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1 引言

STEAM教学理念作为一种具有创新性的教育模式，经过不断发展与完善，现已形成融合科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、艺术（Art）与数学（Mathematics）的综合性教育理念，旨在培养既具备扎实科学素养，又拥有实践创新能力的新型复合型人才，为全球范围内的教育教学改革提供了重要方向。［1，4］

近年来，我国新高考制度在各地区逐步推进，“新课程、新教材、新高考”的“三新”教育理念应运而生。[3]这一理念以落实“立德树人”根本任务为核心，注重学生核心素养的培养，致力于构建科学晚上的课程与教材体系，突破传统学科界限，推动评价方式多元化发展，促进教育公平。STEAM教学理念与我国“三新”教育理念呈现出高度契合性，二者均强调跨学科实践深度融合，注重理论知识与实践技能的协同发展，提倡构建多元化的评价体系。[5]因此，在高中物理教学设计中融入STEAM理念，不仅具有理论上的可行性，更具备重要的实践价值。

2 “波的干涉”教学设计

2.1 教材分析

本节课内容选自人教版2019年版普通高中教科书《物理》选择性必修第一册，在教材知识体系中具有承上启下的重要地位。“波的干涉”被安排在“波的形成”“波的描述”及“波的反射、折射和衍射”等基础内容之后，既是对前面知识的综合应用与深化，也是学生构建完整波动知识体系的关键内容。通过学习“波的干涉”原理，学生能够从本质上理解波的叠加原理，为后续学习光的干涉、衍射等光学内容奠定坚实基础。

2.2 学情分析

从学生的认知基础来看，在学习本节课前，已经初步掌握了波的基本概念、产生条件及相关现象，具备了一定的“波现象”知识储备。然而，学生对波的本质理解（特别是波的叠加原理），往往只停留在表面认知层面。“波的干涉”的学习，能帮助学生从本质上深化对波的概念理解，为后续学习光的干涉、衍射等内容搭建认知桥梁。这种通过类比实现的知识迁移，不仅有助于学生构建系统化的波动知识体系，更能够显著提升其科学思维和认知能力。

2.3 教学目标

（1）物理观念

理解“波的干涉”原理，掌握波的相干条件及干涉图样特征，能够运用“波的干涉”原理解释直立式防波堤的消浪机制。

（2）科学思维

通过演示教具与GeoGebra仿真实验的对比分析，构建“波的干涉”模型，并迁移至直立式防波堤等工程情境，提升学生提出问题、分析问题、模型建构与逻辑推理的能力。

（3）科学探究

通过“演示实验观察—仿真实验探究—工程方案设计”的教学流程，掌握科学探究方法，学会借助GeoGebra软件等工具总结“波的干涉”条件。

（4）科学态度与责任

在直立式防波堤消浪方案的设计中，体会物理原理的实际应用价值，引领学生关注社会现实问题，树立社会责任意识、安全工程意识及科学严谨的态度。

2.4 教学重点与难点

（1）教学重点

深入理解“波的干涉”原理及其产生条件，准确把握干涉图样的空间分布特征，建立“波的干涉”原理与直立式防波堤工程应用之间的有机联系。

（2）教学难点

从实验现象中抽象出波的叠加本质，理解干涉图样中振动加强区与减弱区的分布规律，特别是其与波程差、波长等参数的定量关系，能够运用“波的干涉”原理解释复杂工程情境中的消波现象。

2.5 “波的干涉”教学案例

2.5.1 创设工程情境

教师活动：教师播放“钱塘江大潮”的壮观视频（如图1所示），随后展示大潮冲击堤坝的视角图片（如图2所示），引导学生思考：“浪潮冲击力如此巨大，为何堤坝能够安然无恙？”，以此巧妙引入“直立式防波堤消浪原理”的工程情境，激发学生的探究欲望。

图 1 钱塘江大潮

Figure 1 Qiantang Bore

图 2 钱塘江大潮冲击堤坝

Figure 2 Qiantang Bore impacts the dam

学生活动：在观看视频的过程中，学生不仅被自然景观的壮美所震撼，更在教师引导下深度思考：堤坝的结构设计是否蕴含特殊的物理原理？通过思考，激发自身学习兴趣和探究动机。

设计意图：通过钱塘江大潮这一真实工程情境，实现从生活到物理的自然过渡。视频的视觉冲击与认知冲突，能够迅速吸引学生注意力，为后续教学活动的开展奠定基础。

2.5.2 演示教具展示

教师活动：使用J2208发波水槽（如图3所示）进行分层演示：首先演示单波源的水波传播特征，引导学生观察圆形波纹的传播规律；随后启动双波源，通过对比观察，引导学生关注干涉图样的形成过程，并提出引导性问题：“两列波相遇后，波纹发生了什么变化？振动有何特征？”

图 3 J2208发波水槽

Figure 3 J2208 Ripple Tank

学生活动：通过细致观察，学生能够清晰发现：单波源产生规则的圆形波纹，双波源叠加后，水面上出现稳定的振动加强区和减弱区，形成了独特的干涉条纹。这种鲜明的对比观察，为学生理解干涉现象提供了直观的感性认识。

设计意图：实物演示的优势在于其真实性和直观性，能够让学生获得第一手观察经验。通过单、双波源的对比演示，制造认知冲突，激发学生的思维活动，为后续干涉原理的理论学习搭建必要的感性认知基础。

2.5.3 “波的干涉”原理

教师活动：在前一阶段学习的基础上，教师引导学生回顾实验现象，提出核心问题：“为什么会出现如此规则的干涉条纹？”，进而系统讲解“波的干涉”原理，先系统讲解“波的干涉”本质是波的叠加。明确机械波的相干条件：频率相同、相位差恒定、振动方向相同，这是产生稳定干涉的基础。随后，结合板书辨析易混淆概念，指出“在同一介质中传播”和“振动在空间同一点叠加”是干涉现象得以呈现的外部条件。同时，说明机械波与电磁波在相干条件上的共性与差异，并通过图示展示干涉图样的形成机制。

学生活动：在教师的启发下，学生通过类比“力的合成”等已有知识，理解波的矢量叠加原理，逐步建构干涉现象的理论模型，通过小组讨论深入理解“波的干涉”原理。

设计意图：通过现象回顾与理论讲解的有机结合，实现学生从感性认识到理性认识的飞跃。类比方法的运用，促进了学生知识的正向迁移，帮助其建立不同知识领域间的联系；精确的概念表述和原理阐释，有助于学生形成完整的认知结构。

2.5.4 GeoGebra仿真实验与数学建模

教师活动：学生初步掌握“波的干涉”原理后，教师引导其利用GeoGebra软件进行数学建模，该软件构建的模型如图4、图5所示。

图 4 干涉前的GeoGebra仿真图样

Figure 4 GeoGebra simulation pattern before interference

图 5 干涉后的GeoGebra仿真图样

Figure 5 GeoGebra simulation pattern after interference

随后，教师带领学生学习波函数的概念，假设从波源S1和S2发出的两列相干波，在空间某点P相遇，其振动方程可表示为：y₁=A₁cos（ωt-2πr₁/λ+φ₁）（1），y₂=A₂cos（ωt-2πr₂/λ+φ₂）（2），其中，A为振幅，ω为角频率，r为波程，λ为波长，φ为初相位。

两列波在P点的合成振动为y=y₁+y₂（3），振幅的平方A²取决于两列波的波程差Δr=|r₁-r₂|（4）和相位差Δφ。教师明确指出：形成稳定干涉图样的关键在于相位差恒定，即Δφ=φ₁-φ₂-2π（r₁-r₂）/λ（5）为定值。在此基础上，教师引导学生推导出干涉的极值条件：

当波程差满足Δr=|r₁-r₂|=kλ（k=0，±1，±2...）（6）时，合振幅最大，为振动加强点；

当波程差满足Δr=|r₁-r₂|=（2k+1）λ/٢（k=0，±1，±2...）（7）时，合振幅最小，为振动减弱点。讲解过程中，教师强调公式（6）与公式（7）仅适用于两波源初相位相同的特殊情况。

讲解结束后，教师布置分组探究任务：各小组利用GeoGebra仿真软件，通过定量调节两波源的频率（波长）、初相位和位置，观察干涉加强点和减弱点的空间分布规律。

学生活动：在教师的引导下，学生理解干涉现象的数学模型，通过GeoGebra软件输入和调节数学参数（如波长λ、波源间距d），“创造”和“控制”干涉图样。学生发现，当波程差Δr为波长λ的整数倍时，软件中显示为亮纹（加强区）；当Δr为半波长的奇数倍时，显示为暗纹（减弱区），并借助该软件验证了干涉条件。

设计意图：本环节的设计旨在深刻体现STEAM教育中数学理念的核心作用。通过引入波函数和叠加原理，将抽象的干涉现象转化为精确的数学模型，培养了学生的数学建模能力；利用GeoGebra这一兼具数学计算与动态可视化的功能工具，实现了从“数”到“形”的桥梁搭建，使学生能够直观验证数学推导结论，理解波程差这一关键物理量与干涉图样的定量关系。这不仅深化了学生对物理原理的理解，更展示了数学作为物理学基础语言的重要作用，实现了科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、数学（Mathematics）四者的有机融合。

2.5.5 直立式防波堤原理探究

教师活动：在完成“波的干涉”原理学习与仿真验证后，教师将学生的注意力拉回课堂最开始的“钱塘江大潮”工程情境。首先展示直立式防波堤的简化结构模型（如图6所示），并明确其核心消浪构件——前、后两道消波幕板。

图 6 直立式防波堤的简化结构模型

Figure 6 Simplified structural model of vertical breakwater

为帮助学生直观理解，教师采用一个生动的类比进行解释：“我们可以将冲击堤坝的入射波想象成一列整齐前进的‘波队’。直立式防波堤的第一道幕板（前幕板）会反射回一部分‘波队’，形成反射波1；同时，另一部分波会穿过前幕板，继续前进并碰到第二道幕板（后幕板），再次被反射，形成反射波2。工程设计的关键在于，通过精确控制两道幕板之间的距离（幕板间距d），使得反射波2‘追赶’上反射波1时，两者的步调（即相位）恰好相反——一个在‘波峰’时，另一个在‘波谷’。”

紧接着，教师结合直立式防波堤工程简易原理说明：“工程研究与实践证明，为了实现最佳的干涉相消效果，幕板间距d的设计需要参考常见海浪的波长（λ），它们之间只有在满足一定关系的前提下，才会在堤坝前方主要区域产生显著的干涉相消效应，极大地消耗波浪的能量。”[2]

最后，教师引导学生进行知识迁移：“现在大家能不能运用刚才学习的‘波的干涉’原理，解释钱塘江大潮的堤坝为何能抵御巨浪冲击？”，引导学生得出结论：直立式防波堤通过特殊结构设计，主动产生与入射波相位相反的反射波，利用“波的干涉”相消原理，将大部分波的能量抵消，从而保护了堤坝安全。

学生活动：在教师引导和直立式防波堤工程设计参数的支撑下，学生将抽象的干涉原理与具体的工程结构建立关联。学生能够运用“干涉相消”原理解释直立式防波堤的防波机制，完成从物理模型到工程应用的解释闭环，并体会到精准工程设计对发挥物理原理效果的重要性。

设计意图：本环节旨在深度体现STEAM教育中工程（Engineering）与科学（Science）、技术（Technology）、数学（Mathematics）的融合。首先，通过生动的类比（“波队”和“步调”），将复杂的相位控制原理转化为高中生易于理解的模型，实现了复杂工程原理简化的思路。其次，将教学内容依托现有工程实践，增强了内容的科学性与说服力。最后，通过呈现高效的工程解决方案（直立式防波堤），进一步加强学生对物理原理（“波的干涉”）的理解，完整展现了从科学理论到工程实践的创新过程。

2.5.6 课堂小结

教师活动：引导学生系统梳理本节课知识体系，重点回顾波的相干条件和干涉原理，结合直立式防波堤案例强调物理知识与工程实践的密切联系，并启发学生寻找生活中其他“波的干涉”应用实例，拓展思维空间。

学生活动：在教师指导下，自主构建知识网络，深入理解干涉原理的核心内涵，通过举例等方式展示本节课学习成果，实现知识内化和能力提升。

设计意图：课堂小结不仅是对知识的简单回顾，更是对学习过程的系统提升。通过知识的结构化整理和实际应用拓展，既能够帮助学生形成完整的认知体系，又能够培养其知识迁移能力和终身学习能力。

2.5.7 教学反思

本教学设计通过多种教学手段的有机整合，成功构建了以学生为主体的探究式学习环境。从钱塘江大潮的真实情境引入，到发波水槽的直观演示，再到GeoGebra软件的仿真探究，最后回归直立式防波堤的工程应用，形成完整的教学闭环，充分体现了STEAM教育的核心理念。

在STEAM要素融合方面，本设计实现了多层次的专业整合：发波水槽演示体现了科学探究与技术应用的结合；GeoGebra仿真实验的开发与运用需要扎实的数学基础，体现了数学工具的支撑作用；直立式防波堤的工程案例分析，将物理学原理与工程技术完美融合。这种跨学科深度融合，不仅丰富了教学内容，更拓展了学生的视野和思维。

此外，本设计通过钱塘江大潮这一本土真实工程案例，增强学生的科学应用意识与社会责任感，实现了知识传授、能力培养与价值引领的有机统一，与我国“三新”教育理念高度契合，为物理教学中落实核心素养培养提供了可借鉴的范例。

3 结语

本节教学设计立足学生的认知发展规律，打破传统单一讲授模式的局限，构建了多元化教学体系。通过创设真实工程情境、运用先进教学工具、组织合作探究活动，有效提升了学生的问题解决能力和创新思维能力。教学实践表明，这种融合STEAM理念的教学设计，不仅符合现代教育的发展趋势，也与我国新时期教育改革方向高度一致，充分体现了以学生发展为中心的教育理念，为培养全面发展的高素质人才提供了有力支撑。

参考文献

[1] 李沙，马玲．基于STEAM教育理念的互感与自感的教学设计［J］．物理教学，2021，43（3）：7-10．

[2] 陈悦．透空式防波堤在渔船避风港中的综合研究［J］．珠江水运，2023（15）：13-15．

[3] 梅沈慧．“三新”教育理念下高三数学复习课中的教学评一体化研究——以“数列”复习课为例［J］．数学之友，2025（5）：37-42．

[4] 史书勇．STEAM教育理念下初中物理实验教学创新设计［J］．数理化解题研究，2025（26）：87-89．

[5] 中华人民共和国教育部．普通高中物理课程标准（2017版2020修订）［M］．北京：人民教育出版社，2020．