核心素養(yǎng)視域下“單擺”一節(jié)內(nèi)容分析及教學(xué)設(shè)計

鄭滿琴 錢長炎 葛林林

摘 要：單擺是高中物理機械振動與機械波主題下的重要內(nèi)容。在基礎(chǔ)教育改革的特殊時期，通過對現(xiàn)行人教版、教科版、粵教版和滬科版中“單擺”一節(jié)內(nèi)容的編排進行比較分析，并且根據(jù)高中物理學(xué)科核心素養(yǎng)要求，設(shè)計了“單擺”的課堂教學(xué)，以期在教學(xué)中更好地實現(xiàn)課程目標。

關(guān)鍵詞：單擺；內(nèi)容分析；教學(xué)設(shè)計；物理學(xué)科核心素養(yǎng)

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2019）2-0028-5

我國基礎(chǔ)教育改革正處在一段特殊時期，新近修訂的物理課程標準的理念已經(jīng)深入人心，但使用的教科書仍是新世紀之初基礎(chǔ)教育改革所修訂的版本。在這種過渡時期，我們應(yīng)在深入分析教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，以培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)為總目標進行有效教學(xué)。文章擬通過分析高中物理課程標準對單擺的內(nèi)容要求以及比較多種版本教科書中“單擺”一節(jié)內(nèi)容，在核心素養(yǎng)目標指導(dǎo)下設(shè)計該節(jié)內(nèi)容的教學(xué)。

1 高中物理“單擺”一節(jié)內(nèi)容分析

長期以來，在中學(xué)物理課程中都將單擺作為簡諧運動相關(guān)知識的典型應(yīng)用載體，對單擺的學(xué)習(xí)能加深對簡諧運動特征的認知，也能為后面學(xué)習(xí)阻尼振動、受迫振動和機械波打下基礎(chǔ)。新世紀之初我國高中物理課程標準對單擺的內(nèi)容要求為：“通過實驗，探究單擺的周期與擺長的關(guān)系；知道單擺周期與擺長、重力加速度的關(guān)系，會用單擺測定重力加速度”[1]。新修訂的課程標準明確了探究單擺周期與擺長的定量關(guān)系，并在教學(xué)提示處指出，引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)單擺模型，進一步領(lǐng)會守恒思想；學(xué)業(yè)要求處指明，會做“單擺測量重力加速度的大小”實驗，并用科學(xué)的語言撰寫實驗報告[2]。由此可見，新頒布的高中物理課程標準不僅注重單擺振動與簡諧運動的聯(lián)系，同時也注重單擺本身的教育價值。

為了更加深入地探討單擺相關(guān)內(nèi)容，我們擬對現(xiàn)行四種版本教科書中“單擺”一節(jié)內(nèi)容進行比較分析。圖1、圖2、圖3和圖4分別為人民教育出版社[3]（以下簡稱“人教版”）、教育科學(xué)出版社[4]（以下簡稱“教科版”）、廣東教育出版社[5]（以下簡稱“粵教版”）和上海科學(xué)技術(shù)出版社[6]（以下簡稱“滬科版”）出版的教科書中“單擺”內(nèi)容安排結(jié)構(gòu)圖。可以看出，“單擺”一節(jié)內(nèi)容主要包括單擺模型建立、單擺做簡諧運動的證明、探究單擺周期與擺長的定量關(guān)系、測量重力加速度，只有粵教版將重力加速度的測量安排在了下一節(jié)。 在新頒布的課程標準對重力加速度測量實驗的要求下，我們認為粵教版將該實驗安排在下一節(jié)教學(xué)更合理。同時，這幾個版本最大的區(qū)別在于人教版和教科版中都沒有對單擺周期公式進行推導(dǎo)，更沒有把推導(dǎo)安排在探究單擺周期的影響因素之后，這種編排順序容易誤導(dǎo)學(xué)生，認為單擺周期公式是由實驗歸納而得。而在粵教版和滬科版教科書中，都通過簡諧運動的周期公式對單擺周期公式采取了易于理解的推導(dǎo)，這種處理能更清晰地體現(xiàn)單擺振動與簡諧運動的聯(lián)系，同時也避免了學(xué)生對單擺周期公式囫圇吞棗式地學(xué)習(xí)。其次，在對于單擺周期影響因素的探究中，這幾種版本的教科書均沒有提到重力加速度。然而，擺球之所以做簡諧運動是由于重力的分力提供了向心力，僅僅探究質(zhì)量顯然是不夠嚴密的。此外，單擺的曲折歷史研究和深遠的文化經(jīng)濟影響在四種版本的教科書中均沒有很好地體現(xiàn)，都只是簡單地提到了惠更斯的單擺周期公式。雖然滬科版在引入時提到了伽利略提出的等時性，但也只是淺嘗輒止。

2 核心素養(yǎng)視域下“單擺”一節(jié)內(nèi)容的教學(xué)設(shè)計

通過以上對單擺的內(nèi)容要求和多種版本教科書中內(nèi)容編排的分析，在物理學(xué)科核心素養(yǎng)目標視角下，對“單擺”一節(jié)內(nèi)容的教學(xué)流程設(shè)計如圖5所示。希望不僅讓學(xué)生學(xué)習(xí)單擺的相關(guān)知識，更要在此過程中培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)。

2.1 追溯擺鐘應(yīng)用，引入單擺

多媒體展示由于17世紀日益發(fā)達的商業(yè)貿(mào)易，越來越多的商船在海上航行，時常會有觸礁的危險，擺鐘對時間的測量減少了這種危險。教師引導(dǎo)設(shè)問：擺鐘為何能測時間？為何能避免船只觸礁？學(xué)生感到疑惑，思考問題。

設(shè)計意圖：由相關(guān)歷史事實背景引入，將學(xué)生帶入到當時的社會經(jīng)濟狀況，以歷史的眼光看待單擺的意義并且提出問題，讓學(xué)生對單擺充滿疑惑，引發(fā)學(xué)習(xí)動機。

2.2 認識單擺，演示實驗與理論證明相結(jié)合，建構(gòu)簡諧運動模型

（1）從生活引入單擺，共同建立單擺模型

教師引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)生活中的多種擺動裝置的特點，學(xué)會建構(gòu)單擺模型，并思考擺動過程中能量的轉(zhuǎn)化，以此培養(yǎng)學(xué)生的模型建構(gòu)能力并且加深學(xué)生的能量觀念。

（2）凸顯演示實驗，強調(diào)理論證明，建構(gòu)單擺振動的簡諧運動模型

通過單擺的往復(fù)運動，引導(dǎo)學(xué)生猜想單擺的運動是否為簡諧運動，并啟發(fā)學(xué)生從單擺振動圖像或單擺受力特征進行思考。

首先演示實驗，得出振動圖像。實驗裝置如圖6所示，根據(jù)以一定的初速度釋放鉤碼時紙帶可做勻速直線運動，將裝有紅墨水的漏斗拉開較小的角度從靜止釋放并放下鉤碼，在紙帶上得出振動圖像。學(xué)生觀察討論，從其振動圖像得出單擺的振動為簡諧運動。

2.3 注重猜想過程，講究設(shè)計方案，側(cè)重對單擺周期影響因素的探究

由伽利略制作的脈搏擺啟發(fā)設(shè)問：伽利略如何改變脈搏擺的周期？引入對單擺周期影響因素的猜想。學(xué)生可能猜想和擺球的振幅、重力、擺長、體積和材料有關(guān)。教師引導(dǎo)學(xué)生將重力分解為質(zhì)量和重力加速度兩個因素，同時從單擺模型的角度解釋不對擺球的體積和材料進行探究，進一步加強學(xué)生的模型建構(gòu)能力。

首先，設(shè)計實驗方案，以自制教具為依托，演示實驗，共同探究。通過小組討論提出用控制變量法來設(shè)計實驗方案，驗證猜想。教師展示實驗裝置（如圖7），將兩個單擺裝置相對放置以便形成對比，單擺下方裝有可移動光電門直接精確測量周期，上方裝有量角器可讀取度數(shù)，可通過旋轉(zhuǎn)螺帽裝置改變擺長。依次改變振幅、擺球質(zhì)量進行演示實驗。學(xué)生觀察光電門顯示的周期以及兩擺球的步調(diào)，得出結(jié)論：振幅、質(zhì)量對單擺周期沒有影響。重力加速度對周期的影響，可通過在擺球下方放置磁鐵（如圖8），模擬增大重力加速度時對周期的影響，學(xué)生觀察得出周期變小。

通過結(jié)合伽利略的研究和惠更斯的推導(dǎo)來引入單擺的周期公式，讓學(xué)生體會科學(xué)發(fā)展的曲折性，并且推導(dǎo)出單擺周期公式，避免如人教版和教科版書中的單擺周期公式成為無源之水，同時也防止學(xué)生以為單擺周期由探究實驗歸納而得。

2.5 啟發(fā)講解單擺的應(yīng)用，注重科學(xué)態(tài)度與責任的培養(yǎng)

教師引導(dǎo)學(xué)生提出問題，“由單擺周期公式能算出哪些量？”由此引入學(xué)生對單擺周期公式應(yīng)用的思考。教師適時啟發(fā)學(xué)生，由單擺周期公式分別可以算出T、l和g，并啟發(fā)性講解單擺的主要應(yīng)用：（1）測量時間的擺鐘。（2）計算擺長，1973年時，惠更斯就建議將秒表的擺長作為國際長度單位制。（3）計算重力加速度，經(jīng)度不同的地方，重力加速度不一樣，海上貿(mào)易、探險等活動需要知道經(jīng)度與緯度，否則就有觸礁的危險；各地重力加速度的測量表明地球是一個扁球體；為后來牛頓統(tǒng)一地面力學(xué)和天體力學(xué)提供了基礎(chǔ)；在現(xiàn)代，煤礦的發(fā)現(xiàn)也是利用了重力加速度的測量等[7]。

拓展單擺的應(yīng)用，不局限于教科書中僅僅介紹測量重力加速度，意在讓學(xué)生體會到單擺應(yīng)用廣泛、意義深遠，感受科學(xué)與社會、技術(shù)、經(jīng)濟等之間的相互關(guān)系，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責任。

2.6 課堂總結(jié)，鞏固提升

在教師的引導(dǎo)下師生共同回顧本節(jié)課的內(nèi)容，并練習(xí)相應(yīng)的習(xí)題。此外，為進一步培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，教師布置課后問題啟發(fā)學(xué)生思考：若擺長無限長，單擺的周期為多少？若在太空中分別從靜止釋放擺球和拉緊擺線給擺球一個初速度釋放，擺球?qū)⑷绾芜\動[8]？

3 小結(jié)與反思

通過對課程標準中“單擺”一節(jié)內(nèi)容的要求以及對多種版本教科書中單擺內(nèi)容的分析，提出了在核心素養(yǎng)目標下的單擺教學(xué)設(shè)計，以期在單擺的課堂教學(xué)中更有效地培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)。此外，在對單擺內(nèi)容分析的過程中，我們深深體會到在新一輪基礎(chǔ)教育改革的特殊時期，中學(xué)物理教學(xué)一定要在深入理解新修訂的課程標準的基礎(chǔ)上，結(jié)合多種課程資源，深入分析多種版本教科書的相關(guān)內(nèi)容，才能更好地實現(xiàn)培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)總目標。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（實驗）[S].北京：人民教育出版社，2003：41.

[2]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018：25.

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[4]陳熙謀，吳祖仁.普通高中課程標準實驗教科書物理選修3-4[M].北京：教育科學(xué)出版社，2005：6-8.

[5]廣東基礎(chǔ)教育課程資源研究開發(fā)中心物理教材編寫組.普通高中課程標準實驗教科書物理選修3-4[M].廣州：廣東教育出版社，2005：12-16.

[6]束炳如，何潤偉.普通高中課程標準實驗教科書物理選修3-4[M].上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，2005：12-18.

[7]M.R.Matthews，et al.The Pendulum Scientific，Historical，Philosophical and Educational Perspectives[M].Dordrecht： Springer，2005：1-3.

[8]王太軍，唐忠敏.單擺周期是否存在“無窮大”——由“太空授課”引發(fā)的思考[J].物理教師，2013，34（12）：56-57.

（欄目編輯 鄧 磊）