基于共振原理的中學物理教學設(shè)計

馬秋石 劉娜娜 呂華平

摘? ?要：教學設(shè)計是連接教育理論和教學實踐的橋梁。隨著基礎(chǔ)教育課程改革的推進，對中學物理教師運用現(xiàn)代教育理論指導教學設(shè)計的能力要求不斷提高?；诖?，融合了共振原理的教學設(shè)計可以充分了解學生頭腦中的物理前概念，促使學生頭腦中原有的認知在“外加刺激”的作用下產(chǎn)生“共振”，提高學生的知識掌握程度，促使課堂教學效果達到最佳。

關(guān)鍵詞：教學設(shè)計;共振原理;物理前概念;認知

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2019）7-0033-4

中學物理教學設(shè)計是教學的實施藍圖，它以物理教學理論為指導，確定教學目標，選擇適當?shù)慕虒W模式、策略和方法，形成有序的活動流程和具體操作方案，以指導教學過程的有效實施。

1? ? 共振原理

1.1? ? 物理學上的共振原理

從物理學我們知道：當一個系統(tǒng)在連續(xù)周期性驅(qū)動力作用下做受迫振動時，驅(qū)動力頻率f與系統(tǒng)的固有頻率f0相等或接近時，此時系統(tǒng)受迫振動達到極大值，這種現(xiàn)象叫做共振。共振可以分為位移共振和速度共振，其中發(fā)生位移共振時，驅(qū)動力的角頻率略小于系統(tǒng)的固有角頻率ω0，阻尼越小，ω■越接近ω0，共振位移振幅也就越大;而發(fā)生速度共振時，此時驅(qū)動力的頻率等于系統(tǒng)固有頻率ω0，在給定幅值的周期性外力作用下，振動時的阻尼越小，速度的極大值越大，共振曲線越尖銳[1]。受迫振動的位移振幅和速度振幅與外力頻率的關(guān)系，如圖1和圖2所示。

在多數(shù)情況下，我們將“驅(qū)動力頻率等于系統(tǒng)的固有頻率時發(fā)生的共振”默認為速度共振，當阻尼很小時，速度共振與位移共振不可區(qū)分?？梢?，當周期性的驅(qū)動力跟振動“合拍”時，每次驅(qū)動力都跟物體的速度方向一致，驅(qū)動力做的都是正功，故振幅越來越大，能量也越來越大。

1.2? ? 物理教學上的共振原理

根據(jù)物理學上的共振思想，將機械共振的方式“移植”到物理教學上，這就是所謂的共振原理的教學策略。教師在教學之前，首先了解清楚學生的心理狀態(tài)和認知模式，針對學生頭腦中已形成的“概念”，即物理前概念，采取相應(yīng)的教學對策，提升學生的學習激情，促使學生頭腦中的已有知識與教師的外加“刺激”產(chǎn)生共振，以達到最佳的教學效果。

1.3? ? 物理學共振原理與物理教學共振策略

為了明確物理教學融入共振原理的教學策略，物理學和物理教學共振原理對比如圖3所示。

2? ? 物理前概念

根據(jù)建構(gòu)主義理論，學生學習科學概念之前已經(jīng)在頭腦中存儲了一些直覺和日常的概念，并建構(gòu)了個體特定的認知圖式[2]，這些相關(guān)的認識和認知模式既包括正確的，也包含錯誤的，但都屬于物理前概念的范疇。

2.1? ? 物理前概念的內(nèi)涵

學生在系統(tǒng)學習物理知識之前，頭腦中原有的與之相關(guān)的認識和認知模式，有些與科學的相關(guān)知識基本一致，有些與科學的相關(guān)知識相違背，前者就是正確前概念，后者就是錯誤前概念[3]。

2.2? ? 物理前概念的特征

（1）生活化、范圍廣

學生在接受正式物理教育之前，對于日常生活中所出現(xiàn)的物理現(xiàn)象都有自己的獨特理解，即學生對生活中看得見、摸得著的事物容易形成較多的前概念，對于很少接觸又很抽象的事物，則很少有相應(yīng)的前概念。生活中的物理現(xiàn)象包羅萬象，在力、 熱、電、光、原子等物理學的各分支都有涉及，所以學生的物理前概念范圍廣泛，貼近生活。

（2）思維存在“慣性”

物理前概念是學生基于生活經(jīng)驗對現(xiàn)象的反映并在頭腦中積累而形成的，且長期的生活經(jīng)驗又反復加強了物理前概念，因此這些概念在學生頭腦中根深蒂固。即使教師在課堂上幫助學生理解并加以糾正，但學生具有思維定式，做題時反復出現(xiàn)同樣的錯誤，像是思維也存在了“慣性”一般。

（3）弊大于利，存在負遷移

學生在學習物理知識結(jié)構(gòu)時，我們認為先前的知識結(jié)構(gòu)對新知識結(jié)構(gòu)的建構(gòu)有著積極的促進作用，但有時候也會產(chǎn)生消極的影響。事實證明，前概念對于學生后續(xù)科學概念學習的負面影響處于上風，下面將根據(jù)一道題來闡述：

如圖4所示，一個劈形物體M，各面均光滑，放在一固定的斜面上，上表面水平。在上表面放一個光滑小球m，劈形物體從靜止開始釋放，則小球（相對地面）在碰到斜面之前的運動軌跡是? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（? ? ? ? ）

A.沿斜面向下的直線

B.豎直向下的直線

C.無規(guī)則曲線

D.拋物線

針對這道題目，很多學生會不假思索地選擇A選項，理由是小球放在M上，M沿著斜面下滑，它們兩者一起沿著斜面下滑。顯然他們沒有用物理知識來分析，而只是根據(jù)頭腦中的前概念遷移來解決問題。這種前概念的遷移給學習帶來了負面影響，不利于學生學習科學知識。

3? ? 基于共振原理的教學策略

學生在學習新知識前，頭腦中對原有知識的理解既有正確的也有錯誤的，那如何讓學生頭腦中正確的原有概念與新知識進行有效連接，以使學生更好地吸收知識，使教學效果達到最好呢？或者說，面對學生頭腦中錯誤的前概念，怎樣進行有效糾正，促使物理學習從“負”至“0”最終達到“正”的學習效果呢？針對這兩種前概念，本文提出了相應(yīng)的教學策略。

3.1? ? 針對正確前概念的共振教學策略

針對學生頭腦中正確的前概念，需要引導學生在前認知的基礎(chǔ)上進行深層加工，自主建構(gòu)科學概念，促使學生科學認知的發(fā)展[4]。

（1）創(chuàng)設(shè)情境，完善認知結(jié)構(gòu)，引入新課

創(chuàng)設(shè)問題情境的功能不僅在于引起學生的好奇心，還可以引發(fā)學生對已有的概念產(chǎn)生不滿足感，促使學生體會到引入新概念的重要性。

（2）運用科學思維方法，引發(fā)思維和認知共振，建立物理概念

物理知識是對物理現(xiàn)象、過程等感性材料進行科學抽象的產(chǎn)物。要讓學生形成正確的概念，就必須給予他們足夠的感性材料進行刺激，引導他們運用比較、分析、綜合等思維方法，對感性材料進行思維加工。教師主要采取類比架橋的教學方式，這種方式需要學生對類比對象有充分的認知，并且能發(fā)現(xiàn)類比對象和被類比對象之間的某些共性，只有滿足這兩個條件，才能將新知識與之前所學知識進行類比，促進學生理解，實現(xiàn)知識的順應(yīng)與同化，促使感性刺激材料和原有認知產(chǎn)生共振，實現(xiàn)對知識吸收的最大化，進而抽象、概括出事物的本質(zhì)屬性，形成概念。

（3）選用具體問題，運用物理概念

當學生初步形成概念后，必須讓他們將抽象的概念“返回”到具體的物理現(xiàn)實中去，使他們在運用概念聯(lián)系實際或解決具體問題的過程中，鞏固、深化和活化概念。對于物理概念適用情境的豐富和發(fā)展具體表現(xiàn)在兩個方面：一是增加物理概念的適用情境;二是對原有物理概念適用情境的認知更加深入、精細。

基于學生前概念中正確、合理的部分，主要采取類比架橋的概念教學策略，以共振原理為理論基礎(chǔ)，促使學生原有知識與新知識適宜的連接，實現(xiàn)對所學知識吸收最大化。其教學設(shè)計結(jié)構(gòu)圖如圖5所示：

3.2? ? 針對錯誤前概念的共振教學策略

針對學生頭腦中錯誤的前概念，要引起學生的概念沖突，鼓勵和引導學生進行認知調(diào)整，建立與科學概念相一致的新概念。為促使學生的學習效果取得最大值，共振策略的核心是知識的相遇、沖突與相互反應(yīng)[5]。主要分為四個步驟：

（1）了解知識情況，暴露問題

要想實現(xiàn)學生錯誤前概念的有效轉(zhuǎn)變，就要全面了解學生意識中的前概念。本文獲得前概念的主要途徑是在學習新知識之前，讓學生完成一份試卷，這份試卷是教師根據(jù)經(jīng)驗及相關(guān)研究結(jié)果編制的，效度和信度都較好。

（2）引發(fā)沖突，凸出矛盾

產(chǎn)生認知沖突是糾正學生頭腦中錯誤前概念的關(guān)鍵。當學生原有的認知無法解釋新知識或二者產(chǎn)生矛盾時，學生就會對原有的認知產(chǎn)生懷疑，此時教師就要及時地引導學生基于矛盾進行猜想、推導或?qū)嶒?，學生會發(fā)現(xiàn)通過推導和實驗得出的結(jié)果與事實或猜想不相符，從而引起學生思維上的沖突。知識相遇，凸出矛盾，產(chǎn)生沖突，引發(fā)學生最大限度地思考與懷疑，學生此時就會給頭腦中的前概念打上一個問號。

（3）調(diào)整認知，促使知識共振，建立新概念

當學生頭腦中的原有認知產(chǎn)生沖突后，學生很難獨立弄清其中的原因，這時教師就要引導學生進行討論，并且在適當?shù)臅r刻進行講解，幫助學生移除錯誤前概念，構(gòu)建新的知識框架。教師主要采用認知沖突的教學方式，揭示學生前概念中錯誤的部分，鼓勵學生嘗試解釋矛盾事件，引發(fā)概念沖突，引導學生進行認知調(diào)整，實現(xiàn)知識的順應(yīng)與同化，促使知識間產(chǎn)生共振。

（4）選用具體問題，鞏固物理概念

根據(jù)艾賓浩斯的遺忘曲線規(guī)律，對于知識點的鞏固與應(yīng)用是有必要的，同時學生頭腦中的前概念一般是根深蒂固的，為了克服前概念的反復性，教師也要及時反饋與評價。物理教學以解決生活中的實際問題為目標，因此，概念的鞏固和應(yīng)用要遵從生活化和情景化的原則，有助于學生對知識進行遷移。

基于學生頭腦中錯誤的前概念，主要采取認知沖突的概念教學策略，糾正學生的錯誤認知，促使物理學習實現(xiàn)從“負”至“0”最終達到“正”的學習效果，幫助學生在物理學習過程中對所學知識的吸收達到最大值。教學設(shè)計流程圖如圖6所示。

4? ? 結(jié)? 語

基于共振原理的教學設(shè)計可以在充分了解學生物理前概念的基礎(chǔ)上，設(shè)計出針對前概念問題的教學策略，做到知己知彼，有的放矢。最大程度地提升課堂教學效果，促使學生更全面地掌握和吸收知識。

（欄目編輯? ? 鄧? ?磊）