基于PCK的“简谐运动”教学案例①

丁 军

(江苏省泰兴市教师发展中心，江苏 泰州 225400)

在教学领域，人们一直很重视对概念教学的研究，概念教学既是学科教学的出发点，也是学科教学的重点和难点，更是教会学生应用理论知识解决生产、生活实际问题的主阵地。因此，教师要灵活应用在物理教学过程中建构的学科教学知识(PCK)，高效地帮助学生重组知识结构、形成物理观念。

1 PCK的内涵

2012年《中学教师专业标准(试行)》将PCK列为中学教师专业知识要素中的核心知识，PCK是课程知识、学科知识、教学知识和学生知识的综合知识(图1)，是教师将个体的教学经验与学科内容知识和教育学理论相整合，是教师对自己专业理解的特定形式，其核心内涵在于教师将学科知识转化为学生可接受的形式。[1]

图1

2 基于PCK的物理概念教学策略

基于PCK的高中物理概念教学是教师针对学生的不同兴趣和能力，利用自身的专业知识、教育理论及多年教学经验，对物理概念教学进行有效的组织、调整、呈现与内化，最终将学科知识“转化”为学生核心素养的一种“教学智能”过程(图2)。[1]这就要求物理教师对学科知识掌握全面、理解深刻，而且还能将丰富的学科教学知识在教学中综合应用，需在课前精心教学设计，在课中精准教学实施，引领学生充分内化提升，高效完成课前预设的教学任务，培养学生的核心素养。

图2

3 基于PCK的“简谐运动”教学案例

笔者以人教版选修3-4“简谐运动”第一课时的教学为例，展示中学物理概念教学过程。

3.1 创设真实情境，促进知识重组

《高中物理课程标准(2017年版)》一再强调真实情境的创设，只有真实情境才能与学生的生活建立真正的联系，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，本节课主要创设了以下4个情境。

情境1：播放视频，引入摆钟的摆动、音叉、水中浮标的上下浮动、树梢在微风中的摇摆(图3)，以上现象没有全部用动画演示，目的就是让学生处于自然中、日常生活中，让学生通过观察与联想调取自己的生活经验。

图3

情境2：在拓展环节中，教师追问：“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经验，提取出振动实例，激发了学生主动学习的欲望与动力。

情境3：本节课为学生提供了以下实验器材：直尺、弹簧与钩码及竖直与水平放置的弹簧振子(图4)，都是为学生创造真实情境而作的准备，充分发挥实验器材的作用，让学生突破思维障碍，理清思路。

图4

情境4：如图5所示，让学生用圆珠笔或铅笔沿直尺边沿来回画直线，代替振子作往复运动，使他们真实体验到振动轨迹是直线的事实，学生错将振动曲线认为是振子轨迹的情况大为减少。

图5

只有创设真实情境，才能让学生形成物理观念，才能让学生在心理上相信物理的真实性，将核心素养的培养任务落到实处。

3.2 注重探究教学，培养创新意识

知识只是物理学习的一个方面，而不是全部，我们应当借助于学生知识的掌握过程培养学生能力。在教学中应将知识的传授过程改进为师生、生生的合作探究过程，学生只有经历了探究过程，才能更好激发起主动学习的兴趣。教师除了要关心学习的内容、容量、程度，更要关注学生学习的兴趣，让学生主动学习、热爱学习。

课堂上教师应当珍惜宝贵的时间资源，引导学生深入探究，体验发现的成功喜悦，增强学习的自信。通过探究教学培养学生的合作意识、探究能力、创新能力。围绕问题解决，激发学生的创造性，笔者设计了以下两个探究活动。

探究活动1：在分组实验中，两位学生按住直尺，一位学生闭眼画线，一位学生匀速抽动纸条，从而“合成”了一台“振动描绘器”。在“合成”的过程中，通过成员间的一系列心理和行动上的暗示、模仿、顺应，提升了学生互助合作的意识和能力。

探究活动2：在“探究弹簧振子在不同时刻的位置特点”环节，引导学生回忆用打点计时器与数字化信息系统(DIS)研究匀变速直线运动、用频闪照相技术研究自由落体运动和平抛运动的方法，根据振动的往复性特征及现有器材，学生创造性地联想到用手机连拍、录制视频和逐帧播放的方法，“捕获”钩码在不同时刻的位置，探究其运动特点。

如没有实际开展探究活动，教材中呈现的方法及图片内容就降格为学科知识，失去了探究教学的价值，失去了培养学生创新意识和能力的机会。

3.3 强化实验教学，渗透方法教育

物理学是一门以实验为基础的科学。在物理学中，每个概念的建立、每个定律的发现、每个理论的确立，都有其坚实的实验基础。学生参与知识的发现过程是培养学生能力的关键，其中科学思维是核心素养的重要方面，是解决问题的灵魂，[2]是物理教学的根本。

3.3.1 模型建构

弹簧振子是一个理想化模型，忽略次要因素，突出主要矛盾，逐步简化、建构模型的过程就是一个科学思维过程，“为什么往复运动不能一直持续下去？这种运动怎样才能一直持续下去？”在建构弹簧振子的过程中，学生再次经历理想化的模型建构过程，充分认识到简谐运动和匀速直线运动、匀速圆周运动、平抛运动一样，都是理想运动模型。

3.3.2 分类讨论

对模型的研究同样渗透着思维方法的教育，如简谐运动描述的表征就需要进行分类讨论，有文字表征，包括位移、振幅、周期、频率的定义等；有图像表征，简谐运动的图像为正弦曲线；有数学(函数)表征，简谐运动的位移y=Asin(ωt+φ0)；有动力学表征，回复力与位移成正比，方向与位移的方向相反，即F=-kx。本节课的教学主要围绕“简谐运动”图像表征及位移概念展开。

3.3.3 实验方法

(1)间接测量：用位移传感器测量位移，据此描绘出振子的运动图像。

(2)控制变量：在分组实验中，让两学生按住直尺两头，让学生“闭眼画线”就是为了控制“振子”的运动方向，让另一位学生匀速拉动纸带，从而使振动随“时间”展开，位移这个变量得到了展现。

(3)替代法：用“频闪照相”替代“摄像取帧”，通过录制竖直放置的弹簧振子的运动视频，结合软件取帧的方法，获得了振子不同时刻的位置，丰富了学生获取物体运动位置的方法(图6)。

图6

(4)图像法：实验数据的处理方法较多，对数据处理的教学一直都是个难点，在高中阶段数据处理的重点常放在图像法上。利用PPT中“横向等距离排列”功能，使振动物体的位移随时间的变化情况得以形象化的呈现(图7)，通过读数、描点，使学生掌握用图像法处理实验数据的基本方法。

图7

(5)误差处理：根据实验数据点描绘振动图像时，让学生用平滑的曲线使尽可能多的点出现在线上，不在线上的点尽量均匀分布在曲线的两侧，掌握在作图中减少误差的处理方法，培养学生的分析、归纳、推理能力。

离开了实验教学和思维方法教育，物理教学就成了无源之水、无本之木，因而实验教学是有效培养学生的科学探究与科学思维等能力的重要途径。

3.4 利用现代教育技术呈现物理过程

物理研究始于观察，没有观察就没有科学的发现。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。[3]有更好的观察工具，才能得到更为精确的数据，为有效探究打下坚实的基础。

3.4.1 利用视频软件PotPlayer和图像处理软件生成“频闪”照片

用频闪照相可以研究物体的运动，其原理是相机每隔相等的时间曝光一次，将多次照相结果呈现在同一张照片上，通过分析照片可以研究物体的运动的性质，以往要有专业的器材才能完成。智能手机内置传感器种类丰富、功能强大，智能手机已经成为物理实验教学的新工具，可利用其连拍功能，用视频软件PotPlayer和图像处理软件进行画面捕捉、生成振子运动的“频闪”照片。

3.4.2 利用《几何画板》函数功能

在描点、绘出振子的振动图像后，如何证明此图像为正弦曲线？可把测量值输入计算机中，用数学软件画出曲线，然后按照计算机的提示用一个周期性函数拟合这条曲线，看一看弹簧振子的位移和时间的关系可用什么函数表示。这就要求数学软件有拟合函数提示功能，常用的Excel软件不能实现，可采用《几何画板》的函数功能，形象、简洁地对振动图像进行拟合，结果一目了然。

3.4.3 实物投影，授课助手

希沃白板是一个不错的平台，可以充分发挥该系统的相关功能，如实物投影、授课助手(手机同屏上传)等，使学生的实验过程与成果得到及时分享与展示。

3.4.4 利用DIS系统

在实验教学中引入DIS系统，数据采集、处理智能化程度高，快速而又精确，让学生进一步感受现代科技的魅力。

现代科技的引入有助于打破实验的时空限制，呈现出全面、细致的物理过程，使学生观察的目的性、敏锐性、深刻性、准确性和全面性得到提高，同时也培养了学生观察能力、逻辑推理能力，激发了学生创新意识，促进学生积极主动进行自主探究。

4 教学反思

4.1 重视概念教学的情境创设

在物理概念教学中要帮助学生深层次理解概念的内涵和外延，此过程中应遵循“潜移默化、层层推进”的原则，切勿生硬地给出定义，让学生死记硬背，生搬硬套，否则学生无法深刻理解概念，更谈不上形成物理观念。应坚持“知识问题化、问题情境化”的原则进行教学设计，创设真实情境，使学生在探究中对概念的认知不断深化，对新旧知识进行重组、内化、再生成，只有做到“真情境”教学，核心素养的培养才能落到实处。

4.2 运用丰富PCK知识对概念进行提炼与升华

在理解概念内涵的基础上，还应拓宽对概念外延的认识，帮助学生对概念进行提炼与升华，使所学的物理概念等知识形成富有逻辑的合理结构，并灵活运用于实际问题的解决。这一过程对教师学科教学综合能力的要求较高，教师要尽可能多地设置探究活动、创新实验方式，让学生与已学的类似知识进行对比分析，才能真正让概念得到提炼与升华。

5 结语

在高中物理教学中，物理概念的教学至关重要。对物理概念内涵和外延的深刻理解，是学生学习物理规律、提高解决问题能力、提升核心素养的基础。基于PCK的高中物理概念教学，在学生习得物理概念、建构物理模型的同时，又让学生领会科学方法，逐步形成物理观念，提升核心素养。