林良漢

摘 要：單擺是高中物理中一個重要的理想化模型，在課堂教學(xué)中會遇到引入模型、理想化建模、綜合應(yīng)用各科知識解決問題、探究單擺物理規(guī)律方法多樣化、培養(yǎng)學(xué)生領(lǐng)悟研究物理方法、提升自主探究問題的能力等難題。運(yùn)用優(yōu)化組合來進(jìn)行教學(xué)，既可有效突破課堂上的難題，又能高效達(dá)成課堂教學(xué)的“三維目標(biāo)”。

關(guān)鍵詞：單擺教學(xué) 優(yōu)化組合 探究方法

一、設(shè)置情景，引入模型

單擺是物理中的理想化模型，在“單擺”這一節(jié)課堂教學(xué)中應(yīng)首先引入模型，而課堂教學(xué)的優(yōu)化引入環(huán)節(jié)既要在較短時間內(nèi)吸引學(xué)生的注意力、激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又要緊扣一節(jié)課的主題。我在單擺這一節(jié)課的引入環(huán)節(jié)播放小孩蕩秋千的視頻，讓學(xué)生從形象、熟悉的例子中觀察“小孩運(yùn)動是否跟彈簧振子一樣具有重復(fù)性、等時性”，并提出“‘小孩蕩秋千的運(yùn)動是簡諧運(yùn)動嗎？如何證明？”的問題，接著啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生分析：物體做了什么運(yùn)動（從物體受力情況入手）。學(xué)生通過觀看視頻和思考問題，很容易地明白了這一節(jié)課的學(xué)習(xí)目標(biāo)，同時也激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

二、理想化建模、滲透物理方法

研究物理現(xiàn)象的方法：確定研究對象，運(yùn)用理想化思維建模，在一定條件下研究建立的物理模型，通過探究得出規(guī)律，應(yīng)用規(guī)律解決問題，討論規(guī)律的適用范圍及注意事項(xiàng)。建模過程是培養(yǎng)學(xué)生理想化思維能力的重要途徑，通過對物理模型建立過程的分析，使學(xué)生領(lǐng)會研究物理問題的方法，培養(yǎng)學(xué)生建立和應(yīng)用物理模型的能力，實(shí)現(xiàn)知識的遷移。在單擺教學(xué)中，我是這樣建立模型的：

教師：由于小孩運(yùn)動過程中的受力比較復(fù)雜，如何用理想化思維來簡化小孩蕩秋千？

學(xué)生：粗繩子用細(xì)繩子代替，小孩用小球代替。

教師給出物理模型：如果細(xì)線質(zhì)量與小球質(zhì)量相比以及球的直徑與線的長度相比可以忽略，這樣的裝置就叫作單擺。

教師展示模型：細(xì)繩掛乒乓球、細(xì)繩掛氣球、細(xì)繩掛小鐵球等，讓學(xué)生判斷哪種模型是單擺。

三、注重過程，形成方法，綜合應(yīng)用知識解決問題

在課堂教學(xué)中，教師要給學(xué)生充分的思維空間與時間，點(diǎn)燃學(xué)生思維靈感的火花，挖掘?qū)W生潛力，把學(xué)生的思考方式與思維發(fā)展過程展現(xiàn)出來。我通過上面已給出的理想化模型，提出了“單擺在振動過程中受哪些力的作用？”“單擺振動的回復(fù)力由什么力提供？”“單擺振動的回復(fù)力能滿足跟位移成正比嗎？”等問題。學(xué)生的思維發(fā)展是一個循序漸進(jìn)、逐步提高的過程，在這一環(huán)節(jié)中，教師設(shè)置的問題要有梯度，應(yīng)由易到難、由點(diǎn)到面，逐步推進(jìn)，要符合學(xué)生思維發(fā)展的規(guī)律。教師在引導(dǎo)時，要有針對性與啟發(fā)性，我做了以下啟發(fā)與引導(dǎo)：

教師：小球在擺動過程中，其速度是如何變化的？使小球從兩邊回到中間“平衡位置”的是什么力？

（讓學(xué)生畫出小球受力圖，并討論分析各個力的作用）

學(xué)生：在平衡位置速度最大。重力沿切線方向的分力。

教師：小球在擺動過程中引起其速度方向變化的是什么力？

學(xué)生：由細(xì)繩的拉力和重力沿半徑方向的分力的合力來提供。

教師：如果單擺做簡諧運(yùn)動，那么回復(fù)力必須與位移成正比，如何證明？

（讓學(xué)生畫出圖1的受力圖，并得出F回=mg·sinα）

教師：如何把該表達(dá)式轉(zhuǎn)化為跟位移的關(guān)系？

（用多媒體呈現(xiàn)在擺角很小時，正弦與角度弧度制的大小關(guān)系，見表1）

學(xué)生觀察表1后得出：在擺角很小時，正弦與弧度制角度的大小相等；所以sinα=α，而α=x/l，所以sina=x/l，則F回=mg·sinα=mg x/l。由于回復(fù)力的方向總是與位移方向相反，所以F=-kx。

在教師的啟發(fā)和引導(dǎo)下，學(xué)生能夠自主推導(dǎo)得出結(jié)論：單擺在小角度范圍內(nèi)的運(yùn)動可以當(dāng)做簡諧運(yùn)動，單擺擺動過程的回復(fù)力由重力沿切線方向的分力提供。

四、合作學(xué)習(xí)，設(shè)計不同的探究方法

教師是探究式課堂教學(xué)的引導(dǎo)者，在課堂教學(xué)中主要為學(xué)生創(chuàng)設(shè)探究氛圍，調(diào)動學(xué)生積極性，培養(yǎng)他們的合作意識和交流技能，增強(qiáng)他們發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、分析問題、解決問題的意識與精神，促進(jìn)他們主動合作、發(fā)揮潛能，設(shè)計出“單擺振動的周期可能與哪些因素有關(guān)”的實(shí)驗(yàn)。為了顧及學(xué)生之間的差異，考慮到期望目標(biāo)與實(shí)際結(jié)果之間可能出現(xiàn)的差異，在教學(xué)過程中，教師要留有“彈性區(qū)間”，讓學(xué)生明確“要做什么”“注意什么”“怎么做”，我的具體做法是：

教師：單擺振動的周期可能與哪些因素有關(guān)？

學(xué)生：與擺球的質(zhì)量、振幅的大小、擺長的長短、重力加速度等因素有關(guān)。

教師：單擺的周期與多個物理量有關(guān)，這應(yīng)如何探究？

學(xué)生：控制變量法。

（展示質(zhì)量不同的多個擺長可調(diào)的單擺、刻度尺、數(shù)字秒表。引導(dǎo)學(xué)生討論設(shè)計不同的探究方法：定性探究——對比法，定量探究——測量法）

實(shí)驗(yàn)方案一：目的在于培養(yǎng)學(xué)生的邏輯推理和分析能力。

實(shí)驗(yàn)儀器：兩個鐵架臺（擺長可調(diào)），質(zhì)量不等的單擺，沒有計時儀器。

設(shè)計思路：對于兩個質(zhì)量不同的單擺，在它們同時擺動時，進(jìn)行對比分析。

探究方法：第一，控制擺長，使振幅大小相等，觀察質(zhì)量不等的兩個單擺的擺動情況，得出單擺周期與質(zhì)量的關(guān)系；第二，控制擺長，使之相等（由前面實(shí)驗(yàn)可得單擺周期與質(zhì)量無關(guān)），振幅大小不等，觀察兩個單擺擺動情況，得出單擺的周期與振幅大小的關(guān)系；第三，取兩個不等擺長，振幅大小和小球質(zhì)量可以相同，也可以不同，觀察兩個單擺擺動情況，得出單擺周期與擺長的關(guān)系；第四，討論如何創(chuàng)造兩個重力加速度不同的空間。

師生互動：一個單擺放在地球表面附近，一個單擺放在等效重力加速度較大的空間（擺球下面放一排條形磁鐵）。

實(shí)驗(yàn)一：取擺長相同、質(zhì)量不同的擺球從同一高度同時釋放。

實(shí)驗(yàn)二：取兩個擺長相同、質(zhì)量不同的擺球從不同高度同時釋放。

實(shí)驗(yàn)三：取兩個擺長不同、質(zhì)量不同擺球從同一高度或不同高度同時釋放。

（以上各步實(shí)驗(yàn)過程中小球擺線張開的角度應(yīng)該在5°范圍內(nèi)）

實(shí)驗(yàn)方案二：目的在于培養(yǎng)學(xué)生的分析歸納能力，從看似沒有規(guī)律的數(shù)據(jù)中找出“單擺的周期與什么因素有關(guān)”的規(guī)律。

實(shí)驗(yàn)儀器：擺長分別為30 cm、40 cm、50 cm、60 cm的單擺質(zhì)量不等的膠木小球、小鐵球，數(shù)字秒表若干。

（學(xué)生通過合作，利用數(shù)字秒表測量出單擺擺動的周期）

教師：如何減小測量單擺周期時的偶然誤差？

學(xué)生：利用多次測量取平均值的方法，測量單擺多次擺動的總時間，用測出的總時間除以單擺完成全振動的次數(shù)。

（單擺擺動穩(wěn)定時開始計時，單擺擺動過程不能形成圓錐擺；單擺擺動到最低點(diǎn)時開始計時，實(shí)驗(yàn)過程中小球擺線張開的角度應(yīng)該在5°范圍內(nèi)）

全班同學(xué)分為兩部分：一部分學(xué)生用對比法定性探究；另一部分學(xué)生進(jìn)行定量探究。教師用多媒體呈現(xiàn)表2，讓定量測量部分的學(xué)生把測量數(shù)據(jù)填入表格，分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并找出規(guī)律。

實(shí)驗(yàn)演示：取兩個擺長相同，一個單擺放在地球表面附近，一個擺球下面放一排條形磁鐵，對比觀察兩個單擺擺動過程的周期關(guān)系。

兩部分學(xué)生自主歸納實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出結(jié)論：單擺周期跟擺球質(zhì)量大小、擺動幅度大小無關(guān)；跟單擺的擺長長短有關(guān)，跟當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣扔嘘P(guān)，并且單擺的擺長越大，周期越大，當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣仍酱螅芷谠叫　?/p>

教師可向?qū)W生指出，荷蘭物理學(xué)家惠更斯曾詳細(xì)研究過單擺的振動，得出了和大家一樣的結(jié)論，并利用精密儀器確定了單擺周期公式，即T=2π2。同時，要夸獎學(xué)生的探究成果，給予學(xué)生積極評價，激發(fā)學(xué)生敢于設(shè)想、敢于探究的精神。

五、從生活走向物理，讓物理服務(wù)生活

1.應(yīng)用單擺的等時性，人們生產(chǎn)了擺鐘。思考在不同地區(qū)如何調(diào)整擺鐘？如從北京把準(zhǔn)確的擺鐘帶到閩清會怎樣？如何調(diào)整？

2.應(yīng)用單擺原理測量擺鐘帶到閩清的重力加速度，思考測量的原理與方法。

物理課堂教學(xué)也是一門藝術(shù)，一節(jié)好的課堂教學(xué)要通過優(yōu)化組合來達(dá)到應(yīng)有的課堂教學(xué)效果。一節(jié)課的開展往往是由若干個先小后大或由簡到繁的問題組合而成的，問題之間有內(nèi)在的邏輯聯(lián)系，這個線索就是學(xué)科概念和思想方法的發(fā)生發(fā)展過程與學(xué)生學(xué)科思維過程兩方面的融合。課堂教學(xué)不是幾個知識的拼盤，而是問題研究思維過程的自然發(fā)展。教師在課前應(yīng)精心預(yù)設(shè)、優(yōu)化組合；教學(xué)過程中應(yīng)適時啟發(fā)引導(dǎo)，做到“變學(xué)為思”“變教為誘”“教學(xué)相長”，讓課堂教學(xué)真正成為師生共同成長的樂園。

參考文獻(xiàn)：

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[2]曾小明，李清華.單擺單元教學(xué)實(shí)踐探究[J].數(shù)理化學(xué)習(xí)：高一、二版，2013（1）.