關注知識邏輯 深度備課“單擺”

鄭滿琴 錢長炎 葛林林

(安徽師范大學物理與電子信息學院 安徽 蕪湖 241002)

“單擺”是高中物理機械振動與機械波主題的重要內容，其教學研究長期以來得到了廣大研究者的關注，然而多數(shù)都被教科書中“單擺”一節(jié)的內容編排邏輯所束縛，忽略了將“單擺”納入簡諧運動學習的前提.文章擬在培養(yǎng)學生核心素養(yǎng)的基礎上，打破教科書的編排順序，關注“單擺”振動與簡諧運動的緊密聯(lián)系，設計本節(jié)課的教學.

1 高中物理“單擺”一節(jié)內容分析及教學目標

21世紀之初我國高中物理課程標準(以下簡稱“課程標準”)中“單擺”的內容要求為“通過實驗，探究單擺的周期與擺長的關系；知道單擺周期與擺長、重力加速度的關系，會用單擺測定重力加速度”[1].新近修訂的課程標準明確了探究“單擺”周期與擺長的定量關系，且在教學提示處指出引導學生建構“單擺”模型，進一步領會守恒思想，學業(yè)要求指明會做“單擺測量重力加速度的大小”實驗，并用科學的語言撰寫實驗報告[2].可見，為落實核心素養(yǎng)總體目標，“單擺”的教學進一步受到了重視.

在高中物理課程安排中，“單擺”被視為簡諧運動的具體應用載體位于機械振動一章，學生學習該節(jié)內容之前已經掌握了簡諧運動的基本特征,且已掌握簡諧運動的周期公式[3,4].在高中物理人教版教科書中“單擺”一節(jié)的知識結構如圖1所示[5],可知，這種內容安排重視了“單擺”模型的建構，強化了學生對“單擺”回復力的認知與周期的探索.然而，基于機械振動一章的整體邏輯，“單擺”的周期公式通過簡諧運動的一般性周期公式即可得到，而人教版教科書中,在探究“單擺”周期的影響因素之后直接給出惠更斯的“單擺”周期公式，難免割裂了“單擺”振動與簡諧運動的聯(lián)系，也易使學生誤認為其周期公式是由實驗歸納而得，甚至引起了典型教學設計欲通過實驗歸納得出“單擺”周期公式[6].欣慰的是，我們注意到現(xiàn)行粵教版、滬科版和教科版等多種版本教科書都利用簡諧運動的周期公式對“單擺”周期公式進行了推導，這也啟發(fā)了我們對本節(jié)課的教學設計.

圖1 代表性教科書中“單擺”內容結構圖

通過以上對“單擺”內容要求和教科書中內容編排的分析，我們欲在學科核心素養(yǎng)目標下，設定 “單擺”一節(jié)的教學目標.

(1)通過對生活中擺動現(xiàn)象的抽象總結，知道什么是“單擺”，培養(yǎng)“單擺”模型建構能力；

(2)通過討論分析 “單擺”的擺球運動和能量的轉化進一步強化物理觀念，體會守恒思想；

(3)結合“單擺”的振動圖像理論推導其回復力，知道偏角很小時的“單擺”振動可視為簡諧運動，推演并掌握周期公式，在科學推理與論證過程中培養(yǎng)科學思維；

(4)通過實驗驗證相關物理量與“單擺”周期的關系，并結合圖像驗證周期與擺長的平方根成正比，在實驗過程中提高科學探究能力；

(5)了解擺運動的歷史探索過程以及“單擺”在測量時間和航海等方面的應用，體會科學與社會、技術、經濟和文化等各方面的重要聯(lián)系，促進養(yǎng)成科學態(tài)度與責任.

2 “單擺”一節(jié)教學過程設計

結合上述對“單擺”相關內容的分析以及教學目標的制定，我們設計了“單擺”一節(jié)的教學過程如圖2所示，教學中對“單擺”周期公式進行推導，并設置驗證性實驗，驗證相關物理量對周期的影響.由于新頒布的課程標準對重力加速度實驗的要求以及課堂時間的限制,采取單獨開設實驗課與學生共同探究.

圖2 “單擺”教學過程示意圖

2.1 追尋鐘擺應用 引入“單擺”

通過微視頻展示17世紀的海上貿易和殖民活動，經常會遇到觸礁危險，而應用鐘擺測量時間減少了這種危險.設置疑問：鐘擺為什么可以測量時間？是如何避免觸礁的危險？

由“單擺”相關應用引入，引導學生從歷史發(fā)展的角度看待“單擺”的意義，感受科學知識與生產生活的聯(lián)系，同時提出問題激發(fā)學生學習動機.

2.2 師生共同認識“單擺” 建構運動模型 推演周期公式且了解相關物理學史

首先，利用幻燈片展示生活中常見的擺動現(xiàn)象，學生互相討論并總結特點，再在教師的引導下觀察“單擺”實驗裝置如圖3所示，建構“單擺”模型，注重培養(yǎng)學生模型建構能力.且引導學生思考討論擺動過程中能量的轉化，加深學生的能量觀念和守恒思想.

其次，演示實驗，共同探究“單擺”運動特征.實驗裝置如圖4所示：細線下懸掛的漏斗裝有紅墨水，底部粘有紙帶的滑塊通過定滑輪與鉤碼相連，以一定的初速度釋放鉤碼時可做勻速直線運動，克服了人教版教科書中的演示實驗難以保證勻速拉動紙帶的局限.先將漏斗拉開較小的角度從靜止釋放，再放下鉤碼，在紙帶上得出振動圖像.學生共同觀察，從直觀上得出“單擺”的振動為簡諧運動.啟發(fā)學生思考做簡諧運動肯定是受到回復力的作用，鼓勵學生進行受力分析，并嘗試推導其振動周期.

圖3 “單擺”實驗裝置

圖4 “單擺”振動圖像實驗裝置及結果

得出“單擺”周期公式為

這種根據(jù)簡諧運動的周期公式直接推導出“單擺”的周期公式，既避免了“單擺”周期公式成為無源之水，又克服了對知識邏輯的破壞，加強學生對“單擺”做簡諧運動的認知，凸顯對學生科學思維的培養(yǎng)和強化其運動觀念.

顯然，構建“單擺”做簡諧運動模型的首要影響因素是其偏角，該問題已有研究者進行了深入研究，其結果如表1所示[7]，教師在教學中補充該表格避免學生對偏角的模糊認識，加深學生對偏角較小的感知.

表1 “單擺”偏角的近似誤差計算

最后，引導學生了解擺運動的歷史探索.早在17世紀初，伽利略就提出了振幅無關定律、重量無關定律、擺長定律和“單擺”的等時性[8].繼之惠更斯在其研究基礎上推導出了“單擺”的周期公式，并且制作了西方世界的第一個擺鐘[9].引導學生體會先驅在科學探索過程中的科學思維方式和研究方法，強調對學生科學態(tài)度與責任的培養(yǎng).

2.3 演示實驗與分組實驗相結合 驗證相關物理量對“單擺”周期的影響

首先，演示實驗，共同探究，驗證“單擺”周期與振幅和擺球質量無關，與重力加速度有關.師生共同討論，以控制變量法來設計實驗方案，實驗裝置如圖5所示.

圖5 演示實驗裝置圖

擺球下安裝有能移動的光電門，通過DISLab實驗裝置可直接精確測量周期，上面的量角器便于讀取度數(shù)，旋轉螺帽可改變擺長，將兩個相同的“單擺”相對放置，便于觀察二者的步調.實驗中先使兩“單擺”裝置以不同的振幅振動，學生觀察二者步調幾乎一致，但DISLab實驗裝置測量的周期有微小差別，引導學生思考討論為何不與理論推導結果一致？最后,師生共同得出可能原因有測量誤差、空氣阻力等因素的影響.同樣，改變擺球質量進行實驗分析，對于重力加速度的影響，可在鐵磁性材料的擺球下方放置一塊磁鐵如圖6所示，以磁鐵的吸引力等效為重力，模擬增大重力加速度，引導學生觀察“單擺”周期的改變.

圖6 等效增大重力加速度

通過演示實驗，共同驗證相關物理量對“單擺”周期的影響，從直觀現(xiàn)象突破學生可能存在的錯誤前概念，強化學生對理論推導結果的認識，同時啟發(fā)學生思考DISLab測量數(shù)據(jù)存在偏差的原因，重視對學生科學探究能力及科學思維的培養(yǎng).

圖擬合圖

將教科書的探究性實驗改為驗證性實驗，符合將“單擺”納入簡諧運動的教學規(guī)律，同時，驗證性實驗同樣具有探究性，這也符合課程標準的要求，這種安排有助于學生學習本節(jié)內容時邏輯思維的清晰性與準確性，同時也體現(xiàn)了對學生科學探究能力的培養(yǎng).

2.4 小結與拓展

引導學生回顧本節(jié)課的內容，重點鞏固總結“單擺”模型、擺長和重力加速與“單擺”周期的關系以及“單擺”周期公式，并且解釋課前引入的問題.此外，為進一步發(fā)散學生思維，教師布置課后思考題：若在太空中從靜止釋放擺球，擺球會如何運動，若拉緊擺線給擺球一個初速度，擺球又將如何運動？

3 結束語

通過對“單擺”的內容要求以及現(xiàn)行教科書中“單擺”內容編排的分析，我們知道在核心素養(yǎng)目標下“單擺”的內容教學有了新的活力，同時指出了現(xiàn)行人教版教科書中在實驗探究“單擺”周期影響因素以及周期與擺長的定量關系后，直接給出“單擺”周期公式的內容編排邏輯破壞了與簡諧運動的聯(lián)系.基于知識的邏輯順序，重在培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng)，同時參考其他版本教科書中的內容編排，設計了“單擺”一節(jié)的教學.通過演示實驗與理論推導相結合證明在偏角較小時“單擺”的振動為簡諧振動，同時根據(jù)簡諧運動周期公式對“單擺”周期公式進行推導，并且注重融入“單擺”相關物理學史以加深學生對科學本質的認識，最后安排驗證性實驗驗證相關物理量對“單擺”周期的影響.整個設計過程重視學生推理論證、實驗探究等能力的培養(yǎng)，以期使“單擺”的課堂教學能達到更好的教學效果.

此外，在設計“單擺”一節(jié)課堂教學的過程中，我們深深體會到在新一輪基礎教育改革的特殊時期，中學物理教學一定要在深入貫徹新修訂的課程標準的前提下，把握物理概念和物理規(guī)律之間的內在聯(lián)系，同時利用多種教學資源，顧及科學知識的邏輯性而不局限于某一版本教科書的編排邏輯，結合學生學習的具體情況，充分發(fā)揮教師的創(chuàng)造性.唯有如此，才能保證重要物理知識的課堂教學達到應有的目標，才能更好地實現(xiàn)物理學科核心素養(yǎng)總目標.