摘 要：物理實(shí)驗(yàn)是物理教學(xué)的重要組成部分，在培養(yǎng)學(xué)生的探究能力和科學(xué)態(tài)度等方面具有重要的作用.在創(chuàng)設(shè)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)情景中，不僅需要學(xué)生發(fā)現(xiàn)和提出問題，而且要讓學(xué)生感悟到科學(xué)家追求真理的艱辛歷程.將豐富的歷史背景融入教學(xué)設(shè)計(jì)，運(yùn)用DIS實(shí)驗(yàn)等信息技術(shù)手段，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)探究的完整性，培育學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng).

關(guān)鍵詞：歷史主線;單擺;DIS實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：G633.7???? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B???? 文章編號(hào)：1008-4134（2021）13-0032-04

作者簡(jiǎn)介：許?。?980-），男，上海人，本科，中學(xué)高級(jí)教師，研究方向：物理教學(xué)設(shè)計(jì)的實(shí)踐與研究.

1 問題的提出

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》中闡述：物理學(xué)是一門基于觀察與實(shí)驗(yàn)的自然領(lǐng)域的基礎(chǔ)學(xué)科，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究過程，體會(huì)科學(xué)研究方法[1].然而高中物理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)越來越弱化，程序化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式正在扼殺學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.教師應(yīng)當(dāng)了解實(shí)驗(yàn)的歷史背景，將實(shí)驗(yàn)的歷史研究主線融入教學(xué)設(shè)計(jì)，將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與信息技術(shù)手段融合，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效能.以機(jī)械振動(dòng)章節(jié)中的單擺教學(xué)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(xiàn)了典型的近代科學(xué)方法論，并且解釋“等時(shí)性”又是伽利略斜面實(shí)驗(yàn)的一個(gè)重要?jiǎng)訖C(jī)[2].在單擺的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)中應(yīng)該呈現(xiàn)伽利略等人的研究歷程.

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐探索

2.1 以歷史為軸，設(shè)計(jì)探究環(huán)節(jié)

人教版高中物理選擇性必修1第二章機(jī)械振動(dòng)，首先探究單擺周期與擺球質(zhì)量、擺長(zhǎng)、振幅之間的關(guān)系，通過推理獲得惠更斯的周期公式，緊接著又探究單擺測(cè)量重力加速度[3].由于課時(shí)與教學(xué)內(nèi)容的沖突，導(dǎo)致探究過程不完整，學(xué)生無法感悟到科學(xué)發(fā)展的曲折艱難.為了讓探究過程更加符合學(xué)生的認(rèn)知習(xí)慣，需要將伽利略等人的探究過程融入教學(xué)設(shè)計(jì)，并以問題為導(dǎo)向進(jìn)行實(shí)驗(yàn)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(yùn)用等時(shí)圓作為單擺等時(shí)性的證據(jù)，他的朋友通過實(shí)驗(yàn)對(duì)此產(chǎn)生了質(zhì)疑;（2）伽利略提出了單擺運(yùn)動(dòng)的四個(gè)特征：長(zhǎng)度定律——周期隨長(zhǎng)度變化;振幅獨(dú)立性定律——周期與振幅無關(guān);質(zhì)量獨(dú)立性定律——周期與重量無關(guān);等時(shí)性——任意給定的長(zhǎng)度，周期都是相同的;（3）馬林·梅森通過實(shí)驗(yàn)第一次明確提出了單擺周期與擺長(zhǎng)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(dǎo)提出了單擺的周期公式，測(cè)定了巴黎的重力加速度，制作了第一個(gè)計(jì)時(shí)用的擺鐘.

在實(shí)驗(yàn)物理認(rèn)知階段需要學(xué)生進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)探究，必定會(huì)經(jīng)歷科學(xué)探究的問題、證據(jù)、解釋、交流的各個(gè)環(huán)節(jié)，為理論物理階段建構(gòu)物理模型奠定了基礎(chǔ)[4].“如何提出高質(zhì)量的問題”“如何制定實(shí)驗(yàn)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(dǎo)作用，重新規(guī)劃探究的環(huán)節(jié)，將核心環(huán)節(jié)作為學(xué)生實(shí)驗(yàn)，次要環(huán)節(jié)作為演示實(shí)驗(yàn)，提升環(huán)節(jié)作為拓展實(shí)驗(yàn)，以此來緩解課時(shí)緊張的矛盾（見表1）.

2.2 以傳統(tǒng)為鑒，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)儀器

圖2為單擺的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置，教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，利用該裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)會(huì)存在以下不足：

（1）由于擺線過長(zhǎng)，在豎直狀態(tài)下測(cè)量擺長(zhǎng)會(huì)非常的困難.過長(zhǎng)的擺長(zhǎng)導(dǎo)致平衡位置必定在桌面下方，測(cè)量時(shí)間又是以平衡位置為計(jì)時(shí)的起點(diǎn)，學(xué)生需要下蹲才能讓視線與平衡位置持平，這樣就會(huì)造成讀數(shù)的困難.

（2）直尺和秒表的測(cè)量精度較低，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存在較大誤差.使用測(cè)量?jī)x器獲得數(shù)據(jù)的耗時(shí)較長(zhǎng)，然而實(shí)驗(yàn)結(jié)論需要大量的數(shù)據(jù)支撐，這就進(jìn)一步加劇了課時(shí)不足的窘境.

圖3為自制演示板，該裝置有以下幾點(diǎn)改進(jìn)：

（1）利用測(cè)距儀實(shí)現(xiàn)迅速測(cè)量擺長(zhǎng)，實(shí)際測(cè)量精度達(dá)到±2mm，擺長(zhǎng)L=s-R（s為測(cè)距儀到水平尺的距離，R為擺球的半徑）.

（2）標(biāo)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(biāo)注平衡位置，平衡位置的高度適中，方便學(xué)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(nèi)擺動(dòng).

2.3 創(chuàng)設(shè)問題情景，激發(fā)學(xué)生思維

由于物理的課時(shí)有限，在課程標(biāo)準(zhǔn)要求的21個(gè)學(xué)生實(shí)驗(yàn)之外再增加分組實(shí)驗(yàn)的難度較大，然而演示實(shí)驗(yàn)對(duì)課時(shí)的要求不高，因此演示實(shí)驗(yàn)是實(shí)驗(yàn)探究的一種有效補(bǔ)充形式[5].筆者從歷史上伽利略研究單擺的目的出發(fā)，創(chuàng)設(shè)情景，形成問題鏈.通過驗(yàn)證單擺等時(shí)性的演示實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)生的學(xué)科思維力.

歷史1：伽利略用斜面實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證自由落體運(yùn)動(dòng)是初速度為零的勻變速直線運(yùn)動(dòng).

問題1：伽利略為什么沒有直接測(cè)量自由落體運(yùn)動(dòng)的下落時(shí)間？

活動(dòng)1：學(xué)生回顧伽利略的斜面實(shí)驗(yàn)，了解到當(dāng)時(shí)人們利用脈搏來測(cè)量小球運(yùn)行的時(shí)間，由于小球自由下落太快，無法精確地測(cè)量運(yùn)行時(shí)間.伽利略只能先驗(yàn)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(yàn)證了自由落體運(yùn)動(dòng)也是勻變速直線運(yùn)動(dòng).正是這個(gè)實(shí)驗(yàn)推動(dòng)了伽利略去尋找測(cè)量時(shí)間的精密儀器，并且最早發(fā)現(xiàn)了單擺的等時(shí)性.

以學(xué)生已經(jīng)掌握的歷史事件作為引入，能引起學(xué)生的共鳴，有效調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性.更能讓學(xué)生體會(huì)到物理源于生活，任何實(shí)驗(yàn)的最終目的都是為了解決實(shí)際問題，從而喚起學(xué)生進(jìn)一步探究的渴望.

在討論過程中，學(xué)生會(huì)思考“什么是等時(shí)性，又是如何驗(yàn)證的？”教師可以創(chuàng)設(shè)另一個(gè)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(shí)性（教師提供相關(guān)的閱讀材料）.

問題2：伽利略是如何驗(yàn)證單擺的等時(shí)性？

活動(dòng)2：學(xué)生回顧勻變速直線運(yùn)動(dòng)中的等時(shí)圓，伽利略正是以此來驗(yàn)證單擺的等時(shí)性.

學(xué)生對(duì)利用“化曲為直”的驗(yàn)證方法產(chǎn)生困惑，然而在當(dāng)時(shí)的條件下，雖然該驗(yàn)證方法還存在瑕疵，但是依然具有重要的意義.讓學(xué)生感受到科學(xué)方法的多元性，不只局限于實(shí)驗(yàn)法，還可以使用幾何關(guān)系、數(shù)學(xué)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(shí)性，那么我們?nèi)绾蝸眚?yàn)證？

活動(dòng)3：將自制演示板懸掛在黑板前，利用秒表測(cè)量同一單擺不同擺角時(shí)的周期.

結(jié)論：同一單擺在不同擺角的情況下，單擺的周期都相同.驗(yàn)證了伽利略在比薩教堂中觀察吊燈擺動(dòng)現(xiàn)象時(shí)提出的結(jié)論.

學(xué)生第一次使用秒表測(cè)量時(shí)間，對(duì)秒表的操作并不熟練，讀取數(shù)據(jù)會(huì)有困難.通過教師進(jìn)行演示操作，學(xué)生進(jìn)行模仿，然后師生合作完成數(shù)據(jù)的獲取，這樣就可以縮短練習(xí)使用儀器的時(shí)間.

2.4 融合信息技術(shù)，提升學(xué)生科學(xué)探究能力

科學(xué)探究是人類探索和了解自然、獲得科學(xué)知識(shí)的主要方法，也是學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)的主要方式.在探究的過程中，逐步培養(yǎng)學(xué)生收集和處理數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的收集、處理都需要消耗大量的時(shí)間，因此在探究過程中需要運(yùn)用信息技術(shù)，以此來減少過多的重復(fù)性操作.下面是以傳統(tǒng)方式進(jìn)行設(shè)計(jì)的學(xué)生實(shí)驗(yàn)——單擺測(cè)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(rèn)為單擺的周期隨著擺長(zhǎng)的變化而變化;馬林·梅森驗(yàn)證了單擺周期與擺長(zhǎng)的平方根成正比;惠更斯利用了無窮小幾何方法推導(dǎo)了單擺的周期公式，并測(cè)定了巴黎的重力加速度，引起了不小的轟動(dòng).讓學(xué)生體會(huì)到科學(xué)的發(fā)現(xiàn)是基于前面科學(xué)家的貢獻(xiàn)，是一個(gè)傳承和發(fā)展的過程，科學(xué)的交流會(huì)起到巨大的作用.

學(xué)生實(shí)驗(yàn)：讓學(xué)生重溫惠更斯測(cè)定重力加速度的歷程，學(xué)生利用直尺和秒表進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn).以擺長(zhǎng)為1m的單擺為例，擺球完成30次全振動(dòng)的時(shí)間約為60s，這就是學(xué)生獲得1個(gè)周期數(shù)據(jù)的最少時(shí)間，但是還沒有包括測(cè)量不同擺長(zhǎng)的時(shí)間.獲得單擺周期之后，學(xué)生利用單擺公式可以推導(dǎo)出重力加速度的值.然而為了提升結(jié)論的精確性，需要測(cè)量多個(gè)不同擺長(zhǎng)的單擺周期，那么測(cè)量過程會(huì)占據(jù)大量的課堂活動(dòng)時(shí)間.利用光電門傳感器（圖4），就可以迅速測(cè)量單擺的周期.

在獲得數(shù)據(jù)之后，學(xué)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(shí)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(shù)據(jù)（如圖5），剔除相關(guān)數(shù)據(jù)，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(yùn)用拓展實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生良好的科學(xué)態(tài)度

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中有必要為學(xué)生提供獨(dú)立觀察、操作的機(jī)會(huì)，培養(yǎng)獨(dú)立思考的習(xí)慣.教師可以將一些探究環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)為課后的拓展實(shí)驗(yàn)，學(xué)生根據(jù)教師預(yù)設(shè)的問題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，在解決問題的過程中培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度和實(shí)事求是的精神.

歷史：伽利略提出了單擺的質(zhì)量獨(dú)立性定律——周期與重量無關(guān).

問題1：減小擺球的質(zhì)量，單擺的周期如何變化？

實(shí)驗(yàn)1：利用光電門傳感器測(cè)定相同擺長(zhǎng)、不同擺球質(zhì)量的單擺周期（以擺長(zhǎng)為0.871m的單擺為例，結(jié)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(yīng)該增大嗎？

認(rèn)知沖突：改換塑料擺球后，擺球質(zhì)量減小，空氣阻力阻礙擺球運(yùn)動(dòng)的效果會(huì)更加顯著，因此單擺的周期應(yīng)該會(huì)變大，然而實(shí)驗(yàn)結(jié)果是單擺的周期竟然減小了.

猜測(cè)：由于擺球的質(zhì)量減小，此時(shí)擺線的質(zhì)量就不能忽略不計(jì)，因此實(shí)際擺長(zhǎng)會(huì)減小，導(dǎo)致單擺的周期會(huì)減小.我們可以改變擺球的質(zhì)量，但是還是需要滿足擺球質(zhì)量要遠(yuǎn)大于擺線的質(zhì)量.

實(shí)驗(yàn)2：換成質(zhì)量比鐵質(zhì)擺球稍小的鋁質(zhì)擺球，再次測(cè)量單擺的周期（見表3）.

結(jié)論：?jiǎn)螖[的周期與擺球的質(zhì)量無關(guān)，符合伽利略的單擺質(zhì)量獨(dú)立性定律.

拓展實(shí)驗(yàn)不僅需要開放的實(shí)驗(yàn)室，而且在整個(gè)探究的過程中，教師的主要角色是學(xué)生行為的觀察者，當(dāng)實(shí)驗(yàn)探究無法繼續(xù)時(shí)，提供有限幫助.

3 結(jié)束語

實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容是豐富的，教學(xué)的手段是多樣的，結(jié)構(gòu)化的教學(xué)設(shè)計(jì)有利于促進(jìn)學(xué)生思維發(fā)展的延續(xù)性、系統(tǒng)性和有效性，有助于提升學(xué)生的科學(xué)思維能力[6].運(yùn)用歷史主線串聯(lián)實(shí)驗(yàn)探究的各個(gè)環(huán)節(jié)，讓學(xué)生能身臨其境地體會(huì)實(shí)驗(yàn)的精妙之處，有利于培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣.我們不應(yīng)該固守原來的教學(xué)模式，大膽嘗試新的手段，將信息技術(shù)融入課堂教學(xué)，才能在“雙新”全面落地前做好準(zhǔn)備.

參考文獻(xiàn)：

[1]教育部基礎(chǔ)教育課程教材專家工作委員會(huì)，普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)修訂組.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（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(xué)本質(zhì)教學(xué)[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2014（43）：40-45.

[3]廖伯琴.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（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(xué)法[J].物理與工程，2020（02）：33-36.

[5]馬華峰.運(yùn)用探究性演示實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)科關(guān)鍵能力——以“牛頓第三定律”教學(xué)為例[J].物理教學(xué)，2020（10）：30-33.

[6]上海市教育委員會(huì)教學(xué)研究室.中學(xué)物理單元教學(xué)設(shè)計(jì)指南[M].北京：人民教育出版社，2018.

（收稿日期：2021-05-03）