張雪晴 許新勝

摘 ? 要：以新人教版高中物理教科書“單擺”相關(guān)知識為研究對象，繪制了該部分知識內(nèi)容的流程圖，從核心素養(yǎng)的視角詳細分析了教科書的內(nèi)容呈現(xiàn)方式，并從結(jié)合演示實驗與理論推導(dǎo)、強調(diào)對簡諧運動的活學(xué)活用、注重解決實際問題、豐富物理學(xué)史相關(guān)知識四個方面探討了教科書的優(yōu)化使用。

關(guān)鍵詞：單擺;核心素養(yǎng);教材優(yōu)化;課程標(biāo)準(zhǔn)

中圖分類號：G633.7 文獻標(biāo)識碼：A ? ?文章編號：1003-6148（2022）4-0030-4

根據(jù)時代的要求和新課改的理念，2018年教育部印發(fā)《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡稱“新課程標(biāo)準(zhǔn)”），明確將物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培育作為指引高中物理課程與教學(xué)活動的基本目標(biāo)[1]。2019年人民教育出版社依據(jù)新課程標(biāo)準(zhǔn)編寫了《普通高中教科書 物理》系列教科書（以下簡稱“新人教版教科書”）。教科書是落實國家課程標(biāo)準(zhǔn)的最重要的舉措和手段，是新課程標(biāo)準(zhǔn)連接教師和教學(xué)的橋梁[2]。在核心素養(yǎng)視域下，以教科書相關(guān)知識為切入點，對其進行核心素養(yǎng)要素分析，可以將核心素養(yǎng)的培養(yǎng)分解到具體的知識教學(xué)中，有利于教師對物理學(xué)科核心素養(yǎng)的整體把握，有利于更好地落實物理學(xué)科的育人目標(biāo)。

單擺是物理學(xué)中一個重要的結(jié)構(gòu)模型，是運用簡諧運動知識解決實際問題的一個典例，是學(xué)生深入理解簡諧運動的重要載體之一。本文以“單擺”相關(guān)內(nèi)容為例，分析新人教版教科書中學(xué)科核心素養(yǎng)的呈現(xiàn)方式，提出優(yōu)化使用教科書的若干策略，以供廣大同仁參考。

1 ? ?“單擺”內(nèi)容呈現(xiàn)流程圖

新課程標(biāo)準(zhǔn)的要求是教科書的編排依據(jù)，教科書是實現(xiàn)培養(yǎng)目標(biāo)最直接和最基本的手段，教科書對“單擺”相關(guān)知識的呈現(xiàn)邏輯和過程，可以反映出教科書與新課程標(biāo)準(zhǔn)的吻合程度。新課程標(biāo)準(zhǔn)對“單擺”的內(nèi)容要求為“通過實驗，探究單擺的周期與擺長的定量關(guān)系。知道單擺周期與擺長、重力加速度的關(guān)系。會用單擺測量重力加速度的大小。”[3]新人教版教科書選擇性必修第一冊將“單擺”內(nèi)容分為兩節(jié)呈現(xiàn)，圖1是教科書中“單擺”內(nèi)容呈現(xiàn)的流程圖。

2 ? ?“單擺”內(nèi)容核心素養(yǎng)要素分析

物理學(xué)科核心素養(yǎng)集中體現(xiàn)了物理學(xué)科的育人價值，是三維目標(biāo)的整合、提煉與發(fā)展，其中既有繼承又有創(chuàng)新[4]。依據(jù)新課程標(biāo)準(zhǔn)，對新人教版教科書知識進行梳理，確定“單擺”教學(xué)內(nèi)容主要有：單擺模型的引入與建立、單擺回復(fù)力的推導(dǎo)及簡諧運動的證明、單擺振動圖像實驗的設(shè)計與觀察、影響單擺周期因素的實驗探究、單擺周期公式的推導(dǎo)、單擺測重力加速度的實驗與創(chuàng)新。這些內(nèi)容與物理學(xué)科核心素養(yǎng)要素有如下對應(yīng)關(guān)系，如圖2 所示。

2.1 ? ?物理觀念要素分析

物理觀念與物理事實、物理概念、物理規(guī)律同屬于物理知識，是聚合和抽象程度更高的物理知識，是居于物理學(xué)科中心、具有超越課堂教學(xué)的持久價值和遷移價值的關(guān)鍵性概念或原理[5]。單擺的運動特征，是在學(xué)生通過必修部分的學(xué)習(xí)初步形成的運動與相互作用觀念和能量觀念基礎(chǔ)上的進一步拓展。新人教版教科書中的安排是：對擺球進行受力分析，求出單擺的回復(fù)力為重力的切向分力，然后通過兩步近似處理，將回復(fù)力表示為F=-kx的標(biāo)準(zhǔn)形式，以此證明單擺在小角度下的運動是簡諧運動。這種處理方式，由現(xiàn)象到本質(zhì)，符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，有利于學(xué)生運動與相互作用觀念、能量觀念的進一步深化。

2.2 ? ?科學(xué)思維要素分析

物理學(xué)不僅以其概念、規(guī)律解釋了自然界基本運動的諸多真理，它還在建立這種知識體系的過程中發(fā)展了科學(xué)思維和研究方法，推動了科學(xué)的進步[6]。

科學(xué)思維作為物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成部分，與科學(xué)探究一起構(gòu)成了學(xué)生學(xué)習(xí)物理知識后形成的關(guān)鍵能力與品格。單擺是一個理想化結(jié)構(gòu)模型，是科學(xué)思維中模型建構(gòu)的體現(xiàn);單擺回復(fù)力的推導(dǎo)以及影響單擺周期因素的實驗探究，均體現(xiàn)了科學(xué)推理相關(guān)內(nèi)容;單擺周期公式的理論推導(dǎo)是科學(xué)論證的部分，證明單擺運動的位移-時間圖像是正弦曲線，也體現(xiàn)了科學(xué)論證的應(yīng)用;用單擺測量重力加速度的實驗器材的改進，是培養(yǎng)學(xué)生質(zhì)疑創(chuàng)新能力的良好平臺。單擺相關(guān)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，是學(xué)生對簡諧運動周期表達式、概念和規(guī)律的應(yīng)用，體現(xiàn)了從抽象到具體的演繹思維方式，并在問題解決的過程中實現(xiàn)知識的結(jié)構(gòu)化。

2.3 ? ?科學(xué)探究要素分析

科學(xué)探究是物理學(xué)科核心素養(yǎng)之一，也是學(xué)生學(xué)習(xí)知識、發(fā)展科學(xué)思維、形成科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的手段和途徑。探究單擺周期的影響因素是典型的實驗探究，新人教版教科書編排時，從單擺的構(gòu)成要素分析可能影響單擺周期的因素，引導(dǎo)學(xué)生利用控制變量法設(shè)計實驗并探究，定性得到與單擺周期有關(guān)的物理量，然后通過作圖定量探究單擺周期與擺長的關(guān)系。整個實驗過程激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生經(jīng)歷了提出問題、形成猜想與假設(shè)、設(shè)計實驗和制訂方案、獲取和處理信息、基于證據(jù)得出結(jié)論并作出解釋，在完成實驗過程中學(xué)生的動手能力、創(chuàng)新能力、科學(xué)思維能力等均得到了提升，這與物理學(xué)科核心素養(yǎng)體系中“科學(xué)探究”的四個要素——問題、證據(jù)、解釋、交流是高度一致的。

2.4 ? ?科學(xué)態(tài)度與責(zé)任要素分析

“單擺”相關(guān)內(nèi)容從多個方面凸顯了科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的要素。首先，建構(gòu)單擺模型，是具體到抽象的概括，有利于學(xué)生深入理解科學(xué)本質(zhì);其次，單擺在物理學(xué)發(fā)展過程中有著不可或缺的作用，如利用它的“等時性”特征制作出鐘表，發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)確的計時方法，通過它測量不同地區(qū)重力加速度g的值，可以確定地球的形狀為扁球形等[7]。另外，單擺的應(yīng)用和發(fā)展也不是一蹴而就的，包含許多科學(xué)家的努力探索，相關(guān)知識的學(xué)習(xí)可以對學(xué)生形成潛移默化的影響，滲透對學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任的培育。

然而，新人教版教科書僅用“為了找出單擺周期與擺長之間定量的關(guān)系，荷蘭物理學(xué)家惠更斯進行了詳盡的研究”及“單擺周期公式的發(fā)現(xiàn)，為人類利用簡諧運動定量計時提供了可能，并以此為基礎(chǔ)發(fā)明了真正可持續(xù)運轉(zhuǎn)的時鐘”兩句話簡要描述了單擺的研究及應(yīng)用，在科學(xué)態(tài)度與責(zé)任這一方面滲透較少。

通過上述分析，可以看出新人教版教科書與新課程標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容要求是基本保持一致的，因為篇幅等限制，新人教版教科書中未能呈現(xiàn)所有的內(nèi)容。為了更好地落實核心素養(yǎng)的培育，在實際教學(xué)時，教師們可以結(jié)合實際，對教科書進行適當(dāng)優(yōu)化和補充。

3 ? ?優(yōu)化使用教科書的建議

“單擺”教學(xué)內(nèi)容蘊含著豐富的核心素養(yǎng)要素，結(jié)合對教科書知識內(nèi)容的分析，提出以下幾點教科書優(yōu)化使用建議。

3.1 ? ?結(jié)合演示實驗與理論推導(dǎo)，證明單擺在擺角很小的情況下做簡諧運動

學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律一般遵循由具體到抽象、由感性到理性、由現(xiàn)象到本質(zhì)的特點，當(dāng)建構(gòu)單擺模型之后，直接討論單擺的運動是否為簡諧運動顯得有些突兀。實際教學(xué)時，我們可以安排學(xué)生先觀察單擺運動圖像，再進行理論推導(dǎo)。這是因為學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過簡諧運動的圖像為正（余）弦曲線，根據(jù)采集得到的單擺的振動圖像近似為正（余）弦曲線，先合理猜想單擺的運動可以近似為簡諧運動，然后再推導(dǎo)證明單擺在擺角很小的情況下做簡諧運動，更易讓學(xué)生接受。

3.2 ? ?強調(diào)對簡諧運動的活學(xué)活用，引導(dǎo)學(xué)生深入理解單擺的科學(xué)本質(zhì)

單擺作為簡諧運動的一個特例，其周期公式可以通過簡諧運動的周期通式結(jié)合單擺的回復(fù)力公式推出，許多研究者提出了符合學(xué)生認(rèn)知的周期推導(dǎo)過程[8-12]。教師可以引導(dǎo)學(xué)生用不同的方法推導(dǎo)周期公式。此外，新人教版教科書并沒有具體解釋“擺角很小”，學(xué)生并不能理解這個具體的角度范圍，而且在后續(xù)的實驗操作過程中，很可能由于控制不好角度而影響實驗結(jié)果。新教科版教科書的處理方式為：在“課外閱覽”欄目中，通過實際數(shù)據(jù)對不同擺角下單擺實際周期T與理論計算周期T0進行了比較，從而明確當(dāng)擺角小于5°時，單擺運動與簡諧運動的規(guī)律符合得較好。因此，在實際教學(xué)時，教師應(yīng)該在教學(xué)中說明此擺角的范圍。

3.3 ? ?以問題為導(dǎo)向，培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維，注重解決實際問題

教科書有提綱挈領(lǐng)的作用，教師應(yīng)當(dāng)突破教科書的框架，創(chuàng)造性地使用教科書。例如，在探究影響單擺周期因素的實驗中，我國現(xiàn)行的多版教科書中均未探討重力加速度對周期帶來的影響，然而單擺周期公式中卻含有重力加速度g。教師可以引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計實驗，探究重力加速度對單擺周期的影響，培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維[13]。還可以提出具體案例，如估算計時準(zhǔn)確的擺鐘的擺針在月球表面從“1”走到“2”過程中相應(yīng)的地球時間，引導(dǎo)學(xué)生增強創(chuàng)新意識，達到學(xué)以致用、解決具體問題的目的。

3.4 ? ?豐富物理學(xué)史相關(guān)知識，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

單擺的歷史發(fā)展凝聚著許多科學(xué)家的努力，從伽利略提出單擺運動的四個特征，到馬林·梅森通過實驗第一次明確提出單擺周期與擺長的平方根成正比，再到最后惠更斯推導(dǎo)出單擺周期公式從而測出巴黎的重力加速度[14]，這些都是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)態(tài)度與精神的良好素材。但新人教版教科書只是在單擺周期公式處提及到了惠更斯的研究，容易讓學(xué)生誤以為單擺的相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)只和惠更斯有關(guān)，導(dǎo)致學(xué)生對基本的物理學(xué)史存在誤解。因此，教師在教學(xué)時可以進行適當(dāng)補充，將相關(guān)物理學(xué)史真實地呈現(xiàn)給學(xué)生，從而落實對學(xué)生科學(xué)態(tài)度與責(zé)任素養(yǎng)的培養(yǎng)。

4 ? ?結(jié) ?論

綜上，以新課程標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，分析教科書，創(chuàng)造性地使用教科書，可以更好地落實物理核心素養(yǎng)，實現(xiàn)育人目標(biāo)。

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（欄目編輯 ? ?劉 ? 榮）