2011高中物理专题五文本上交.doc

2011年高中物理教师培训专题5文本 翟老师：各位老师，大家好！在今天这一讲中我们将与大家一起讨论有关高中物理选修3-4简谐运动这一知识单元的教学设计问题。在实际教学中，威海市和济南市的长清一中分别就简谐振动的这部分内容搞过专题的同题异构教学研究活动，为此我们今天也特地请来了威海市教育教学研究中心的姜进辉老师和济南市教学研究室的田序海老师与我一起共探讨这一讲的内容。威海地区和济南地区分别使用了不同版本的教科书，教材在简谐运动这个知识单元的教学设计上也有比较大的差异，内容的划分上也各不相同，教师在课堂教学中的所呈现的教学形式和内容也有较大的差异。我们今天在一起就各地区的教师在教学中遇到的一些问题及这一知识单元的教学情况共同研究一下。首先我们请济南市的田老师先介绍一下济南市在简谐运动振动教学中的情况。田老师：济南市根据使用的版本教材，延续了从动力学入手研究的教学思路，就是：从水平弹簧振子的受力特点分析出它的回复力规律，即：F=-kx。从简谐运动的动力学特征上给出了简谐运动的定义，也就是，像弹簧振子那样，如果物体所受回复力的大小与位移成正比，并且方向总是指向平衡位置，则物体的运动是简谐运动。然后再对简谐运动的运动学特征进行描述，教材中给出了水摆的方法，直观的记录下振子的运动情况。不过教材上没有要求学生去证明这条曲线是正弦或余弦曲线，而是直接告诉学生，实验和理论都表明，简谐运动的图像是一条正弦或余弦曲线，学生们只要通过动手实验记录下这个轨迹象正（余）弦曲线也就可以了。同时教材还增加了用公式描述简谐运动的内容，长清一中的老师就是本着这样的思路设计了振动的描述这节课。姜老师：威海市使用的教科书做出了新的尝试，在这部分内容的研究方法上延续了高中物理必修1中运动学的研究思路，即先用运动学的概念引入和定义简谐运动，也就是先描述简谐运动的运动特征，然后设法证明其位移时间图线是一条正弦曲线，这样处理，在教学中就不可避免地遇到了两个困难，一是如何得到弹簧振子的位移时间图象，二是如何论证该图线是一条正弦曲线。过去教学中从来都没有要求用公式对简谐运动进行描述，这个“公式”不仅包括简谐运动的回复力公式、振动加速度的公式，还包括了描述简谐运动的振动方程，这样做不仅对简谐振动特征的描述更加完整和深刻，在操作上也是可行的。因为学生在“数学4”模块中已经学习了三角函数的知识，已经了解了函数式的意义，也能画出的图像，并能解决、对函数图像变化的影响等数学任务，而且在数学的考试大纲中，对三角函数中正弦函数的要求最高，也就是说，从数学的角度看，学生已经具备了从运动学的角度描述简谐运动的能力。因此，物理教学的任务，就是怎样把学生学到的数学知识紧密地和物理现象联系起来，从物理学的角度进一步理解函数式中这些字母的物理意义，特别是相位的物理意义。翟老师：简谐运动的位移时间公式、相位也都是这次新教材中增加的描述简谐运动的相关的内容。但是，不管是哪种教材，其内容都是教材的编者按照课程标准的要求，它反映了教材的编者对课程标准的理解，下面我们一起看一下高中物理课程标准有关简谐运动这一部分内容是怎样要求的。通过观察和分析，理解简谐运动的特征。能用公式和图像描述简谐运动的特征。例1：比较做简谐运动的物体在不同位置所受的力、速度、加速度、动能和势能；例2：用两个摆长相同的单摆演示简谐运动的相位差。关于这一部分的内容，在考试说明中，对“简谐运动”的要求为级，对“简谐运动的公式和图像”的要求为级。从课标的“理解”一词和考试说明中的“级”要求可以看出该内容在本模块中的重要地位，因为在3-4模块中，级要求的知识点只有四个。从刚才两位老师的阐述我们可以看出，尽管两种版本的教材这部分的内容的设计上有较大的差异，但指导思想是一致的，那就是通过各种不同的方式让学生理解简谐运动的基本特征。按照研究运动学的思路看，人们对机械运动的研究是先从机械运动的描述开始的。因此，若要研究简谐运动形式的规律，应该先从描述什么样的运动是简谐振动开始，然后再研究它做这样运动的原因和规律。象在必修部分学习的直线运动、抛体运动、圆周运动都是先从这种运动的加速度、运动轨迹的描述开始的，然后再了解用什么样的物理概念、物理量去描述运动质点的运动状态，用什么方程去说明质点的运动情况。因此，我们希望学生从运动学的角度明确物体做什么形式运动的是简谐运动，用什么方程描述该运动，必须引入哪些物理量，经过这样的学习过程，学生能进一步加深对物理学研究问题思想方法的认识和理解。因此，有关简谐运动的教学，我们把它分成这样三部分分别进行研究，即：1. 振动特征的描述和简谐运动物理模型的引入 2.用运动学的研究方法描述简谐运动，即：画出位移-时间图像，引入周期、振幅、相位等描述简谐运动的物理量用方程描述振子的简谐运动的情况3.用动力学和能量的观点描述简谐运动 一引入新课田老师：机械振动一章是高中物理选修3-4的第一章，简谐运动又是机械振动的第一节，在学习新的模块时，如何让学生快速了解本模块的主要内容和框架；在学习新课时，如何引入，请看威海三中姜妮老师的做法。（插播教学片断）视频1插入威海三中姜妮录像导入（教师）中的内容：看目录，了解本模块的内容，介绍本单元的学习方法姜进辉：姜妮老师非常注重把科学研究的方法不失时机地渗透给学生，在学习新模块时，引导学生从教科书的目录中快速了解本模块的主要内容和结构框架；从物理学的研究方法往往是从最简单、最基本的问题入手，使学生了解到学习机械振动也要从最简单、最基本的振动简谐运动开始，由此引出本节课的课题。科学方法是获取物理知识的重要手段，学生只有掌握了科学方法，才能更快捷地掌握和理解物理知识。二振动特征、理想化模型的建立田老师：首先我们来看一下对振动特征、理想化模型描述这部分内容的教学。机械振动是力学中运动形式比较复杂的一种运动，振动过程中，振子的位移、速度、加速度的大小和方向都在时刻发生着变化，在教学过程中教师应该通过实验或视频展示学生熟悉的、典型的振动现象，让学生在这个观察、思维、分析的过程中自己能够找到有关“平衡位置”、“两侧附近”、“往复运动”等有关振动的关键特征。对简谐运动的研究首先要建立理想化物理模型，建模是物理学研究的重要方法。下面我们来看一下威海四中张学平老师、威海三中姜妮老师的课堂教学片段。（等3秒。插播教学片断） 视频2插入视频：威海四中张学平（教师1在学生录像中）。 视频3威海三中姜妮老师新授（教师）内容：弹簧振子翟老师：视频是一种有效的感性材料，在教学中是很有必要的，在观看各种有关振动的视频时，教师要提出要学生观察和分析的任务，再通过学生的讨论、思考的教学环节，最后师生共同总结出机械振动的定义，这样做符合学生的认知规律。姜老师：姜妮老师首先通过器材清晰地介绍了弹簧振子及其组成，在教师的点拨下，通过学生的探究，师生共同提炼出将弹簧振子理想化的条件：忽略阻力；忽略弹簧的质量；振子可视为质点；弹簧在弹性限度内。通过对知识的深化和条理化有利于学生掌握知识。（插播教学片断） 三、运动学描述翟老师：有关简谐运动的运动学的描述是本单元内容的一个重点，在这个教学环节中，教师应首先联系前面学过的运动学知识，帮助学生找出研究简谐运动运动学特征要研究哪些物理量及研究什么，同时要搞清楚位移对振动的特殊定义等研究的基础，然后介绍给学生不同的记录位移-时间关系的方法，在下面将要播放的教学视频中，有三种不同的实验研究方法，同时在画出位移时间图像后，还要求证这个看起来像正弦图像的究竟是不是正弦图像，教学片段中也有两种不同的验证方法，在画出位移-时间图像后，由于学生已经具备的数学基础，学生很容易的就写出了描述简谐运动位移-时间的方程，并从方程中对应的位置中找出了描述简谐运动的物理量，教师通过不同的教学方式，让学生理解公式及物理量的物理意义，下面我们来看一下几段有关简谐运动运动学描述的教学片断。（插播教学片断）视频4位移-时间图象的引入（威海三中郭慧华）视频5振动的位移：姜妮（学生光盘）新授（学生）姜进辉：郭慧华老师通过引导、点拨，使学生知道描述振动的角度很多，通过比较，从位移时间的关系来研究比较方便。在高一开始学习位移时，位移是用从初始位置指向末位置的有向线段表示，但在研究振动时的位移为何要相对平衡位置，有不少教师没有把道理讲透，导致学生对这一问题的理解不到位，姜妮老师从振动的周期性即周而复始性人手，引导学生理解了对于振动而言，根本无法找到其“初始位置”，那么如何确定一个参考点呢？学生很自然地将“平衡位置”选作了振动位移的参考点。济南长清一中的老师教学方法则完全不同，下面我们来看一下赵振荣老师的教学片段。（插播教学片断）视频6新课的引入和任务的分配（济南长清一中赵振荣）田老师：本节课采用的是小组合作探究式教学模式，在课前自学完成学案导学的基础上，明确各组的重点任务。本节课共有三部分内容，每个小组有六人，每个小组的1、2号两名同学主要负责第一部分内容振动特征的描述；3、4号同学主要负责第二部分内容简谐运动的图像描述；5、6号同学主要负责第三部分内容-简谐运动的公示表达。下面我们接着看长清一中老师的教学片段（插播教学片断）视频7小组研究实验结果展示（济南长清一中刘东艳济南长清一中赵振荣）翟老师点评：完成分组实验后，教师并没有直接布置研究任务，而是想让展示各小组水摆实验结果，并大家一起观察分析，找到问题和共同特征。在教师适时的点拨下，才进行后面的教学程序，为学生主讲留下提示伏笔。这个做法很值得提倡。下面我们继续观看赵老师的教学视频。视频8振动特征的描述（济南长清一中赵振荣）田老师：根据分配任务由一名同学进行主讲，其他同学进行补充、质疑、提问，最后教师进行归纳、点拨、提升。虽然学生讲得并不严谨，但是道出了他的理解和感悟，比被动听课效率更好。另外，教师提出振幅与位移的关系，进一步补充了位移的含义，及时补充了全振动定义，弥补了学生遗漏。威海市使用的教科书在得到了弹簧振子的位移与时间的关系图线后，在论证它是否为正弦曲线的过程中，在“思考与讨论”中作者创造性地提供了两个方法，一个是验证法，一个是使用计算机进行数表软件拟合法，但第一个方法比较麻烦，第二个方法对硬件的要求比较高，还有没有更加简便的方法呢？请欣赏姜妮老师精彩的课堂教学片段！视频9图线论证：威海三中姜妮：要从（教师）和（学生）两个光盘的“图线确定”播放组合而成。姜进辉：我们在集体备课的时候，通过集思广益，大家想出了一个非常简便的方法重合法，即在实验误差允许的范围内，只要振子的位移时间图线与数学课本中的标准正弦曲线重合，就可以有效证明振子的位移时间图线为正弦曲线，即振子的位移随时间按正弦函数规律变化。为了保证这一方法的真实性和科学性，我们使用数码相机从学生使用的数学教科书上，得到了一幅标准的正弦函数图线，而且照片中带有图线周围的文字，再使用同样的方法从物理教科书上得到弹簧振子的频闪照片（图11.1-2），并使用平滑的曲线将小球的位置依次连接起来，经过的反转和透明处理，再通过适当的大小调整，就可以将两幅图片进行重合，从而得到了迅速验证。为了激发学生的创造性，姜妮老师大胆地调动学生的思维，果然有个别的学生也想到了这一方法，执教的姜妮老师激动不已，当场大力地表扬了该生，课后又与该生进行了深入交流，将我们集体签名的3-4教科书与该生的教科书进行了交换，这一事件对该生的物理学校积极性的激发效果是可想而知的。事后我们总结，课堂教学中要充分相信学生，没有学生想不到的，只有我们没有启发到的。下面我们来看一下山师附中王慧娜老师的教学片段视频10用传感器完成位移-时间正弦关系的描述的实验研究视频。翟老师点评：如果学校有传感器等设备，用这种方法可以很方便的完成位移-时间关系的描述。下面我们继续观看老师的教学片段。视频11振动图像的描述（济南长清一中赵振荣）田老师点评：这节课的重点是简谐运动的图像描述。做简谐运动的振子运动状态时刻在改变，运动过程比较复杂，而描述这种复杂的运动最有效的方法就是画它的s-t图像，能够很直观、很简洁的把运动过程展现出来。纵坐标表示振子离开平衡位置的位移，这里学生好理解，横坐标为什么就表示时间了，学生有疑问，在这个位置展开了讨论。s-t图像又进一步挖掘了它所隐含的意义，很直观看出了位移与速度随时间是如何变化的。可以看出这部分有4个学生上讲台。有讲解的，有提问的，第四个女生分析了横坐标为什么就表示时间了，突破难点，十分精彩。下面我们继续观看老师的教学片段。视频12。对振动图像的分析和应用（济南长清一中赵振荣，济南长清一中王兆阳）翟老师：这一部分教师主要是让学生深化理解振动图像的物理意义，从学生的分析讲解中可以看出他们理解图像的基本含义（周期、振动方向、半周期质点的路程、四分之一周期质点的路程等）同时引入用公式描述振子的简谐运动。利用周期、振幅、相位及方程描述振子的简谐运动田老师：“全振动”这一概念，在简谐运动的周期和频率的教学中非常重要，不难理解，教科书中写得也比较简略，下面看一下威海一中孟超老师的教学片段。（插播教学片断）视频13.全振动：威海一中孟超（教师录像）姜老师：周期和频率的概念在必修2的匀速圆周运动中已经出现，在当时也比较好理解，但“全振动”的概念只有到了必修3-4的机械振动中才出现，主要原因是圆周运动的轨迹是圆，而简谐运动的轨迹是一条直线。威海一中的孟超老师，先通过演示实验，形象地“呈现”了全振动的含义，然后对全振动给出了一个清晰的定义，再通过练习进行巩固，教学效果应该比较理想。位相的概念是一个比较难理解的概念，教学中如何处理，下面我们继续看教师的课堂教学实录片段。（插播教学片断）视频14相位：威海一中孟超田老师：孟超老师通过演示实验，再播放“千手观音”的视频，比较浅显、形象地渗透了相位的概念，使学生对这一概念有了初步的了解。在对简谐运动进行了图像的描述后，如何进行公式描述，请看李艳老师的教学视频。