鄭滿琴 錢(qián)長(zhǎng)炎 葛林林

摘 要：?jiǎn)螖[是高中物理機(jī)械振動(dòng)與機(jī)械波主題下的重要內(nèi)容。在基礎(chǔ)教育改革的特殊時(shí)期，通過(guò)對(duì)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(jìn)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(jì)了“單擺”的課堂教學(xué)，以期在教學(xué)中更好地實(shí)現(xiàn)課程目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)螖[；內(nèi)容分析；教學(xué)設(shè)計(jì)；物理學(xué)科核心素養(yǎng)

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2019）2-0028-5

我國(guó)基礎(chǔ)教育改革正處在一段特殊時(shí)期，新近修訂的物理課程標(biāo)準(zhǔn)的理念已經(jīng)深入人心，但使用的教科書(shū)仍是新世紀(jì)之初基礎(chǔ)教育改革所修訂的版本。在這種過(guò)渡時(shí)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(biāo)進(jìn)行有效教學(xué)。文章擬通過(guò)分析高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)單擺的內(nèi)容要求以及比較多種版本教科書(shū)中“單擺”一節(jié)內(nèi)容，在核心素養(yǎng)目標(biāo)指導(dǎo)下設(shè)計(jì)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(zhǎng)期以來(lái)，在中學(xué)物理課程中都將單擺作為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)相關(guān)知識(shí)的典型應(yīng)用載體，對(duì)單擺的學(xué)習(xí)能加深對(duì)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)特征的認(rèn)知，也能為后面學(xué)習(xí)阻尼振動(dòng)、受迫振動(dòng)和機(jī)械波打下基礎(chǔ)。新世紀(jì)之初我國(guó)高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)單擺的內(nèi)容要求為：“通過(guò)實(shí)驗(yàn)，探究單擺的周期與擺長(zhǎng)的關(guān)系；知道單擺周期與擺長(zhǎng)、重力加速度的關(guān)系，會(huì)用單擺測(cè)定重力加速度”[1]。新修訂的課程標(biāo)準(zhǔn)明確了探究單擺周期與擺長(zhǎng)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(jìn)一步領(lǐng)會(huì)守恒思想；學(xué)業(yè)要求處指明，會(huì)做“單擺測(cè)量重力加速度的大小”實(shí)驗(yàn)，并用科學(xué)的語(yǔ)言撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告[2]。由此可見(jiàn)，新頒布的高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)不僅注重單擺振動(dòng)與簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的聯(lián)系，同時(shí)也注重單擺本身的教育價(jià)值。

為了更加深入地探討單擺相關(guān)內(nèi)容，我們擬對(duì)現(xiàn)行四種版本教科書(shū)中“單擺”一節(jié)內(nèi)容進(jìn)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(jiǎn)稱(chēng)“人教版”）、教育科學(xué)出版社[4]（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“教科版”）、廣東教育出版社[5]（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“粵教版”）和上?？茖W(xué)技術(shù)出版社[6]（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“滬科版”）出版的教科書(shū)中“單擺”內(nèi)容安排結(jié)構(gòu)圖?？梢钥闯觯皢螖[”一節(jié)內(nèi)容主要包括單擺模型建立、單擺做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的證明、探究單擺周期與擺長(zhǎng)的定量關(guān)系、測(cè)量重力加速度，只有粵教版將重力加速度的測(cè)量安排在了下一節(jié)。 在新頒布的課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)重力加速度測(cè)量實(shí)驗(yàn)的要求下，我們認(rèn)為粵教版將該實(shí)驗(yàn)安排在下一節(jié)教學(xué)更合理。同時(shí)，這幾個(gè)版本最大的區(qū)別在于人教版和教科版中都沒(méi)有對(duì)單擺周期公式進(jìn)行推導(dǎo)，更沒(méi)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(rèn)為單擺周期公式是由實(shí)驗(yàn)歸納而得。而在粵教版和滬科版教科書(shū)中，都通過(guò)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的周期公式對(duì)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(dòng)與簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的聯(lián)系，同時(shí)也避免了學(xué)生對(duì)單擺周期公式囫圇吞棗式地學(xué)習(xí)。其次，在對(duì)于單擺周期影響因素的探究中，這幾種版本的教科書(shū)均沒(méi)有提到重力加速度。然而，擺球之所以做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)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(yán)密的。此外，單擺的曲折歷史研究和深遠(yuǎn)的文化經(jīng)濟(jì)影響在四種版本的教科書(shū)中均沒(méi)有很好地體現(xiàn)，都只是簡(jiǎn)單地提到了惠更斯的單擺周期公式。雖然滬科版在引入時(shí)提到了伽利略提出的等時(shí)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(jì)

通過(guò)以上對(duì)單擺的內(nèi)容要求和多種版本教科書(shū)中內(nèi)容編排的分析，在物理學(xué)科核心素養(yǎng)目標(biāo)視角下，對(duì)“單擺”一節(jié)內(nèi)容的教學(xué)流程設(shè)計(jì)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(shí)，更要在此過(guò)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(jì)日益發(fā)達(dá)的商業(yè)貿(mào)易，越來(lái)越多的商船在海上航行，時(shí)常會(huì)有觸礁的危險(xiǎn)，擺鐘對(duì)時(shí)間的測(cè)量減少了這種危險(xiǎn)。教師引導(dǎo)設(shè)問(wèn)：擺鐘為何能測(cè)時(shí)間？為何能避免船只觸礁？學(xué)生感到疑惑，思考問(wèn)題。

設(shè)計(jì)意圖：由相關(guān)歷史事實(shí)背景引入，將學(xué)生帶入到當(dāng)時(shí)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)狀況，以歷史的眼光看待單擺的意義并且提出問(wèn)題，讓學(xué)生對(duì)單擺充滿疑惑，引發(fā)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。

2.2 認(rèn)識(shí)單擺，演示實(shí)驗(yàn)與理論證明相結(jié)合，建構(gòu)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)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(dòng)裝置的特點(diǎn)，學(xué)會(huì)建構(gòu)單擺模型，并思考擺動(dòng)過(guò)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(shí)驗(yàn)，強(qiáng)調(diào)理論證明，建構(gòu)單擺振動(dòng)的簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)模型

通過(guò)單擺的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生猜想單擺的運(yùn)動(dòng)是否為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，并啟發(fā)學(xué)生從單擺振動(dòng)圖像或單擺受力特征進(jìn)行思考。

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

2.3 注重猜想過(guò)程，講究設(shè)計(jì)方案，側(cè)重對(duì)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(wèn)：伽利略如何改變脈搏擺的周期？引入對(duì)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(zhǎng)、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(gè)因素，同時(shí)從單擺模型的角度解釋不對(duì)擺球的體積和材料進(jìn)行探究，進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生的模型建構(gòu)能力。

首先，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，以自制教具為依托，演示實(shí)驗(yàn)，共同探究。通過(guò)小組討論提出用控制變量法來(lái)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，驗(yàn)證猜想。教師展示實(shí)驗(yàn)裝置（如圖7），將兩個(gè)單擺裝置相對(duì)放置以便形成對(duì)比，單擺下方裝有可移動(dòng)光電門(mén)直接精確測(cè)量周期，上方裝有量角器可讀取度數(shù)，可通過(guò)旋轉(zhuǎn)螺帽裝置改變擺長(zhǎng)。依次改變振幅、擺球質(zhì)量進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)。學(xué)生觀察光電門(mén)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(duì)單擺周期沒(méi)有影響。重力加速度對(duì)周期的影響，可通過(guò)在擺球下方放置磁鐵（如圖8），模擬增大重力加速度時(shí)對(duì)周期的影響，學(xué)生觀察得出周期變小。

通過(guò)結(jié)合伽利略的研究和惠更斯的推導(dǎo)來(lái)引入單擺的周期公式，讓學(xué)生體會(huì)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(shū)中的單擺周期公式成為無(wú)源之水，同時(shí)也防止學(xué)生以為單擺周期由探究實(shí)驗(yàn)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(zé)任的培養(yǎng)

教師引導(dǎo)學(xué)生提出問(wèn)題，“由單擺周期公式能算出哪些量？”由此引入學(xué)生對(duì)單擺周期公式應(yīng)用的思考。教師適時(shí)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(cè)量時(shí)間的擺鐘。（2）計(jì)算擺長(zhǎng)，1973年時(shí)，惠更斯就建議將秒表的擺長(zhǎng)作為國(guó)際長(zhǎng)度單位制。（3）計(jì)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(xiǎn)等活動(dòng)需要知道經(jīng)度與緯度，否則就有觸礁的危險(xiǎn)；各地重力加速度的測(cè)量表明地球是一個(gè)扁球體；為后來(lái)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(cè)量等[7]。

拓展單擺的應(yīng)用，不局限于教科書(shū)中僅僅介紹測(cè)量重力加速度，意在讓學(xué)生體會(huì)到單擺應(yīng)用廣泛、意義深遠(yuǎn)，感受科學(xué)與社會(huì)、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等之間的相互關(guān)系，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)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(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，教師布置課后問(wèn)題啟發(fā)學(xué)生思考：若擺長(zhǎng)無(wú)限長(zhǎng)，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(gè)初速度釋放，擺球?qū)⑷绾芜\(yùn)動(dòng)[8]？

3 小結(jié)與反思

通過(guò)對(duì)課程標(biāo)準(zhǔn)中“單擺”一節(jié)內(nèi)容的要求以及對(duì)多種版本教科書(shū)中單擺內(nèi)容的分析，提出了在核心素養(yǎng)目標(biāo)下的單擺教學(xué)設(shè)計(jì)，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(duì)單擺內(nèi)容分析的過(guò)程中，我們深深體會(huì)到在新一輪基礎(chǔ)教育改革的特殊時(shí)期，中學(xué)物理教學(xué)一定要在深入理解新修訂的課程標(biāo)準(zhǔn)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(shū)的相關(guān)內(nèi)容，才能更好地實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)總目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國(guó)教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）[S].北京：人民教育出版社，2003：41.

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

[3]人民教育出版社課程教材研究所，物理課程教材研究開(kāi)發(fā)中心.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)物理選修3-4[M].北京：人民教育出版社，2005：13-17.

[4]陳熙謀，吳祖仁.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)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(kāi)發(fā)中心物理教材編寫(xiě)組.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)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(rùn)偉.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)物理選修3-4[M].上海：上?？茖W(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(wú)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）