單元視角找靈動(dòng)，內(nèi)涵挖掘求創(chuàng)新

紀(jì)崢斌

教科版五年級(jí)下冊(cè)《時(shí)間的測(cè)量》單元中的第五課《機(jī)械擺鐘》，在各類科學(xué)課教學(xué)比賽、研討活動(dòng)中被演繹過無數(shù)次。教師在網(wǎng)絡(luò)上輸入課題就能發(fā)現(xiàn)大量的教案、課件等資料，它已經(jīng)成為經(jīng)典課例的代表。既然是經(jīng)典課例，是不是不再有突破的可能了？著名的教育家葉圣陶說過：“教學(xué)有法，教無定法，貴在得法。”綜觀《機(jī)械擺鐘》一課的經(jīng)典課例，雖數(shù)量眾多，但大同小異。其教學(xué)設(shè)計(jì)基本是按教材編排進(jìn)行的，鮮有從“時(shí)間的測(cè)量”這一單元角度宏觀考察這個(gè)教學(xué)內(nèi)容，缺乏靈動(dòng)與創(chuàng)新。因此，對(duì)于《機(jī)械擺鐘》這樣的經(jīng)典課例，教師要進(jìn)一步挖掘其豐富的內(nèi)涵，從教材的基本結(jié)構(gòu)、教學(xué)線索以及應(yīng)用大數(shù)據(jù)分析三個(gè)方面予以突破，以達(dá)到教學(xué)創(chuàng)新與實(shí)效。

一、將教學(xué)方式從科學(xué)驗(yàn)證調(diào)整為科學(xué)探究

《時(shí)間的測(cè)量》單元是以“創(chuàng)造計(jì)時(shí)工具及發(fā)展史，認(rèn)識(shí)技術(shù)對(duì)人類社會(huì)發(fā)展的作用”為教材編排線索層層推進(jìn)的。鑒于這樣的認(rèn)識(shí)，《機(jī)械擺鐘》一課的設(shè)計(jì)往往先是出現(xiàn)擺鐘，讓學(xué)生探究擺鐘的擺每分鐘擺動(dòng)的次數(shù)是相同的，由此引申到驗(yàn)證單擺的等時(shí)性。若按照教材編排設(shè)計(jì)教學(xué)思路，則本課屬于典型的科學(xué)驗(yàn)證課。

這種教學(xué)設(shè)計(jì)的好處在于學(xué)生可以通過對(duì)鐘擺每分鐘擺動(dòng)次數(shù)的嚴(yán)謹(jǐn)研究，知道單位時(shí)間內(nèi)鐘擺的擺動(dòng)次數(shù)是相同的。這個(gè)結(jié)論一旦形成共識(shí)，有利于后面單擺的等時(shí)性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，因?yàn)閷W(xué)生有思維慣性。既然在第一部分“觀察鐘擺”中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)單擺每分鐘擺動(dòng)的次數(shù)是一樣的，就會(huì)自覺地推導(dǎo)出后續(xù)單擺每分鐘擺動(dòng)次數(shù)也是一樣的。即使出現(xiàn)誤差（少許不等時(shí)），也會(huì)將記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行慣性美化，從而得出整齊合一的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。但這種設(shè)計(jì)有個(gè)缺陷，由于學(xué)生在課堂上缺少研究經(jīng)歷，所以思維的廣度與深度會(huì)被壓縮。

那么能否將這節(jié)科學(xué)驗(yàn)證課調(diào)整為科學(xué)探究課，讓學(xué)生像科學(xué)家那樣對(duì)未知領(lǐng)域進(jìn)行研究？于是，教師把第一部分“觀察鐘擺”與第二部分“觀察我們的擺”的教學(xué)次序進(jìn)行調(diào)整，引導(dǎo)學(xué)生先進(jìn)行單擺的研究，再進(jìn)行擺鐘的設(shè)計(jì)與創(chuàng)造，就此歷經(jīng)人類對(duì)擺的等時(shí)性進(jìn)行研究的過程，從中發(fā)現(xiàn)規(guī)律并進(jìn)行實(shí)踐應(yīng)用。這種設(shè)計(jì)思路的優(yōu)點(diǎn)就是獨(dú)立性較強(qiáng)，以往按照科學(xué)驗(yàn)證課進(jìn)行的教學(xué)設(shè)計(jì)，須歷經(jīng)本單元前4課的知識(shí)鋪墊，使學(xué)生對(duì)人類創(chuàng)造計(jì)時(shí)工具有個(gè)完整的認(rèn)識(shí)過程，否則直接出現(xiàn)機(jī)械擺鐘就會(huì)非常牽強(qiáng)。但是將《機(jī)械擺鐘》調(diào)整為科學(xué)探究課，只要符合學(xué)生認(rèn)知狀況，就可以不經(jīng)鋪墊直接開展教學(xué)。

二、將科學(xué)史教學(xué)作為貫穿課堂的主線索

當(dāng)前的小學(xué)科學(xué)教育將科學(xué)史的發(fā)展放在比較重要的位置?！稒C(jī)械擺鐘》的科學(xué)史教學(xué)存在一明一暗兩條線索。明線是指人類探索精確計(jì)時(shí)方法的過程，這也是教學(xué)目標(biāo)之一。暗線是指牛頓、伽利略、惠更斯這三位科學(xué)家對(duì)擺的研究有著交集?；趯?duì)《機(jī)械擺鐘》明暗兩條線索的分析和科學(xué)探究課的教學(xué)方向，教師將科學(xué)史教學(xué)作為貫穿整堂課的主線索，確定了如下教學(xué)流程。

教師先用“牛頓從蘋果落地中發(fā)現(xiàn)萬有引力”的故事導(dǎo)入教學(xué)，激勵(lì)學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)家善于觀察、善于思考的優(yōu)秀品質(zhì)，再用伽利略發(fā)現(xiàn)單擺規(guī)律的事例引出研究主題，引導(dǎo)學(xué)生了解機(jī)械擺鐘的構(gòu)造，測(cè)量機(jī)械擺鐘每分鐘擺動(dòng)次數(shù)，研究并發(fā)現(xiàn)單擺的等時(shí)性，經(jīng)歷科學(xué)家的研究過程，這也是重點(diǎn)、難點(diǎn)所在。接著，教師采用倒敘法引導(dǎo)學(xué)生回顧人類探索時(shí)間計(jì)量工具的發(fā)展史：從日晷到水鐘，從蠟燭到沙漏……無論設(shè)計(jì)多么巧妙，一天的時(shí)間誤差至少在15分鐘以上。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們制作的計(jì)時(shí)工具越來越精確，惠更斯研究出了機(jī)械擺鐘，將一天內(nèi)的誤差縮小到10秒鐘以內(nèi)，這是劃時(shí)代的飛躍，所以說機(jī)械擺鐘的發(fā)明在科學(xué)史上具有重大意義。這時(shí)，教師讓學(xué)生討論“為什么在當(dāng)今生活中卻很少見到機(jī)械擺鐘”的問題，由此引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)，因?yàn)橛懈珳?zhǔn)更方便的計(jì)時(shí)工具被不斷地發(fā)明出來，如電子鐘、手機(jī)以及2000萬年都不差1秒的原子鐘等。最后教師補(bǔ)充了伽利略單擺與牛頓擺的知識(shí)。歷史上，惠更斯出生于伽利略的晚年，牛頓則在伽利略去世后次年出生。伽利略研究出了單擺等時(shí)性原理，但終其一生也沒能制造出機(jī)械擺鐘。惠更斯是在伽利略去世14年后才研制出了世界上第一臺(tái)機(jī)械擺鐘，使擺的等時(shí)性得以實(shí)踐應(yīng)用，他是介于伽利略與牛頓之間的重要的物理學(xué)先驅(qū)。牛頓也研究過擺，后人將其發(fā)明的裝置稱為“牛頓擺”。擺的研究將三位科學(xué)家串聯(lián)起來，首尾呼應(yīng)，使學(xué)生理解了科學(xué)的本質(zhì)和科學(xué)家的探究精神。

科學(xué)教師在課堂教學(xué)中引入科學(xué)家的發(fā)明故事、史料圖片、逸聞趣事等科學(xué)史教學(xué)內(nèi)容，以達(dá)到活躍課堂氣氛、吸引學(xué)生注意力、了解知識(shí)形成的背景、促進(jìn)科學(xué)知識(shí)理解的目的。更為重要的是，科學(xué)史教育作為貫穿《機(jī)械擺鐘》教學(xué)的主線，有助于學(xué)生理解科學(xué)的本質(zhì)，即理解科學(xué)家用研究自然界獲得的科學(xué)證據(jù)，提出各種理論的過程、方法，以及他們所具備的科學(xué)探究精神，為學(xué)生掌握基本的科學(xué)方法，認(rèn)識(shí)科學(xué)本質(zhì)，樹立科學(xué)思想，崇尚科學(xué)精神奠定了基礎(chǔ)。

三、將解讀大數(shù)據(jù)能力的培養(yǎng)作為教學(xué)創(chuàng)新點(diǎn)

《機(jī)械擺鐘》教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)是研究并發(fā)現(xiàn)單擺的等時(shí)性，這也是調(diào)整教材前兩部分教學(xué)次序的主因，即讓學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)家研究未知領(lǐng)域的過程。眾所周知，如果測(cè)量實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)不明確，特別是計(jì)時(shí)與計(jì)數(shù)的配合沒有交代清楚，學(xué)生所測(cè)量的單位時(shí)間內(nèi)擺動(dòng)次數(shù)的數(shù)據(jù)會(huì)不一樣，也就無法得出擺的等時(shí)性結(jié)論。

為了做到精準(zhǔn)配合，在學(xué)生明確計(jì)時(shí)、記錄各1人，計(jì)數(shù)2人的小組分工后，教師結(jié)合板書進(jìn)行指導(dǎo)（見圖1）：第1個(gè)10秒的實(shí)驗(yàn)，計(jì)時(shí)與計(jì)數(shù)的學(xué)生同時(shí)喊“3—2—1—0”，當(dāng)喊到“0”時(shí)掐下秒表，在擺錘最高點(diǎn)放手（手指板書），這個(gè)很簡(jiǎn)單，相信難不倒學(xué)生。難的是在擺不停的情況下，第2個(gè)10秒實(shí)驗(yàn)中計(jì)時(shí)與計(jì)數(shù)的學(xué)生怎么做到精準(zhǔn)配合？教師拋出問題后，并沒有讓學(xué)生立即回答，而是給予充分討論的時(shí)間，從而得出“秒表歸零，同步計(jì)時(shí)與計(jì)數(shù)”的結(jié)論。這個(gè)指導(dǎo)環(huán)節(jié)看似簡(jiǎn)單，實(shí)則很重要，否則學(xué)生難以配合，會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)無法集中、難以分析的現(xiàn)象。因此，對(duì)于教學(xué)難點(diǎn)，教師要給學(xué)生提供充足的研究時(shí)間。

本課采用大數(shù)據(jù)分析法，每個(gè)小組得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果要進(jìn)行相互比較，所以教師要求各小組控制實(shí)驗(yàn)變量，即每組的擺要一樣。于是，學(xué)生提出：實(shí)驗(yàn)用的擺錘應(yīng)該一樣;在擺繩上做記號(hào)，做到每組長(zhǎng)度一樣;在固定桿子上做記號(hào)，確保擺繩固定位置全班一樣。此時(shí)再將擺錘拉到鐵架臺(tái)桿子后放手，各小組的擺幅也就一樣了（見圖2）。如此獲得的各小組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)就可以進(jìn)行相互比較了（見下表）。

教師請(qǐng)學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從中發(fā)現(xiàn)規(guī)律。學(xué)生發(fā)現(xiàn)，控制實(shí)驗(yàn)變量后，擺在10秒擺動(dòng)的次數(shù)都是8左右;擺的擺幅變小了，但擺的次數(shù)基本不變。為了驗(yàn)證這一結(jié)論，教師出示了其他12所學(xué)校做同樣實(shí)驗(yàn)后得到的數(shù)據(jù)。為了讓數(shù)據(jù)更為直觀，教師運(yùn)用Excel數(shù)據(jù)處理辦法，將條件格式設(shè)置成“8”，于是數(shù)據(jù)庫中凡是“8”的格子就會(huì)顯示同一種顏色。通過Excel數(shù)據(jù)顯示，學(xué)生發(fā)現(xiàn)各學(xué)校實(shí)驗(yàn)的結(jié)果基本上也是8次，是等時(shí)的。由大面積的色塊所帶來的視覺沖擊，促使學(xué)生加深了對(duì)擺的等時(shí)性的理解。教師順勢(shì)總結(jié)：我們發(fā)現(xiàn)，同一個(gè)擺，在連續(xù)擺動(dòng)的過程中，相同時(shí)間內(nèi)擺動(dòng)的次數(shù)是一樣的。這就是伽利略研究出的擺的等時(shí)性。

教學(xué)到此并未戛然而止，教師又進(jìn)行追問：“為什么有些小組的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不是8次？問題在哪里？”學(xué)生就此進(jìn)行反思分析，指出誤差的出現(xiàn)有可能是秒表沒掐準(zhǔn)，也有可能是計(jì)時(shí)和計(jì)數(shù)的學(xué)生沒有配合好。值得注意的是，學(xué)生在歸因時(shí)只注意了偶然誤差，即尋找到的是一些做得不規(guī)范的地方，隨機(jī)性大;且從表述內(nèi)容看，大多在“指責(zé)”他人不規(guī)范。這時(shí)，教師需要及時(shí)反問：“怎么聽來都是別人做得不規(guī)范？請(qǐng)仔細(xì)想想，自己在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中有沒有可以做得更好的地方？”從而引導(dǎo)學(xué)生從自身找原因，發(fā)現(xiàn)問題，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和科學(xué)探究精神。

此外，從十幾次試教的情況看，沒有一個(gè)學(xué)生提到系統(tǒng)誤差的內(nèi)容，如實(shí)驗(yàn)裝置是否規(guī)范，是否有垂直擺、平行擺的現(xiàn)象，各組擺繩、擺幅是否完全一模一樣等。這是一個(gè)有趣的現(xiàn)象，說明要讓五年級(jí)學(xué)生考慮到系統(tǒng)誤差的因素，難度確實(shí)不小。

以上三點(diǎn)的思考與實(shí)踐，經(jīng)課堂教學(xué)驗(yàn)證是有效的，學(xué)生對(duì)科學(xué)的認(rèn)識(shí)有了進(jìn)一步加深。當(dāng)然，教學(xué)有法而教無定法。這樣的教學(xué)設(shè)計(jì)是對(duì)經(jīng)典課例的一次探索和挑戰(zhàn)，也希望有更多的教師對(duì)此提出有效建議，不斷完善。

（浙江省寧波市鄞州區(qū)潘火街道東南小學(xué)???315100）