層層遞進：在高中物理教學中培養學生科學思維
——以“單擺”為例

謝 宇 ，胡雁軍，宋善炎*

1.湖南師范大學物理與電子科學學院，長沙 410081

2.長沙市雅禮中學，長沙 410021

1 問題的提出

科學思維是物理核心素養的核心元素。課程改革的背景下，在物理教學中培養學生的科學思維不僅是新課程標準的要求，也是貫徹以素質教育為中心的教育理念的必要舉措。科學思維是具有意識的人腦對科學事物（包括科學對象、科學現象、科學過程、科學事實等）的本質屬性、內在規律及事物間的相互聯系和關系的間接與概括的反映。因此，提升學生科學思維能力既有助于學生運用已有知識基礎解決新的問題，又有利于學生鞏固知識體系，將其遷移與運用。

本文以人教版高中物理選擇性必修第一冊第二章第4節“單擺”為例，依據《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》，將本節的教學目標定位為“通過實驗，探究單擺的周期與擺長的定量關系。知道單擺周期與擺長、重力加速度的關系。會用單擺測量重力加速度的大小”。課堂教學中如何達到這一目標呢？我們認為，教師需要從生活現象和學生已知模型出發，借助觀察與實驗探究，層層遞進，為學生的思維搭建橋梁。

2 以培育學生科學思維能力為目標的教學設計

要保證物理課堂教學實施，就需要科學設計課堂教學。本文以“單擺”這一節內容為載體，圍繞如何培養學生的科學思維能力設計了如圖1所示的教學思路。

圖1 “單擺”教學設計思路

科學思維是從物理學視角對客觀事物的本質屬性、內在規律及相互關系的認識方式,主要包括模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新等要素。因此，教學流程中要著重體現“何處培養何種要素”。結合課程標準，該教學設計制定了與各個環節相應科學思維要素的培養目標，具體如表1所示。

表1 教學環節與教學內容設計

2.1 單擺理想模型的建構

生活的機械擺鐘利用周期性振動來計時。一名教師實驗時將擺鐘從北京帶到了香港，發現擺鐘所示時間與準確的時間不符合，為什么會出現這樣的現象呢？這需要我們研究在豎直平面內擺動物體的運動規律。本課將生活中經常能見到像擺鐘一樣在豎直平面內擺動的物體抽象成擺線和擺球組成的單擺模型。從簡單的規律著手，將實際擺理想化成單擺模型，學生受到彈簧振子模型的啟發，不難得出單擺模型的理想化條件。

設計意圖 在高中物理教學中，模型思維是一種重要的科學思維，模型建構是一種主要的思維方式。實際擺的模型在生活中很常見，是抽象成單擺模型的材料。該教學過程教師為學生搭建“觀察—思考—類比”的思維橋梁，讓學生在整個教學過程中完成單擺模型的建構。

2.2 單擺簡諧運動的證明

認識了單擺模型，那么它在豎直平面內的運動滿足什么規律呢？

在本章前三節，學生已經學習了機械振動和簡諧運動。在“單擺的運動”這一環節，教師首先引導學生觀察單擺的運動為在某一個位置附近的周期性往返運動，根據機械振動的定義可以確定單擺的運動屬于機械振動的范疇。更進一步，需證明單擺是最簡單的機械振動——簡諧運動。在前三節學習的基礎上，學生容易想到證明可從兩個角度出發，一是運動學角度：物體偏離平衡位置的位移x與時間t是否滿足正弦函數關系；二是動力學角度：回復力F與位移x之間是否滿足F=-kx。

（1）運動學角度。欲畫出單擺的x-t圖像，學生需根據實驗目的設計實驗裝置（圖2）。學生根據已有經驗，不難想到用有色液體畫出x-t圖像，但是有兩個問題接踵而至：用幾根線拉住裝墨水的容器呢？得到圖像以后怎么證明其是不是正弦函數？為了讓學生的形象思維更為直接，教師請一個學生配合，作出的圖像如圖3所示。再請另一個學生把實驗過程和圖像傳到一體機上，學生通過一體機可觀察到單擺的x-t圖像。

圖2 實驗裝置圖

圖3 實驗結果圖

設計意圖 要證明單擺的運動是簡諧運動，學生能想到用x-t圖像來證明。由于實驗過程中只能把白紙放在水平桌面上，能夠觀察到的學生有限，可將實驗裝置同步到投影儀上，保證所有學生都能觀察清楚。該實驗過程會有學生質疑：實驗過程中難免有誤差，在忽略外界因素的情況下，單擺運動真的是一個正弦函數嗎？從運動學的角度已經不能再進一步證明，因此，需轉變思維用另一種方法來論證單擺運動為簡諧運動。

設計意圖科學思維的要點重在解決“有什么”的問題，強調對科學思維的整體把握，掌握“如何做”才算科學思維，需要判斷某個思維是否符合科學思維基本要求的依據，并不是科學思維的具體過程。學生逐漸理解數學方法在科學推理中的重要性，并且能夠發現x-t圖像中的“瑕疵”，在知識生成過程中滲透科學思維方法。因此，對于培養嚴謹細致的科學思維有極大的啟發作用。

圖4 受力分析圖

2.3 單擺周期公式的推導

既然單擺的小角度擺動是簡諧運動，那它的周期與什么因素有關呢？存在什么關系呢？

由于觀察到的單擺運動特征很多，如振幅、擺長、質量和重力加速度（回復力由重力的分力提供），所以先引導學生進行定性分析猜想影響因素。學生分組設計實驗：①探究單擺的周期是否與擺長有關；②探究單擺的周期是否與擺球的質量有關；③探究單擺的周期是否與振幅有關。把實驗結果記錄在表2中。在實驗數據的基礎上，通過對比分析，歸納得出：單擺的周期與擺長有關。

表2 探究單擺周期的影響因素實驗分析

設計意圖 根據實驗目的提出猜想，根據猜想選取實驗方法——控制變量法，通過實驗獲取證據，歸納整理得出結論，讓學生經歷整個科學探究過程。

繼續提問：單擺的周期與擺長之間存在怎么樣的關系呢？

經過上一步定性觀察排除振幅、質量這兩個影響因素后，學生很容易獲得T與l的實驗數據，如表3所示。接著采用數據擬合的方法，得到二者的關系。課堂中，使用更精確的DISLab實驗進行研究，得到圖像如圖5所示。

圖5 T2-l關系圖

表3 單擺周期與擺長的實驗數據

2.4 相關生活現象的解釋

最后介紹物理學發展史上荷蘭物理學家惠更斯發現單擺的周期公式后用其測出巴黎重力加速度的實驗，引導學生將科學思維與日常生活結合起來，解釋課堂最開始“擺鐘不準”現象。利用本次測量數據，可得當地重力加速度大小，如表3。

3 結語

本節課中每一個教學片段環環相扣、層層遞進，形成了條理清晰、結構嚴謹、層次鮮明的系列問題鏈，將對學生科學思維的培養滲透在教學設計的每一個環節，通過巧妙地設計過渡性與深入性問題，幫助學生用觀察、實驗、論證的方式培養科學思維。