基于歷史主線的高中物理實驗教學設計探究

摘 要：物理實驗是物理教學的重要組成部分，在培養學生的探究能力和科學態度等方面具有重要的作用.在創設物理實驗教學情景中，不僅需要學生發現和提出問題，而且要讓學生感悟到科學家追求真理的艱辛歷程.將豐富的歷史背景融入教學設計，運用DIS實驗等信息技術手段，增強實驗探究的完整性，培育學生的物理學科核心素養.

關鍵詞：歷史主線;單擺;DIS實驗

中圖分類號：G633.7???? 文獻標識碼：B???? 文章編號：1008-4134（2021）13-0032-04

作者簡介：許健（1980-），男，上海人，本科，中學高級教師，研究方向：物理教學設計的實踐與研究.

1 問題的提出

《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》中闡述：物理學是一門基于觀察與實驗的自然領域的基礎學科，引導學生經歷科學探究過程，體會科學研究方法[1].然而高中物理的實驗教學越來越弱化，程序化的實驗教學模式正在扼殺學生的學習興趣.教師應當了解實驗的歷史背景，將實驗的歷史研究主線融入教學設計，將傳統實驗與信息技術手段融合，提升實驗教學的效能.以機械振動章節中的單擺教學為例，伽利略、馬林·梅森、惠更斯等人在研究單擺的過程中，體現了典型的近代科學方法論，并且解釋“等時性”又是伽利略斜面實驗的一個重要動機[2].在單擺的實驗教學設計中應該呈現伽利略等人的研究歷程.

2 實驗教學的實踐探索

2.1 以歷史為軸，設計探究環節

人教版高中物理選擇性必修1第二章機械振動，首先探究單擺周期與擺球質量、擺長、振幅之間的關系，通過推理獲得惠更斯的周期公式，緊接著又探究單擺測量重力加速度[3].由于課時與教學內容的沖突，導致探究過程不完整，學生無法感悟到科學發展的曲折艱難.為了讓探究過程更加符合學生的認知習慣，需要將伽利略等人的探究過程融入教學設計，并以問題為導向進行實驗探究.

確定單擺研究的歷史主線（如圖1）：（1）伽利略在1602年寫給朋友的信中運用等時圓作為單擺等時性的證據，他的朋友通過實驗對此產生了質疑;（2）伽利略提出了單擺運動的四個特征：長度定律——周期隨長度變化;振幅獨立性定律——周期與振幅無關;質量獨立性定律——周期與重量無關;等時性——任意給定的長度，周期都是相同的;（3）馬林·梅森通過實驗第一次明確提出了單擺周期與擺長的平方根成正比，1638年伽利略引用了這種表述;（4）1659年惠更斯通過推導提出了單擺的周期公式，測定了巴黎的重力加速度，制作了第一個計時用的擺鐘.

在實驗物理認知階段需要學生進行大量的實驗探究，必定會經歷科學探究的問題、證據、解釋、交流的各個環節，為理論物理階段建構物理模型奠定了基礎[4].“如何提出高質量的問題”“如何制定實驗方案”就變成了急需解決的問題.需要充分利用已有的教材資源和教師的主導作用，重新規劃探究的環節，將核心環節作為學生實驗，次要環節作為演示實驗，提升環節作為拓展實驗，以此來緩解課時緊張的矛盾（見表1）.

2.2 以傳統為鑒，改進實驗儀器

圖2為單擺的傳統實驗教學裝置，教學過程中發現，利用該裝置進行實驗會存在以下不足：

（1）由于擺線過長，在豎直狀態下測量擺長會非常的困難.過長的擺長導致平衡位置必定在桌面下方，測量時間又是以平衡位置為計時的起點，學生需要下蹲才能讓視線與平衡位置持平，這樣就會造成讀數的困難.

（2）直尺和秒表的測量精度較低，導致實驗數據存在較大誤差.使用測量儀器獲得數據的耗時較長，然而實驗結論需要大量的數據支撐，這就進一步加劇了課時不足的窘境.

圖3為自制演示板，該裝置有以下幾點改進：

（1）利用測距儀實現迅速測量擺長，實際測量精度達到±2mm，擺長L=s-R（s為測距儀到水平尺的距離，R為擺球的半徑）.

（2）標注平衡位置，利用磁鐵將演示板吸附在黑板上，直接在黑板上標注平衡位置，平衡位置的高度適中，方便學生觀察.

（3）避免形成圓錐擺，由于擺球處于黑板正前方，以黑板為參考平面，比較容易做到讓擺球在豎直平面內擺動.

2.3 創設問題情景，激發學生思維

由于物理的課時有限，在課程標準要求的21個學生實驗之外再增加分組實驗的難度較大，然而演示實驗對課時的要求不高，因此演示實驗是實驗探究的一種有效補充形式[5].筆者從歷史上伽利略研究單擺的目的出發，創設情景，形成問題鏈.通過驗證單擺等時性的演示實驗，提高學生的學科思維力.

歷史1：伽利略用斜面實驗來驗證自由落體運動是初速度為零的勻變速直線運動.

問題1：伽利略為什么沒有直接測量自由落體運動的下落時間？

活動1：學生回顧伽利略的斜面實驗，了解到當時人們利用脈搏來測量小球運行的時間，由于小球自由下落太快，無法精確地測量運行時間.伽利略只能先驗證小角度的情況，然后合理外推到大角度，直至到90°的情況，從而驗證了自由落體運動也是勻變速直線運動.正是這個實驗推動了伽利略去尋找測量時間的精密儀器，并且最早發現了單擺的等時性.

以學生已經掌握的歷史事件作為引入，能引起學生的共鳴，有效調動學生的積極性.更能讓學生體會到物理源于生活，任何實驗的最終目的都是為了解決實際問題，從而喚起學生進一步探究的渴望.

在討論過程中，學生會思考“什么是等時性，又是如何驗證的？”教師可以創設另一個新的情景.

歷史2：1602年伽利略在寫給好友的信中提出了單擺的等時性（教師提供相關的閱讀材料）.

問題2：伽利略是如何驗證單擺的等時性？

活動2：學生回顧勻變速直線運動中的等時圓，伽利略正是以此來驗證單擺的等時性.

學生對利用“化曲為直”的驗證方法產生困惑，然而在當時的條件下，雖然該驗證方法還存在瑕疵，但是依然具有重要的意義.讓學生感受到科學方法的多元性，不只局限于實驗法，還可以使用幾何關系、數學表述和圖像表征等方法.

問題3：這顯然無法證明單擺的等時性，那么我們如何來驗證？

活動3：將自制演示板懸掛在黑板前，利用秒表測量同一單擺不同擺角時的周期.

結論：同一單擺在不同擺角的情況下，單擺的周期都相同.驗證了伽利略在比薩教堂中觀察吊燈擺動現象時提出的結論.

學生第一次使用秒表測量時間，對秒表的操作并不熟練，讀取數據會有困難.通過教師進行演示操作，學生進行模仿，然后師生合作完成數據的獲取，這樣就可以縮短練習使用儀器的時間.

2.4 融合信息技術，提升學生科學探究能力

科學探究是人類探索和了解自然、獲得科學知識的主要方法，也是學生學習科學的主要方式.在探究的過程中，逐步培養學生收集和處理數據的能力、分析和解決問題的能力及交流與合作的能力.然而數據的收集、處理都需要消耗大量的時間，因此在探究過程中需要運用信息技術，以此來減少過多的重復性操作.下面是以傳統方式進行設計的學生實驗——單擺測定重力加速度.

歷史：1659年惠更斯提出了單擺的周期公式.

問題：惠更斯是如何獲得周期公式的？

討論：伽利略只是認為單擺的周期隨著擺長的變化而變化;馬林·梅森驗證了單擺周期與擺長的平方根成正比;惠更斯利用了無窮小幾何方法推導了單擺的周期公式，并測定了巴黎的重力加速度，引起了不小的轟動.讓學生體會到科學的發現是基于前面科學家的貢獻，是一個傳承和發展的過程，科學的交流會起到巨大的作用.

學生實驗：讓學生重溫惠更斯測定重力加速度的歷程，學生利用直尺和秒表進行分組實驗.以擺長為1m的單擺為例，擺球完成30次全振動的時間約為60s，這就是學生獲得1個周期數據的最少時間，但是還沒有包括測量不同擺長的時間.獲得單擺周期之后，學生利用單擺公式可以推導出重力加速度的值.然而為了提升結論的精確性，需要測量多個不同擺長的單擺周期，那么測量過程會占據大量的課堂活動時間.利用光電門傳感器（圖4），就可以迅速測量單擺的周期.

在獲得數據之后，學生使用平均值法獲得本地的重力加速度值.然而平均值法無法剔除較大誤差，此時我們就要借助Excel制圖的方法.

在T2-L圖像中找到較大誤差的數據（如圖5），剔除相關數據，然后重新繪制T2-L圖像（如圖6）.

利用圖像的斜率求得g=4π2k=4×3.1424.0398=9.762m/s2，查詢資料獲得本地的重力加速度為9.794m/s2.

2.5 運用拓展實驗，培養學生良好的科學態度

在實驗教學中有必要為學生提供獨立觀察、操作的機會，培養獨立思考的習慣.教師可以將一些探究環節設計為課后的拓展實驗，學生根據教師預設的問題進行實驗探究，在解決問題的過程中培養學生嚴謹的態度和實事求是的精神.

歷史：伽利略提出了單擺的質量獨立性定律——周期與重量無關.

問題1：減小擺球的質量，單擺的周期如何變化？

實驗1：利用光電門傳感器測定相同擺長、不同擺球質量的單擺周期（以擺長為0.871m的單擺為例，結果見表2）.

問題2：由于空氣阻力的阻礙作用，單擺的周期不是應該增大嗎？

認知沖突：改換塑料擺球后，擺球質量減小，空氣阻力阻礙擺球運動的效果會更加顯著，因此單擺的周期應該會變大，然而實驗結果是單擺的周期竟然減小了.

猜測：由于擺球的質量減小，此時擺線的質量就不能忽略不計，因此實際擺長會減小，導致單擺的周期會減小.我們可以改變擺球的質量，但是還是需要滿足擺球質量要遠大于擺線的質量.

實驗2：換成質量比鐵質擺球稍小的鋁質擺球，再次測量單擺的周期（見表3）.

結論：單擺的周期與擺球的質量無關，符合伽利略的單擺質量獨立性定律.

拓展實驗不僅需要開放的實驗室，而且在整個探究的過程中，教師的主要角色是學生行為的觀察者，當實驗探究無法繼續時，提供有限幫助.

3 結束語

實驗教學的內容是豐富的，教學的手段是多樣的，結構化的教學設計有利于促進學生思維發展的延續性、系統性和有效性，有助于提升學生的科學思維能力[6].運用歷史主線串聯實驗探究的各個環節，讓學生能身臨其境地體會實驗的精妙之處，有利于培養學生學習物理的興趣.我們不應該固守原來的教學模式，大膽嘗試新的手段，將信息技術融入課堂教學，才能在“雙新”全面落地前做好準備.

參考文獻：

[1]教育部基礎教育課程教材專家工作委員會，普通高中課程標準修訂組.普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂版）[M].北京：人民教育出版社，2020.

[2]黃曉.“歷史—探究—反思”—談“單擺”的科學本質教學[J].中學物理教學參考，2014（43）：40-45.

[3]廖伯琴.普通高中物理課程標準（2017年版2020修訂版）解讀[M].北京：高等教育出版社，2020.

[4]穆良柱.什么是ETA物理教學法[J].物理與工程，2020（02）：33-36.

[5]馬華峰.運用探究性演示實驗培養學科關鍵能力——以“牛頓第三定律”教學為例[J].物理教學，2020（10）：30-33.

[6]上海市教育委員會教學研究室.中學物理單元教學設計指南[M].北京：人民教育出版社，2018.

（收稿日期：2021-05-03）