《簡諧運(yùn)動(dòng)》教學(xué)設(shè)計(jì)揚(yáng)州中學(xué)教育集團(tuán)樹人學(xué)校王俊一、設(shè)計(jì)思路人教版老教材從動(dòng)力學(xué)特征的角度定義簡諧運(yùn)動(dòng)，不符合學(xué)生用運(yùn)動(dòng)學(xué)特征對(duì)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分類的認(rèn)知習(xí)慣。人教版新教材把“位移與時(shí)間的關(guān)系遵從正弦函數(shù)規(guī)律的振動(dòng)”稱為簡諧運(yùn)動(dòng)，尊重學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，有利于簡諧運(yùn)動(dòng)的教學(xué)。正因?yàn)槿绱?，通過科學(xué)探究，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)彈簧振子的振動(dòng)圖象是一條正弦曲線，是本節(jié)課教學(xué)的關(guān)鍵所在。本節(jié)課的教學(xué)以“探究彈簧振子的振動(dòng)圖象”為線索而展開，將學(xué)生的認(rèn)知過程和探究過程合理鏈接，實(shí)現(xiàn)了物理知識(shí)和科學(xué)方法、定性探究和定量探究、實(shí)驗(yàn)探究和理論探究的有機(jī)融合，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)物理知識(shí)的同時(shí)應(yīng)用物理思想方法，體驗(yàn)科學(xué)探究的一般過程：“提出問題→制定方案→收集數(shù)據(jù)→處理數(shù)據(jù)→猜想結(jié)論→分析論證→得出結(jié)論→誤差分析”。本節(jié)課的實(shí)驗(yàn)探究和理論探究都是教師引導(dǎo)下的學(xué)生探究，主要引導(dǎo)方式：問題鏈。兩個(gè)探究實(shí)驗(yàn)分別是水?dāng)[和模擬頻閃照片。設(shè)計(jì)水?dāng)[實(shí)驗(yàn)的目的是：（1）定性驗(yàn)證學(xué)生對(duì)振動(dòng)圖像圖樣的猜想；（2）讓學(xué)生理解振動(dòng)圖象“時(shí)間軸”的展開過程。設(shè)計(jì)模擬頻閃照片實(shí)驗(yàn)的目的是：（1）讓學(xué)生體驗(yàn)利用圖象處理數(shù)據(jù)的方法；（2）讓學(xué)生經(jīng)歷利用假設(shè)法定量論證振動(dòng)圖象函數(shù)性質(zhì)的過程。水?dāng)[是用飲料瓶制作而成的，實(shí)驗(yàn)中利用毛筆書法水寫布代替照相機(jī)的底片。模擬頻閃照片的實(shí)驗(yàn)原理也很簡單，就是利用視頻播放軟件獲得彈簧振子振動(dòng)視頻的每一幀照片，根據(jù)照片記錄不同時(shí)刻振子的位移并繪制振動(dòng)圖像。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果上看，這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)都沒有利用位移傳感器精確，但這樣做可以讓學(xué)生建立一種觀點(diǎn)：科學(xué)探究并不是遙不可及的，它不一定要借助很先進(jìn)的工具和儀器，最簡單易行的方法也是好方法。二、教學(xué)目標(biāo)1．知識(shí)與技能（1）知道彈簧振子理想模型和簡諧運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)定義；（2）知道彈簧振子的振動(dòng)圖象是一條正弦曲線，并理解振動(dòng)圖象的物理意義；（3）理解振動(dòng)圖象“時(shí)間軸”的展開過程，會(huì)將底片的位移轉(zhuǎn)換成振動(dòng)時(shí)間。2．過程與方法（1）引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷探究“彈簧振子振動(dòng)圖象”的過程，發(fā)展學(xué)生“猜想假設(shè)”、“設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)”、“處理數(shù)據(jù)”、“分析論證”和“誤差分析”的能力，培養(yǎng)學(xué)生思維的靈活性和深刻性；（2）引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷誤差分析的過程，讓學(xué)生體驗(yàn)建立物理模型的思想方法。3．情感態(tài)度與價(jià)值觀（1）通過對(duì)彈簧振子振動(dòng)圖象的探究，培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)真、合作、實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度，同時(shí)讓學(xué)生體驗(yàn)成功探究的快樂，增強(qiáng)學(xué)生參與科學(xué)探究的興趣；（2）觀察生活事例，了解實(shí)際應(yīng)用，培養(yǎng)熱愛科學(xué)、樂于探究的品質(zhì)，增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐意識(shí)。三、教學(xué)重點(diǎn)（1）彈簧振子的位移概念；（2）彈簧振子的振動(dòng)圖象是一條正弦曲線。四、教學(xué)難點(diǎn)（1）彈簧振子的位移概念；（2）設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案確定彈簧振子在各個(gè)不同時(shí)刻位移；（3）論證彈簧振子的振動(dòng)圖象是一條正弦曲線的思路和方法。五、教學(xué)資源太陽能搖擺花、水?dāng)[（由飲料瓶制成）、氣墊導(dǎo)軌、氣源、彈簧振子（改裝滑塊）、在豎直方向振動(dòng)的彈簧振子、彈簧振子頻閃照片、教師自拍的彈簧振子實(shí)驗(yàn)視頻、“豪杰解霸”視頻播放軟件、多媒體教學(xué)課件。六、教學(xué)流程活動(dòng)活動(dòng)1：觀察現(xiàn)象并概括機(jī)械振動(dòng)的基本特征活動(dòng)活動(dòng)2：探究彈簧振子的位移隨時(shí)間的關(guān)系提出問題→制定方案→收集數(shù)據(jù)→數(shù)據(jù)處理→猜想結(jié)論→分析論證→得出結(jié)論→誤差分析活動(dòng)活動(dòng)3：了解記錄振動(dòng)的方法在實(shí)際中的應(yīng)用活動(dòng)活動(dòng)4：形成知識(shí)結(jié)構(gòu)，總結(jié)探究思路七、教學(xué)過程教學(xué)流程教師活動(dòng)學(xué)生活動(dòng)設(shè)計(jì)意圖活動(dòng)1：觀察現(xiàn)象并概括機(jī)械振動(dòng)的基本特征復(fù)習(xí)舊知，引入新課。板書：“一、機(jī)械振動(dòng)”展示：“太陽能搖擺花”問題1–1：想一想，搖擺花的運(yùn)動(dòng)具有哪些明顯的特征？問題1–2：搖擺花的運(yùn)動(dòng)關(guān)于“誰”對(duì)稱？引導(dǎo)：平衡位置的意義和機(jī)械振動(dòng)的定義。板書：“平衡位置、往復(fù)運(yùn)動(dòng)”銜接：由生活中的振動(dòng)現(xiàn)象引入并展示實(shí)驗(yàn)室中的振動(dòng)裝置——彈簧振子。過渡：在演示彈簧振子實(shí)驗(yàn)的過程中，向?qū)W生指出：滑塊的位置在不斷地發(fā)生變化。在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生回憶重點(diǎn)學(xué)習(xí)過的幾種運(yùn)動(dòng)形式，并明確本節(jié)課的學(xué)習(xí)內(nèi)容是機(jī)械振動(dòng)。觀察現(xiàn)象并分析概括搖擺花的運(yùn)動(dòng)特征。觀察并了解彈簧振子的基本結(jié)構(gòu)。讓學(xué)生意識(shí)到機(jī)械振動(dòng)是一種新的運(yùn)動(dòng)形式。培養(yǎng)學(xué)生的觀察和分析歸納能力。觀察生活事例，培養(yǎng)學(xué)生熱愛科學(xué)和樂于探究的品質(zhì)，增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐意識(shí)。教學(xué)流程教師活動(dòng)學(xué)生活動(dòng)設(shè)計(jì)意圖活動(dòng)2：探究彈簧振子的位移隨時(shí)間的變化關(guān)系問題2–1：想一想，描述物體位置變化的物理量是什么？問題2–2：什么是位移？問題2–3：在A、O、B三點(diǎn)中，選取哪一點(diǎn)作為彈簧振子位移的初始位置最能夠反映振動(dòng)的對(duì)稱性？問題2–4：如果規(guī)定水平向右的方向?yàn)檎较?，那么t1、t2兩個(gè)時(shí)刻，彈簧振子的位移分別是什么？問題2–5：這兩個(gè)時(shí)刻的位移大小相同嗎？方向相同嗎？問題2–6：同學(xué)們猜想一下，位移的變化具有什么明顯的特點(diǎn)？展示：動(dòng)畫展示彈簧振子位移的變化特點(diǎn)。過渡：在總結(jié)彈簧振子位移的變化特點(diǎn)之后，明確指出：以彈簧振子為例，探究位移隨時(shí)間的變化關(guān)系。板書：“彈簧振子的位移隨時(shí)間的關(guān)系”觀察振子位置變化→自主建構(gòu)“振動(dòng)位移”概念→猜想并驗(yàn)證“振動(dòng)位移變化的特點(diǎn)”→提出探究問題——彈簧振子的位移隨時(shí)間的變化關(guān)系。合理整合“知識(shí)序”和“認(rèn)知序”，設(shè)計(jì)遞進(jìn)式問題鏈。運(yùn)用問題鏈引導(dǎo)學(xué)生思維，培養(yǎng)學(xué)生流暢性思維品質(zhì)。教學(xué)流程教師活動(dòng)學(xué)生活動(dòng)設(shè)計(jì)意圖活動(dòng)2：探究彈簧振子的位移隨時(shí)間的變化關(guān)系展示：課前自己拍攝的彈簧振子實(shí)驗(yàn)視頻。問題2–7：請(qǐng)同學(xué)們想一想，如何確定不同時(shí)刻彈簧振子的位移？問題2–8：如果我們直接拍攝彈簧振子的頻閃照片，那么留在底片上的像會(huì)形成什么樣的圖案？演示：利用水?dāng)[實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證猜想。問題2–9：如果拍攝的時(shí)間比較長，不同時(shí)刻的像會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象？問題2–10：為了讓像在底片上不重疊，我們?cè)鯓痈倪M(jìn)？問題2–11：請(qǐng)同學(xué)們猜想一下，改進(jìn)后拍出來的頻閃照片會(huì)是什么樣子？提出多種方案→比較各種方案的優(yōu)劣→確定最好的實(shí)驗(yàn)方案。在自由落體和平拋運(yùn)動(dòng)頻閃照片的基礎(chǔ)上，學(xué)生能夠想象出彈簧振子頻閃照片的圖樣。發(fā)現(xiàn)像會(huì)重疊→提出改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的方法→猜想改進(jìn)后圖樣→分組完成水?dāng)[實(shí)驗(yàn)→得到彈簧振子頻閃照片的正確圖樣。讓學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案并分析方案的優(yōu)劣，能夠讓學(xué)生體驗(yàn)到設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案的基本要求：精確性、方便性。培養(yǎng)學(xué)生的想象能力。先“猜想現(xiàn)象”后“實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證”，這樣可以提高學(xué)生的課堂參與的深度。培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。先“猜想現(xiàn)象”后“實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證”，這樣可以提高學(xué)生的課堂參與的深度。教學(xué)流程教師活動(dòng)學(xué)生活動(dòng)設(shè)計(jì)意圖活動(dòng)2：探究彈簧振子的位移隨時(shí)間的變化關(guān)系過渡：實(shí)驗(yàn)結(jié)果告訴我們，彈簧振子的頻閃照片是一條平滑的曲線。問題2–12：我們?cè)鯓永眠@一條平滑的曲線來反映不同時(shí)刻彈簧振子的位移？板書：“→振動(dòng)圖象（x-t圖象）”演示：利用視頻播放軟件分離彈簧振子實(shí)驗(yàn)視頻的每一張照片。板書：“三、簡諧運(yùn)動(dòng)←正弦曲線”問題2–13：同學(xué)們，在彈簧振子實(shí)驗(yàn)中，產(chǎn)生誤差的主要原因是什么？追問1：振子具備怎樣的特點(diǎn)，可以減小空氣阻力的影響？追問2：如果忽略大小和形狀，振子就是什么？追問3：那么，彈簧應(yīng)該具備怎樣的特點(diǎn)？板書：“理想模型：無質(zhì)量彈簧+質(zhì)點(diǎn)”勻速拉動(dòng)水寫布→將時(shí)間均勻展開→建立直角坐標(biāo)系→建構(gòu)振動(dòng)圖象→明確振動(dòng)圖象不是振子的運(yùn)動(dòng)軌跡→猜想振動(dòng)圖象是正弦曲線。記錄不同時(shí)刻彈簧振子的位移→利用電子表格繪制出振動(dòng)圖象→利用假設(shè)法論證振動(dòng)圖象是正弦曲線→利用圖象擬合的方法論證證振動(dòng)圖象是正弦曲線→構(gòu)建“簡諧運(yùn)動(dòng)”概念。在誤差分析的過程中，自主建構(gòu)彈簧振子理想模型。讓學(xué)生理解振動(dòng)圖象“時(shí)間軸”的展開過程。讓學(xué)生體驗(yàn)利用圖象處理數(shù)據(jù)的方法。讓學(xué)生經(jīng)歷利用假設(shè)法、比較法定量論證振動(dòng)圖象函數(shù)性質(zhì)的過程，培養(yǎng)學(xué)生思維的靈活性和深刻性。培養(yǎng)學(xué)生建立物理模型的思想方法。教學(xué)流程教師活動(dòng)學(xué)生活動(dòng)設(shè)計(jì)意圖活動(dòng)2：探究彈簧振子的位移隨時(shí)間的變化關(guān)系演示：這是一個(gè)在豎直方向振動(dòng)的彈簧振子，它的振動(dòng)是簡諧運(yùn)動(dòng)嗎？展示：播放直接記錄豎直方向彈簧振子振動(dòng)圖象的實(shí)驗(yàn)視頻。課后思考兩個(gè)問題：（1）模仿老師上課的做法，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，利用相關(guān)的軟件定量論證彈簧振子在豎直方向的振動(dòng)也是簡諧運(yùn)動(dòng)；（2）實(shí)驗(yàn)中，為什么必須要?jiǎng)蛩倮瓌?dòng)水寫布？為學(xué)生的學(xué)習(xí)留有一定的出口，延伸學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣?；顒?dòng)3：了解記錄振動(dòng)的方法在實(shí)際中的應(yīng)用引導(dǎo)：同學(xué)們，這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，記錄振動(dòng)的方法在生活中有很多的應(yīng)用。比如：心電圖和地震曲線的繪制。課后，查閱相關(guān)資料，了解更多的實(shí)際應(yīng)用。了解實(shí)際應(yīng)用，培養(yǎng)熱愛科學(xué)、樂于探究的品質(zhì)，增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐意識(shí)。活動(dòng)4：課堂小結(jié)引導(dǎo)：最后，請(qǐng)同