張旭東 劉立華

[摘 ? ?要]為使學(xué)生具備自身和社會發(fā)展需要的關(guān)鍵能力，基于深度學(xué)習(xí)特征與內(nèi)涵，結(jié)合HPS教育理念和高中物理學(xué)科特點，提出培養(yǎng)學(xué)生深度學(xué)習(xí)能力的教學(xué)策略，即情境創(chuàng)設(shè)，引入新課；建立模型，歷史重演；發(fā)現(xiàn)關(guān)系，深度探究；歷史回顧，實踐應(yīng)用，為高中物理教學(xué)提供參考思路。

[關(guān)鍵詞] 高中物理；深度學(xué)習(xí)；科學(xué)史；科學(xué)哲學(xué)；科學(xué)社會學(xué)

新課改要求，學(xué)生應(yīng)具有滿足自身和社會發(fā)展的關(guān)鍵能力即核心素養(yǎng)。核心素養(yǎng)由物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四部分組成。物理觀念中強(qiáng)調(diào)知識和原理的深度理解與靈活應(yīng)用，同時科學(xué)思維要與觀察、實驗相結(jié)合，要學(xué)生學(xué)會學(xué)習(xí)、批判性思維和創(chuàng)新?？茖W(xué)探究要培養(yǎng)學(xué)生收集和處理信息的能力、獲取新知識的能力、分析問題和解決問題的能力等?？茖W(xué)態(tài)度與責(zé)任要求學(xué)生了解科學(xué)、技術(shù)、社會、環(huán)境的關(guān)系以及對科學(xué)本質(zhì)的探索和對科學(xué)態(tài)度的培養(yǎng)。核心素養(yǎng)的提出要求學(xué)生學(xué)習(xí)的方式、過程、目標(biāo)無限趨近深度學(xué)習(xí)。

一、深度學(xué)習(xí)與HPS

深度學(xué)習(xí)指在理解概念的基礎(chǔ)上，學(xué)生能整合信息資源，學(xué)會批判性思考，產(chǎn)生高階思維，將新的知識體系建構(gòu)到原有的知識結(jié)構(gòu)中，學(xué)會遷移應(yīng)用。培養(yǎng)學(xué)生深度學(xué)習(xí)能力，需要激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)驅(qū)力，并在教育過程中維持學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)驅(qū)力，使學(xué)生的能力培養(yǎng)具有連貫性。HPS可以滿足維持學(xué)生學(xué)習(xí)內(nèi)驅(qū)力的作用。

HPS是在教育教學(xué)中融入科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)和科學(xué)社會學(xué)。通過HPS能把科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)和科學(xué)社會學(xué)融入高中物理教材中，科學(xué)史和科學(xué)社會學(xué)為學(xué)生學(xué)習(xí)提供社會背景和培養(yǎng)學(xué)生積極的科學(xué)態(tài)度科學(xué)探究能力提供支持?？茖W(xué)哲學(xué)能培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維和高階思維，這與新改革核心素養(yǎng)要求高度契合。HPS的融入充實豐富培養(yǎng)學(xué)生社會責(zé)任感、創(chuàng)新精神、實踐能力，加深學(xué)生對課改中強(qiáng)調(diào)科學(xué)、技術(shù)和社會的認(rèn)識，理解其內(nèi)在關(guān)系。

二、基于HPS培養(yǎng)高中物理深度學(xué)習(xí)能力的教學(xué)策略

根據(jù)理論分析和實踐思考，基于HPS培養(yǎng)高中物理深度學(xué)習(xí)能力的教學(xué)策略為：情境創(chuàng)設(shè)、引入新課，建立模型、歷史重演，發(fā)現(xiàn)關(guān)系、深度探究，歷史回顧、實踐應(yīng)用。下面以人教版“單擺”為例，進(jìn)行具體闡述見圖1。

三、教學(xué)內(nèi)容解讀

“單擺”這一課的內(nèi)容處于選修部分，將單擺的振動視為簡諧振動中的一種。學(xué)生針對簡諧振動的相關(guān)概念和圖像分析經(jīng)常處于理解不透概念模糊的階段，理解單擺模型有助于學(xué)生對簡諧運動的理解并為后面學(xué)習(xí)阻尼運動、受迫振動打下良好的基礎(chǔ)。將單擺這一內(nèi)容運用HPS方式展現(xiàn)出來，可以促進(jìn)學(xué)生對物理學(xué)史的興趣，培養(yǎng)科學(xué)性思維。

2005年人教版《高中物理選修3-4》和2019年人教版《高中物理選擇性必修（第一冊）》“單擺”一課內(nèi)容對比，課程主要內(nèi)容沒有發(fā)生改變，但2019年新教材單獨為實驗“用單擺測量重力加速度”設(shè)計一節(jié)內(nèi)容。新課標(biāo)要求，通過實驗收集影響因素的數(shù)據(jù)，用不同的函數(shù)擬合實驗曲線，得出周期與擺長的定量關(guān)系。有條件的話，可以使用計算機(jī)處理實驗數(shù)據(jù)，發(fā)展科學(xué)探究的能力。發(fā)展學(xué)生建模的能力，經(jīng)歷構(gòu)建模型的過程。知道單擺周期與擺長、重力加速度的關(guān)系。會用單擺測量重力加速度的大小，學(xué)以致用。培養(yǎng)學(xué)生實驗測量能力和誤差分析能力。

（一）情境創(chuàng)設(shè)，引入新課

深度學(xué)習(xí)的主要特征是要有發(fā)自內(nèi)心的學(xué)習(xí)動機(jī)，要使學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過程中發(fā)現(xiàn)問題。調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣就需要實例或特定的情境。運用物理學(xué)史和相對應(yīng)的社會背景可以在創(chuàng)設(shè)情境方面產(chǎn)生好的效果，學(xué)生帶入情境中能激發(fā)和保持學(xué)生的學(xué)習(xí)動機(jī)，同時能培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)，自主學(xué)習(xí)的能力。

教學(xué)過程中，教師可以通過擺鐘引入課程。將擺鐘實物呈現(xiàn)在講臺上或者擺鐘動畫呈現(xiàn)在PPT上，引導(dǎo)學(xué)生觀察擺鐘鐘擺，讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)擺鐘等時性物理現(xiàn)象，激發(fā)學(xué)習(xí)內(nèi)驅(qū)力，參與討論產(chǎn)生自己的思考與見解。借此，教師可以引入擺鐘被發(fā)明的時代背景，介紹擺鐘。擺鐘的基本原理等時性由伽利略發(fā)現(xiàn)的，擺鐘被發(fā)明的時代背景是大航海文藝復(fù)興時期，因為海上貿(mào)易活動對航線有極高的要求。為了能夠精確的指導(dǎo)自己的在海上航行，最需要知道船所在的地理位置即經(jīng)度與緯度，通過太陽的視位置可以很容易測定緯度，但經(jīng)度與當(dāng)?shù)貢r間有關(guān)，所以制作了擺鐘。

學(xué)生帶入時代背景后，教師通過講述伽利略發(fā)現(xiàn)等時性原理的故事引出單擺實驗。故事中伽利略通過觀察被風(fēng)吹動的吊燈，發(fā)現(xiàn)吊燈的擺動現(xiàn)象存在某種規(guī)律，通過掐脈搏的方式計算擺動的時間。發(fā)現(xiàn)實驗現(xiàn)象后，伽利略回家準(zhǔn)備實驗探尋影響該現(xiàn)象的因素。

（二）建立模型，歷史重演

構(gòu)建理想模型是研究物理規(guī)律的手段，同時也能促進(jìn)學(xué)生物理觀念的形成和科學(xué)思維的發(fā)展。教師創(chuàng)造了真實的歷史情境，能讓學(xué)生直觀的感受，豐富自己的感性認(rèn)識，加深對單擺模型的認(rèn)識。教師帶領(lǐng)學(xué)生重新經(jīng)歷過去科學(xué)家探尋物理規(guī)律的過程，發(fā)現(xiàn)由于時代的局限性設(shè)計的實驗存在不足，能促進(jìn)學(xué)生批判性的思考能力。通過設(shè)計實驗、制定方案、改進(jìn)方案、應(yīng)用科技手段獲取和處理信息以及基于證據(jù)得到結(jié)論，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力。通過對單擺周期和擺長的定量研究，讓學(xué)生逐步認(rèn)識其科學(xué)本質(zhì)，體會物理學(xué)是建立在觀察和實驗基礎(chǔ)上的創(chuàng)造性工作，增強(qiáng)學(xué)生的成就感和責(zé)任感。

伽利略通過簡單的物理材料探究周期與哪些因素有關(guān)？在當(dāng)今科技發(fā)展的今天，伽利略的實驗有哪些不足？人們該如何去改進(jìn)和設(shè)計伽利略的實驗?zāi)兀?/p>

在課堂上，教師首先要帶領(lǐng)學(xué)生確定單擺模型做的是什么樣的運動。在新版人教版高中物理教材中，單擺知識內(nèi)容在簡諧運動之后，教師根據(jù)前面的學(xué)習(xí)向?qū)W生提出疑問回顧學(xué)過的內(nèi)容：什么是簡諧運動？單擺是不是簡諧運動？如何證明單擺是簡諧運動？來進(jìn)行引入。教材中強(qiáng)調(diào)證明單擺是簡諧振動需要滿足兩個條件：其一，單擺位移與時間圖像是否為正弦函數(shù)圖像。其二，產(chǎn)生單擺現(xiàn)象的原因回復(fù)力是否與位移成反比，并且方向相反。教師根據(jù)書中“做一做”，可帶領(lǐng)學(xué)生做同樣的實驗，觀察圖樣是否為正弦圖像。

實驗材料：注射器、V型擺。將沒有活塞的注射器固定在V型擺上，注射器向下噴出細(xì)細(xì)的一束墨水。調(diào)整擺角小于10°，沿著與擺動方向垂直的方向勻速拖動一張白紙，白紙上的墨跡便畫出振動圖像見圖2。

教師帶領(lǐng)學(xué)生構(gòu)建單擺簡單模型，并分析單擺振動產(chǎn)生的原因（見圖3）。

小球在輕繩作用下在豎直平面內(nèi)做小角度擺動單擺，最低點為平衡位置，取擺球擺長為l，在偏離平衡位置ｘ處，擺角為θ，sinθ= ? ?。對小球進(jìn)行受力分析。

FT與G的合力：F合=G1=mgsinθ=mg ? ?= ? ? ? x。

因為F方向與位移方向相反：F復(fù)=- ? ? ? x=-kx。

所以k= ? ? ?，k為恢復(fù)力系數(shù)。

通過圖像和公式推導(dǎo)，明確單擺為簡諧振動。教師用問題引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建單擺模型，復(fù)習(xí)過去學(xué)習(xí)的知識點，分析產(chǎn)生單擺現(xiàn)象的原因，培養(yǎng)學(xué)生探究能力和深度思考能力。

接下來，教師與學(xué)生共同探討實驗細(xì)節(jié)和影響實驗的因素。為滿足伽利略單擺實驗條件，實驗器材盡量選擇質(zhì)量大、體積小的球和盡量細(xì)的細(xì)線，擺長長度為擺長長度加小球半徑之和。測量單擺的周期，可以測量單擺做多次全振動的時間，然后通過平均值計算求出它的周期的測量值。課堂中學(xué)生小組討論，探討影響實驗的因素有擺長l、振幅A和小球質(zhì)量m。

回顧歷史，伽利略同樣分析了這三個因素。伽利略實驗后提出長度定律、振幅獨立性定律、質(zhì)量獨立性定律。在教學(xué)過程中，可讓學(xué)生們自由分組合作實驗，小組間互相交流如何能最大限度減小誤差。進(jìn)行單擺實驗最大的影響就是形成圓錐擺，為避免形成圓錐擺產(chǎn)生實驗誤差，通常擺角大小不能超過5°，小于5°通過公式計算圓錐擺產(chǎn)生的誤差可以忽略不記。課堂實驗中，若實驗儀器很普通，實驗數(shù)值應(yīng)小于5°。為能更明顯的觀察到實驗現(xiàn)象，本次實驗振幅不能超過10°，進(jìn)行多次實驗針對實驗結(jié)果取平均值。實驗中改進(jìn)實驗器材并使用V型擺，通過計算機(jī)呈現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)減少實驗誤差。組裝好儀器，將運動傳感器、PASCO850數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口、電腦連接好，打開PASCOCapstone軟件、設(shè)置傳感器采樣頻率為50Hz，將運動傳感器按照要求對準(zhǔn)擺錘，準(zhǔn)備測量。實驗采用控制變量法，使用的質(zhì)量有木錘24.5g、塑料錘45.6g、鐵錘85.2g和銅錘125.0g。

用計算機(jī)采集不同情況下單擺“位置——時間”數(shù)據(jù)，利用PASCOCapstone軟件菜單中正弦擬合工具處理圖表，從正弦擬合工具中算出單擺圖像的周期值，并與理論值進(jìn)行比較，計算誤差百分比。

1.長度定律

擺角5°、質(zhì)量125.0g保持不變，控制擺長長度，研究擺長與周期之間的關(guān)系。如表1所示。

2.振幅獨立性定律

同理，控制擺長長度0.6m、質(zhì)量125.0g保持不變，擺角為5°、7°、10°。探究擺角與周期之間的關(guān)系。如表2所示。

3.質(zhì)量獨立性定律

同理，控制擺長長度0.6m、擺角5°保持不變，改變重物質(zhì)量，研究重物質(zhì)量與單擺周期之間的關(guān)系。如表3所示。

4.實驗結(jié)論

通過實驗圖像和實驗數(shù)據(jù)觀察到，單擺周期只與擺長l有關(guān)，與重物質(zhì)量和擺角大小無關(guān)，周期T與擺長l成二次方根成正比。

（1）發(fā)現(xiàn)關(guān)系，深度探究

在高中物理學(xué)中存在大量的物理量和它們之間的關(guān)系，學(xué)生在學(xué)習(xí)和應(yīng)用過程中經(jīng)常出現(xiàn)不了解或物理量定義和關(guān)系混淆的情況，不清楚物理量之間定量關(guān)系的由來。周期T與擺長l的公式關(guān)系在人教版中沒有要求推導(dǎo)只要求學(xué)生能識記和應(yīng)用，學(xué)生不明白公式的來龍去脈死記硬背只會忘記，教師給出推導(dǎo)過程可以加深學(xué)生印象作為擴(kuò)展讓學(xué)生了解，培養(yǎng)學(xué)生的高階思維能力。

在物理學(xué)史上，伽利略實驗探究后發(fā)現(xiàn)了周期與擺長有關(guān)，對于單擺周期與擺長的關(guān)系并沒有定量給出， 1638年陳述了關(guān)于周期和擺長的平方根關(guān)系。30年后，荷蘭科學(xué)家惠更斯發(fā)現(xiàn)單擺周期公式并通過計算測量巴黎的重力加速度。公式推導(dǎo)：

簡諧運動公式：X=Asin（wt+ ? ? ）

v= ? ? ?=Awcos（wt+ ? ? ）

a=

F=ma=-mw2Asin（wt+ ? ? ）

F=-mw2Asin（wt+ ? ? ）=-mw2x=-kx

所以k=mw2，T= ? ? =2

由上面公式k= ? ? ? 帶入可得，T= ? ? ? 。

（2）歷史回顧，實踐應(yīng)用

歷史是車輪不會停止，在不同時空里，課堂中教師帶領(lǐng)學(xué)生做與前人相同的事情，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)情感，加深學(xué)生并對這一公式的運用的印象。

新課標(biāo)要求學(xué)生要會利用單擺公式計算重力加速度大小，學(xué)以致用。教師在這一部分可以介紹惠更斯利用擺的等時性原理制成了第一座擺鐘。帶領(lǐng)大家利用單擺周期公式測量世界各地的重力加速度，向?qū)W生們提出問題“為什么同一個擺鐘從香港帶到北京時間會發(fā)生變化”，解釋生活中的現(xiàn)象，提高學(xué)生解決問題的能力。課堂結(jié)尾，帶領(lǐng)學(xué)生快速回顧歷史，讓學(xué)生體會歷史的厚重感，充分體會到科學(xué)研究歷程，樹立正確的科學(xué)價值觀?？偨Y(jié)課堂內(nèi)容，將單擺構(gòu)建在簡諧振動的知識體系中。

HPS這一教學(xué)模式可豐富高中教師的教學(xué)方式，得到了較高的認(rèn)可。越來越多的教師意識到，HPS針對核心素養(yǎng)和深度學(xué)習(xí)的培養(yǎng)與促進(jìn)具有極大的價值，通過增加相關(guān)的科學(xué)史及科學(xué)社會學(xué)等內(nèi)容，豐富學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)容，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；通過學(xué)習(xí)科學(xué)研究過程增加學(xué)生的求知欲，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神和科學(xué)態(tài)度。但是基于HPS培養(yǎng)深度學(xué)習(xí)能力的策略與原則還需要探索。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)[M].北京：人民教育出版社，2020．

[2]何玲，黎加厚．促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)[J].現(xiàn)代教學(xué)，2005（05）：29-30．

[3]中華人民共和國教育部．普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)[M].北京：人民教育出版社，2020．

[4]黃曉.“歷史——探究——反思”——談“單擺”的科學(xué)本質(zhì)教學(xué)[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2014，43（Z1）：40-45.

[5]桑健.高中物理“單擺”教學(xué)中的三個問題[J].物理教學(xué)探討，2021，39（02）：61-64.

（責(zé)任編輯：姜波）