核心素养视域下“单摆”一节内容分析及教学设计

郑满琴 钱长炎 葛林林

摘 要：单摆是高中物理机械振动与机械波主题下的重要内容。在基础教育改革的特殊时期，通过对现行人教版、教科版、粤教版和沪科版中“单摆”一节内容的编排进行比较分析，并且根据高中物理学科核心素养要求，设计了“单摆”的课堂教学，以期在教学中更好地实现课程目标。

关键词：单摆；内容分析；教学设计；物理学科核心素养

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2019）2-0028-5

我国基础教育改革正处在一段特殊时期，新近修订的物理课程标准的理念已经深入人心，但使用的教科书仍是新世纪之初基础教育改革所修订的版本。在這种过渡时期，我们应在深入分析教学内容的基础上，以培养学生的核心素养为总目标进行有效教学。文章拟通过分析高中物理课程标准对单摆的内容要求以及比较多种版本教科书中“单摆”一节内容，在核心素养目标指导下设计该节内容的教学。

1 高中物理“单摆”一节内容分析

长期以来，在中学物理课程中都将单摆作为简谐运动相关知识的典型应用载体，对单摆的学习能加深对简谐运动特征的认知，也能为后面学习阻尼振动、受迫振动和机械波打下基础。新世纪之初我国高中物理课程标准对单摆的内容要求为：“通过实验，探究单摆的周期与摆长的关系；知道单摆周期与摆长、重力加速度的关系，会用单摆测定重力加速度”[1]。新修订的课程标准明确了探究单摆周期与摆长的定量关系，并在教学提示处指出，引导学生建构单摆模型，进一步领会守恒思想；学业要求处指明，会做“单摆测量重力加速度的大小”实验，并用科学的语言撰写实验报告[2]。由此可见，新颁布的高中物理课程标准不仅注重单摆振动与简谐运动的联系，同时也注重单摆本身的教育价值。

为了更加深入地探讨单摆相关内容，我们拟对现行四种版本教科书中“单摆”一节内容进行比较分析。图1、图2、图3和图4分别为人民教育出版社[3]（以下简称“人教版”）、教育科学出版社[4]（以下简称“教科版”）、广东教育出版社[5]（以下简称“粤教版”）和上海科学技术出版社[6]（以下简称“沪科版”）出版的教科书中“单摆”内容安排结构图。可以看出，“单摆”一节内容主要包括单摆模型建立、单摆做简谐运动的证明、探究单摆周期与摆长的定量关系、测量重力加速度，只有粤教版将重力加速度的测量安排在了下一节。 在新颁布的课程标准对重力加速度测量实验的要求下，我们认为粤教版将该实验安排在下一节教学更合理。同时，这几个版本最大的区别在于人教版和教科版中都没有对单摆周期公式进行推导，更没有把推导安排在探究单摆周期的影响因素之后，这种编排顺序容易误导学生，认为单摆周期公式是由实验归纳而得。而在粤教版和沪科版教科书中，都通过简谐运动的周期公式对单摆周期公式采取了易于理解的推导，这种处理能更清晰地体现单摆振动与简谐运动的联系，同时也避免了学生对单摆周期公式囫囵吞枣式地学习。其次，在对于单摆周期影响因素的探究中，这几种版本的教科书均没有提到重力加速度。然而，摆球之所以做简谐运动是由于重力的分力提供了向心力，仅仅探究质量显然是不够严密的。此外，单摆的曲折历史研究和深远的文化经济影响在四种版本的教科书中均没有很好地体现，都只是简单地提到了惠更斯的单摆周期公式。虽然沪科版在引入时提到了伽利略提出的等时性，但也只是浅尝辄止。

2 核心素养视域下“单摆”一节内容的教学设计

通过以上对单摆的内容要求和多种版本教科书中内容编排的分析，在物理学科核心素养目标视角下，对“单摆”一节内容的教学流程设计如图5所示。希望不仅让学生学习单摆的相关知识，更要在此过程中培养学生的核心素养。

2.1 追溯摆钟应用，引入单摆

多媒体展示由于17世纪日益发达的商业贸易，越来越多的商船在海上航行，时常会有触礁的危险，摆钟对时间的测量减少了这种危险。教师引导设问：摆钟为何能测时间？为何能避免船只触礁？学生感到疑惑，思考问题。

设计意图：由相关历史事实背景引入，将学生带入到当时的社会经济状况，以历史的眼光看待单摆的意义并且提出问题，让学生对单摆充满疑惑，引发学习动机。

2.2 认识单摆，演示实验与理论证明相结合，建构简谐运动模型

（1）从生活引入单摆，共同建立单摆模型

教师引导学生总结生活中的多种摆动装置的特点，学会建构单摆模型，并思考摆动过程中能量的转化，以此培养学生的模型建构能力并且加深学生的能量观念。

（2）凸显演示实验，强调理论证明，建构单摆振动的简谐运动模型

通过单摆的往复运动，引导学生猜想单摆的运动是否为简谐运动，并启发学生从单摆振动图像或单摆受力特征进行思考。

首先演示实验，得出振动图像。实验装置如图6所示，根据以一定的初速度释放钩码时纸带可做匀速直线运动，将装有红墨水的漏斗拉开较小的角度从静止释放并放下钩码，在纸带上得出振动图像。学生观察讨论，从其振动图像得出单摆的振动为简谐运动。

2.3 注重猜想过程，讲究设计方案，侧重对单摆周期影响因素的探究

由伽利略制作的脉搏摆启发设问：伽利略如何改变脉搏摆的周期？引入对单摆周期影响因素的猜想。学生可能猜想和摆球的振幅、重力、摆长、体积和材料有关。教师引导学生将重力分解为质量和重力加速度两个因素，同时从单摆模型的角度解释不对摆球的体积和材料进行探究，进一步加强学生的模型建构能力。

首先，设计实验方案，以自制教具为依托，演示实验，共同探究。通过小组讨论提出用控制变量法来设计实验方案，验证猜想。教师展示实验装置（如图7），将两个单摆装置相对放置以便形成对比，单摆下方装有可移动光电门直接精确测量周期，上方装有量角器可读取度数，可通过旋转螺帽装置改变摆长。依次改变振幅、摆球质量进行演示实验。学生观察光电门显示的周期以及两摆球的步调，得出结论：振幅、质量对单摆周期没有影响。重力加速度对周期的影响，可通过在摆球下方放置磁铁（如图8），模拟增大重力加速度时对周期的影响，学生观察得出周期变小。

通过结合伽利略的研究和惠更斯的推导来引入单摆的周期公式，让学生体会科学发展的曲折性，并且推导出单摆周期公式，避免如人教版和教科版书中的单摆周期公式成为无源之水，同时也防止学生以为单摆周期由探究实验归纳而得。

2.5 启发讲解单摆的应用，注重科学态度与责任的培养

教师引导学生提出问题，“由单摆周期公式能算出哪些量？”由此引入學生对单摆周期公式应用的思考。教师适时启发学生，由单摆周期公式分别可以算出T、l和g，并启发性讲解单摆的主要应用：（1）测量时间的摆钟。（2）计算摆长，1973年时，惠更斯就建议将秒表的摆长作为国际长度单位制。（3）计算重力加速度，经度不同的地方，重力加速度不一样，海上贸易、探险等活动需要知道经度与纬度，否则就有触礁的危险；各地重力加速度的测量表明地球是一个扁球体；为后来牛顿统一地面力学和天体力学提供了基础；在现代，煤矿的发现也是利用了重力加速度的测量等[7]。

拓展单摆的应用，不局限于教科书中仅仅介绍测量重力加速度，意在让学生体会到单摆应用广泛、意义深远，感受科学与社会、技术、经济等之间的相互关系，培养学生的科学态度与责任。

2.6 课堂总结，巩固提升

在教师的引导下师生共同回顾本节课的内容，并练习相应的习题。此外，为进一步培养学生的科学思维，教师布置课后问题启发学生思考：若摆长无限长，单摆的周期为多少？若在太空中分别从静止释放摆球和拉紧摆线给摆球一个初速度释放，摆球将如何运动[8]？

3 小结与反思

通过对课程标准中“单摆”一节内容的要求以及对多种版本教科书中单摆内容的分析，提出了在核心素养目标下的单摆教学设计，以期在单摆的课堂教学中更有效地培养学生的核心素养。此外，在对单摆内容分析的过程中，我们深深体会到在新一轮基础教育改革的特殊时期，中学物理教学一定要在深入理解新修订的课程标准的基础上，结合多种课程资源，深入分析多种版本教科书的相关内容，才能更好地实现培养学生物理学科核心素养总目标。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（实验）[S].北京：人民教育出版社，2003：41.

[2]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018：25.

[3]人民教育出版社课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.普通高中物理课程标准实验教科书物理选修3-4[M].北京：人民教育出版社，2005：13-17.

[4]陈熙谋，吴祖仁.普通高中课程标准实验教科书物理选修3-4[M].北京：教育科学出版社，2005：6-8.

[5]广东基础教育课程资源研究开发中心物理教材编写组.普通高中课程标准实验教科书物理选修3-4[M].广州：广东教育出版社，2005：12-16.

[6]束炳如，何润伟.普通高中课程标准实验教科书物理选修3-4[M].上海：上海科学技术出版社，2005：12-18.

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

[8]王太军，唐忠敏.单摆周期是否存在“无穷大”——由“太空授课”引发的思考[J].物理教师，2013，34（12）：56-57.

（栏目编辑 邓 磊）