况有什么变化？

生：振动的幅度越来越小

师：为什么会越来越小？

生：因为受空气的阻力

师：如不考虑空气的阻力呢？

生：会一直振动下去

师：(总结)我们把这种模型称为弹簧振子.

师：因为忽略了弹簧的质量、物块的大小，各种阻力，所以弹簧振子是一种理想模型.

这样的一个引导过程，更符合学生的认知规律，最后得出弹簧振子这个模型就会水到渠成.

三、利用现代技术，呈现物理过程

物理研究始于观察，没有观察就没有科学.随着科学技术的进步，观察的内涵也在逐步扩大、由原来的单纯肉眼观察，发展到通过仪器去观察，再发展到通过传感器去进行一系列的观察.

片段三：弹簧振子的位移-时间图象的描绘

师：哪位同学能回忆起我们研究“匀变速直线运动、自由落体运动、平抛运动”时的方法？

生：打点计时器、频闪照相、DIS数据采集系统，

师：今天我们想采用与频闪照相相似的技术-摄影取帧的方法来“捕捉”钩码不同时刻的位置.

技术手段一：利用手机摄影与视频软件PotPlayer(完全解码)、ppt的相关功能呈现振子不同时刻的位置.(1)用手机拍摄弹簧振子的运动视频.(2)在桌面新建一文件夹用于存截取图象.利用视频软件PotPlayer进行画面捕捉，得到了振子在不同时刻的位置截图.(3)在PPT新建空白幻灯片，插入步骤2获得的图片，得到不同时刻振子的位置.

技术手段二：利用Tracker软件记录振子不同时刻的位置.(1) 按如图2装置安装简谐振动装置，为了方便视频软件捕捉振子的运动，需要在振子上贴一个异于周围颜色的纸片． 振子移开平衡位置时开始振动，拍摄视频．(2) 将拍摄的视频导入Tracker软件中，如果格不匹配，需要提前转换为匹配格式．(3) 在拍摄视频上按照直尺的位置对距离进行定标，并定好坐标轴，如图2所示，将定标线和坐标轴进行隐藏.(4) 通过观看视频，选择合适的始末帧数来确定要分析的视频中物理过程的起点和终点． 描绘位移-时间图像．如图3所示．(5) 数据采集完毕后，双击位移-时间图进入数据工具界面，将拟合图标打勾．Tracker软件自带了线性拟合、抛物线拟合、三次曲线拟合、高斯曲线拟合、指数曲线拟合、三角曲线拟合工具，并可自编公式拟合．(6) 选择曲线中的一段进行拟合，通过手动调整参数，可使得拟合曲线和实验曲线达到最大的匹配程度.对于弹簧振子模型的探究，做到从复杂到简单，从定性到定量，从实验到理论进行有序系统的探究；从人为猜想振动图像到手工匀速拉动木板，从频闪照相思路到使用Tracker软件处理实验数据，从用几何画板进行数据拟合到从理论上运用几何画板对简谐运动进行严密新探究，做到环环相扣，层层递进，最终实现对简谐运动一节的全面探究.教学中更采用了理想化建模法、假设法、数据拟合法、图像法、实验探究法等多种科学方法，重点在于培养学生的科学思维能力.

本节课立足于高中物理课堂，试图通过动机激发、要素分配和适时指引使学生投入到三种对话性实践中去.本节课通过激疑促进了学生与客观世界的对话，通过师生与生生对话，促进了学生高效掌握学科核心知识，提高思维水平的同时提高交往与沟通能力，通过学生自我对话，如反思小结、拓展训练使学生的思维得以训练，知识巩固与应用得到提升，有力地促进了学生发展物理核心素养，落实物理学科新课程标准的要求.