基于核心素养的教学设计

周颖琦++赵莹++王晶莹

摘 要：研究表明，能力的形成是由智力、技能、认知结构（知识+科学方法）构成的。因此，在课堂中教师不仅要做到传授知识，还要强调学生的自主思考。以“多普勒效应”为例，基于核心素养来设计本课，使学生既可以透彻地掌握知识，又可以积极参与到课堂中来。

关键词：核心素养；多普勒效应；教学设计

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2017）8-0067-4

1 核心素养

21世纪以来，科技的进步使人们步入了“知识社会”时代。知识的习得与再现不再是教育的根本目标，甚至电子计算机也能做到学习运用习得的知识。时代的要求促使教育更加注重“创造性”人才的培养。各个国家和地区相继出台了改革策略，例如美国的“STEM课程”、苏格兰的“卓越课程”、日本“21世纪型能力”的提出都强调了新时代的学力与学习面临转型的挑战。

在此环境下，我国的教育也随着社会的发展和新时代的要求不断地改进着。“核心素养体系”概念的首次提出是在教育部2014年印发的《关于全面深化课程改革落实立德树人根本任务的意见》中，这是我国教育从教书走向育人的重要突破。纵观我国课程改革的历史，从传统的重视“双基”，即基础知识与基本技能，到三维目标的提出，即知识与技能、过程与方法、情感态度价值观，再到核心素养，是一个从教育测量时代到评价时代再到矫正教育评价时代的过程。在这个过程中，人们意识到知识教学要“够用”，但不能“过度”，因为知识教学过度会导致学生想象力和创造力发展受阻。只有找到人发展的“核心素养体系”，才能解决好有限与无限的矛盾，只有找到对学生终身发展有益的“DNA”，才能在给学生打下坚实知识技能基础的同时，又为未来发展预留足够的空间。

具体到物理学科的核心素养，物理课程标准修订组认定学生物理核心素养的关键成分主要由“物理观念”“科学思维”“实验探究”和“科学态度与责任”组成。需要强调的是，物理学科的核心素养并非以单纯的知识技能独立于其他学科而存在，而需要学生在学习物理的同时学会与其他教学科目的“协同”“沟通”“表现”，能够运用各门学科的内容进行思考、判断。具体到物理教学中，教师应在充分理解知识的前提下将学科核心素养转化为课堂教学的内容标准，充分挖掘学生的创造力，尊重学生个性来引导学生学习。

下面将以人教版《物理》选修3-4第十二章《机械波》第5小节《多普勒效应》为例，展示核心素养在教学中的体现。

2 教学设计

由于多普勒效应并非考试重点，一般教师在教学中仅要求学生了解什么是多普勒效应及其在测量速度等中的应用。传统的“多普勒效应”教学设计分为三个环节：首先教师以在车站听到汽车鸣笛的笛声变化引发学生思考，引出多普勒效应现象，然后教师对多普勒效应的现象和成因进行推导解释，最后讲解多普勒效应在生活中的应用。

但是，《高中课程标准》中“多普勒效应”的内容标准为：通过实验感受多普勒效应，解释多普勒效应产生的原因；列举多普勒效应的应用实例。可以看出多普勒效应在知识上虽然不是高考的重点考查内容，但在课标要求中对其中物理思想的解读，实验探究的过程极其重视。因此，本课学习是一个通过实验探究提高学生对物理思想、物理探究过程认识的好机会。

因此，基于核心素养对学生学习物理的要求，笔者的教学设计如下：

2.1 经验引入，激发兴趣

通过播放火车一边行驶一边鸣笛的音频，提出相关问题，激发学生的兴趣。

2.2 新旧联系，温故知新

回顾声音的产生、传播和三个特性，思考如何判断火车与人的相对运动关系。

2.3 回顾历史，引起思考

通过多普勒发现现象、深入思考分析的历史史实以及后人对多普勒的评价引导学生认识物理现象發现的历程和方法，引发学生对生活中物理现象的思考。

2.4 亲自体验，归纳本质

通过教材中给出的队列匀速经过观察者，观察者相对队列运动的活动让学生亲自体验相对运动时会发生的变化。从理论上论证产生多普勒效应的本质原因。

2.5 演示实验，细化分析

学生观察演示实验，运用音频软件细化分析。对比发生相对运动对响度及频率的变化。

2.6 归纳总结，重视方法

教师带领总结规律，归纳实验中运用的思想和方法。给出计算公式进行验证分析。

2.7 反思实验，实际应用

学生运用公式计算课堂演示实验中接收者接受到的频率范围。教师强调相同效果的两种现象的本质区别。教师介绍多普勒效应在生活中的应用，鼓励学生用学会的知识解决实际问题。

其中，第5、6、7步为本节课的重点，主要解决了传统教学的3个问题。

问题1：

传统教学引入实验的实施方法是：在课堂中教师使声源与接收者（即学生）发生相对运动，让学生体会音调的变化。一般以长线连接声源，教师在讲台前垂直学生方向转动长线，长线带动声源发生与接收者（即学生）的相对运动。这种方法巧妙地将看不到的声波的频率变化转变成了可以感知到的音调的变化。但不足之处在于声源与接收者的相对运动过程中响度和音调同时变化，对音调不敏感的同学很容易将两者弄混。如何将两者进行区分以突出音调的变化呢？

针对问题1，本课采用自制实验教具（如图1所示）。将电机与横杆相连，在相应电压的驱动下使电机带动横杆进行转动。在横杆的一端设置声源，可用蓝牙mp3和扩音器组成，通过Frequency-Generator等软件即可发出频率稳定且可调的声音。接通电源，横杆会在电机的带动下转动起来。横杆末端固定声源以一定速率靠近或远离学生。

首先播放频率为440 Hz的音乐，让学生感受稳定频率并且没有相对运动时的音效。然后闭合开关，仍播放频率为440 Hz的音乐。横杆在电机的带动下转动，发声器处于横杆末端，相对接收者（电脑和学生）发生相对运动。要求学生闭上眼睛，试着判断横杆何时转向自己，何时背离自己。endprint

接着，提问学生：你可以判断出杆何时转向我们，何时背离我们么？怎么判断出来的？横杆静止和转动起来的时候我们听到的声音有什么不同？

接着针对区分音调和响度的变化采用Adobe Audition CS6进行声音的采集和分析。这是一款常见的音频制作软件。其特点是可以将音频时间轴横向放大直至可以看到清晰的波形，纵向放大可以调整音频响度大小。

课堂上一边进行实验，一边录制好横杆转动时声源与接收者（电脑）相对运动的音频。采用波形纵向放大功能将音频曲线的振幅调成相同大小，再让学生感受。此过程解决了学生以为依据响度变化判断出运动方向的错误认识。

问题2：

会有学生提出在教室的实验现象不如课堂引入时播放的“火车鸣着汽笛从录音者身边飞驰而过”的音频中听到的声音变化现象明显。如何合理解决这一问题？

针对问题2，我们首先应该向学生证明在课堂中模拟的实验接收者接收到的音频同样发生了频率的变化。具体做法如下：

通过Adobe Audition CS6的音频横向放大功能展示录制音频的频率曲线。比较声源与接收者（电脑）“静止”与“相对运动”时音频的频率。分别比较当横杆靠近接收者时，频率变高（图2），当横杆远离接收者时频率变低（图3）两种情况。

以上，学生既从听觉上感受到了声源与接收者相对运动时声音的变化，又从视觉上“看”到了频率的变化。

接着应重点引导学生分析、解释为什么会出现现象不明显的问题，由实验推及理论。具体实施方法如下：教师给出接收者接受到的频率公式 f'=■f，其中f'为接收到的频率；f为发声源于该介质中的原始发声频率，v为波在该介质中的行进速度，vs为发声源移动速度，若接近观察者则前方运算符号为 - 号，反之则为 + 号。经测量，横梁长1.2米，转速为每分钟73转。因此，学生可将已知量带入公式，得到

f'■=■f=■×440≈434 Hz

f'■=■f=■×440≈446 Hz

由此可知，听到的频率范围为434 Hz～446 Hz，不足半个音高，因此音调变化不明显。

问题3：

传统的教学仅仅指出了当波源相对靠近或远离接收者时接收者接收到频率发生变化的两种现象。然而，多普勒效应“相对靠近（或远离）”仍可分为两种情况，即波源静止，接收者靠近（或远离）波源运动；接收者静止，波源靠近（或远离）接收者运动。两种情况有区别么？

在课堂中教师应明确讲解两种情况的区别。从物理意义理解的角度，多普勒效应是接收者接收到的频率比波源实际频率高或低的现象。其接收频率数值上等于单位时间内接收者接收到的波的周期数。若接收者相对于介质静止，他所接收到的频率就是波的频率。当波源向着接收者运动时，波源所发生的相邻两个同相振动状态是在不同的地点发出的，要比它静止时这两个相同振动状态的空间距离短一些，即波的波长变短。相应地，接收者在单位时间内接收到的波的周期数增多，即接收者接收到的频率变高。若波源相对于介质静止，则波的波长不变。当接收者向着波源运动时，接收者在单位时间内接收到的波的周期数比静止时接收得多。因此，接收到的波的周期数增加而频率变高。综上所述，前者是由于压缩波长而增加的波的周期数，后者是由于接收者向着波源运动而多接收的波的周期数，两者物理机制不一致。从公式计算上也可以看到不同，这里不再赘述。

3 基于核心素养的教学设计评价

本教学设计较好地体现了物理核心素养的提升目标。

从物理观念的角度，本教学设计以观察者相对队列运动的活动让学生形成了相对运动的观念，并能由教师引导抽象出对声波的运动及相对运动的基本认识。能运用其解释课堂中感知到的队列运动中声音的相对变化，从而描述多普勒效应现象。

从科学思维的角度，本教学设计基于学生的生活经验事实，由教师引导学生将声源和接收者抽象为质点从而建构理想模型进行理论分析、推理。当实验现象出现不足时引导学生基于事实证据和科学推理对结论进行质疑，进而提出创造性的解决方法。增强了学生使用科学证据的意识和评估科学证据的能力，使学生具有批判性思维，能基于证据大胆质疑。引导学生正确运用控制变量法等科学思维方法，并通过软件辅助分析，从定性和定量两方面对接收者接收到的频率变化进行分析，引导学生经历了科学推理、找出规律、形成结论的过程，很好地解释了多普勒效应这一自然规律。鼓励学生从不同角度思考问题，运用科技解决问题，追求科技创新。

从实验探究的角度，引导学生提出物理问题，如声音发生了哪些变化？为什么会发生这样的变化？为什么在教室的实验现象不如课堂引入时播放的“火车鸣着汽笛从录音者身边飞驰而过”的音频中听到的现象明显？从而使学生体会实验探究的过程，即形成猜想和假设，获取和处理信息，基于证据得出结论并进行解释，以及对实验探究过程和结果进行交流、评估和反思。

很多教师害怕在课上的演示实验效果不明显会影响学生对现象的观察，故而当实验出现一些不遂人愿的问题时会回避或者不予理会。但其实抓住在教室实验现象不明显这一问题，引导学生分析探究，将所学知识运用其中，进而思考如何去解决这一问题更有利于学生对知识的掌握。在这个过程中，学生不仅可以自主分析实验，加强了对实验原理、实验过程的理解，还会自主思考，寻找优化思路，互相交流和启发，不知不觉将课堂的学习延伸至课外继续思考。教师也可以受到学生的启发，与学生一起讨论。这个过程也使学生认识到实验并非一开始就是一帆风顺的，当遇到问题时，要积极正面地面对，利用理论进行分析，找到问题的原因再想方设法解决问题。这才是学习、探究知识的真正过程。

从科学态度与责任的角度，本教学设计通过生活常识和声音对比使学生对现象先有了初步的认识。再通过理论分析明确多普勒效应产生的原因和本质。最后通过在教室中模擬实验，对音频图像的分析处理，进一步认识多普勒效应中波的频率变化。学生在此过程中，有独立的思考、有亲自的实践、有合作的交流，强调了学生的感悟、体验和实践。不仅激发了学生的好奇心和求知欲，更在探究过程中体现了基于证据和逻辑发表自己的见解，实事求是，不迷信权威的思想。同时，课堂演示实验的进行以实验安全为第一要务。选择2020铝型材制作横杆，固定方便、牢固；选用无线接收装置方便控制；横杆两侧适当配重以保证重心位于电机轴的中心，保护电机。这些细节无不体现了科学、技术、社会、环境的关系，使学生在学习的过程中不忘实验的安全原则。

参考文献：

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（栏目编辑 邓 磊）endprint