基于DIS的翻转课堂教学实践研究提升物理学科核心素养*——以《单摆》教学为例

一、教材分析

在中学物理课程中，学生可以通过自己的探究活动学习科学探究，也可以通过前人的探究活动学习科学探究，高中物理人教版选修3～4教材中第十一章第四节《单摆》正好诠释了这一点，本节课主要在于利用实验等手段将重要规律内化。作为一节翻转课堂，笔者开发了10分钟的微视频，配合课前自主学习单，以极其简单的问题形式让学生回答出来，因此，通过课前自主学习，学生已经掌握了单摆的简谐运动的内容，基于学生曾经利用DISLab探究过单摆下的机械能守恒定律，因此相关研究问题的思路和方法也具备了。历史上，惠更斯也因发现单摆运动的规律而一举成名。让学生在这一历史背景下了解科学建立的过程，这样的物理课程不仅仅是以传授知识为目的，也是弘扬科学文化的重要方面，还可以帮助学生全面、准确地认识科学和科学家，感悟科学精神和人文素养，这是实现物理课程核心素养目标的保证。本节课采用翻转课堂教学模式，本节课教学主线如图1所示。

图1

二、学情分析

选修3～4教材前几节内容，学生已经系统学习了简谐运动，《单摆》这部分知识是简谐运动的具体应用。所以在教学设计的过程中，突出学生应用所学知识解决物理问题的能力。把基本的简谐运动理论运用于本节课的教学之中，让学生通过阅读教材，参照教材上的提示解决学习过程中遇到的问题是本教学设计的一个特点。历史上，鉴于仪器的缺乏，探究单摆的周期是有极高难度的，如果让孩子们去探究会有什么样的结果，这个探究绝对具有开放性与挑战性，尽管我们不具备惠更斯的智慧，但是作为现代人，我们有着足够的仪器，任何一个学生带着光电门传感器和笔记本穿越时空回到过去，都可以成为物理大师级人物。因此，本着“发现问题、提出猜想、设计方案、实验验证、分析结论”的原则，本节课在影响单摆周期的各种因素的探索中，充分发挥学生的主观能动性，激发学习兴趣，调动学生的积极性，使他们参与到实验探索中。在探索的过程中，培养学生的思维能力、实验能力、分析能力、交流与协作能力以及实事求是的科学态度。

三、课前学习单交流

课前任务是重要的开始，因为在传统课堂中，这部分内容需要几乎半节课的时间学习，而翻转课堂是让孩子回家自主学习，所以，课前学习单的制订需要耗费教师极多的时间。通过课前学习单，笔者有以下几点收获。

首先，了解学生。教学应着眼于学生的最近发展区，为学生提供带有难度的内容，调动学生的积极性，发挥其潜能，超越其最近发展区而达到下一发展阶段的水平，然后在此基础上进行下一个发展区的发展。教师在设计课前任务的时候一定要了解学生，要知道学生目前的情况，这是进行课前任务难易设计时一定要考虑到的。还有学生对什么感兴趣，想学什么，能学什么，这都是在设计课前任务时必须要思考的问题。

其次，激发学生兴趣。翻转课堂非常需要学生自定步调自主学习，兴趣是非常重要的。还要鼓励学生去创造，鼓励合作。这也就同样需要教师对学生有很深的了解，做出他们喜欢的微课完成相应的课前任务。

最后，挑战自己。最好的激励并不是变简单，而是充满挑战，因为失败不可怕，可怕的是失去了面对失败的勇气。这个问题在做课前任务设计时需要重视。不是把问题变简单了学生就能够轻易完成，实际上这会让学生觉得索然无味。

《单摆》的课前“自主学习任务单”如下。

复习回顾，完成1～3学习任务：

(1)什么样的运动叫简谐运动？

(2)简谐运动回复力与位移之间的关系是什么？

(3)简谐运动的位移——时间图像具有什么特点？

(4)什么是简谐运动的周期？

阅读书本p13以及单摆微视频完成4～9学习任务：

(5)什么情况下挂着细线的小球可以看成单摆？

(6)单摆做简谐运动的回复力由什么力提供？

(7)单摆摆到最低点时回复力是多少？合外力呢？

(8)在同一地点，单摆振动的周期由什么决定？

(9)请写出单摆周期公式？

(10)振动着的单摆摆球通过平衡位置时，它受到的回复力 ( )

A．指向地面 B．指向悬点 C．数值为零 D．垂直摆线，指向运动方向

(11)对于秒摆下述说法正确的是 ( )

A．摆长缩短为原来的四分之一时，频率是1 Hz

B．摆球质量减小到原来的四分之一时，周期是4 s

C．振幅减为原来的四分之一时，周期是2 s

D．重力加速度减为原来的四分之一时，频率为0.25 Hz

四、课堂教学

1.自学检测

在充分吸收了课前学习单后，对吸收知识进行自学检测，时间2分钟左右。自学检测是教师了解学生对课前学习单掌握情况的一个重要手段，它是自学效果的反馈，在教学中有着非常重要的作用。所谓当堂检测，就是在课堂上实施目标教学，注重在自学新课后让学生进行目标检测练习，检查学生对新知识的掌握情况。我们面对的是整个班级很多个学生，怎样才能知道每一个学生自主学习的情况呢？当堂检测就可以较好地解决这个问题。

2.情景引入

理论上，自学检测效果不会太差，对于结果不必过于纠结，可以进入情景引入的环节，针对单摆，可以让学生想象经常看到悬挂起来的物体在竖直面内往复运动，让学生举一些具体的例子；从实际问题引入，再通过联想、建模使学生感到物理所研究的对象不是凭空想象出来的，是来源于生活实际、客观世界的。

3.进阶作业

苏州电教馆馆长金陵解释说，进阶作业是检测之后的必然选择。没有课堂作业就没有翻转。进阶作业应体现“最近发展区”理念，在基本概念和基本原理学习的基础上逐步提升学习难度，从而保证学生思维水平不断提升。本节课进阶作业按照由简到难、深入浅出的原则设计，确保学生掌握单摆的周期与摆长、摆球质量等的关系。

4.协作探究

纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。意思是说，书本上得来的知识毕竟比较肤浅，要透彻认识事物还必须亲身实践。从书本知识和社会实践的关系着笔，强调实践的重要性；协作主要指基于真实情境的协作探究，着重考查学生运用所学知识解决实际问题的能力以及发现新问题的能力。协作探究开始在思维能力和实践能力等方面发力，借助项目学习的协作探究形式让学生探究真实情景中的主题，发现问题、解决问题，培养创新精神和实践能力。

本节课，笔者设计了真实情景的实验——荡秋千，应该说学生都有生活体验，所以所有合作小组的桌面上都有这两个仪器，让学生合作探究单摆周期与摆长的关系，需要确定直接测量哪些物理量？如何测量？如图2模型。

图2

5分钟的合作协商后，理论上各组都有了自己的思路，进入问答环节，需要学生抢答，抢答多而且效果好的，小组加分。

问：如何测量摆长？

生1：用直尺直接测量悬点到小球顶端的距离。

生2：用直尺直接测量悬点到小球底端的距离。

生3：好像有点问题，应该是悬点到小球球心的距离。

评价：第三种回答是正确的，本场最佳。

问：如何测量小球的周期？

生1：用秒表测量50次全振动的时间，然后计算出周期。

生2：老师给我们提供了光电门传感器，可以用小球通过最低点的时间间隔来处理。

评价：两种方案都可以，但是第二种方案误差小，本场最佳。

数据采集如图3所示，将数据导入到Excel表格如表4所示。

图3

表4

直接用Excel上简单实用的散点图功能做出周期与摆长的关系(如图5所示)。

图5

很显然，一看这个图线，就知道周期T与摆长L的关系有点类似于幂函数，学生在数学课上已经学过了幂函数，从弯曲的方向可以大致判断出来指数幂处于0到1之间，那么到底什么数字呢？通过合作讨论，有一个组提出处理方法，大致意思是，利用数学中的二分法，猜测这个数字是0和1的中间数0.5，如果是0.5，则T与L的0.5次方成正比，如果不是，通过弯曲方向继续判断，继续取1和0.5的中间数0.75或者0.5和0的中间数0.25，持续利用Excel散点图功能作图，直到最后是一条直线为止。确定了探究的思路，各小组继续向下探究。

做出周期与摆长的0.5次方的关系如图6所示。

图6

很显然，结果出来了，周期与摆长的0.5次方是一条通过原点的直线，意味着，周期与摆长的0.5次方成正比。

这种形式的探究，能够较大限度地挖掘学生的潜能，提高了学生自主学习的能力，学生超乎寻常的表现会给教师以启迪，同时也给教师带来惊喜和快乐，真正做到了“以人为本，以生为本”，做到了学生可以掌控自己的学习节奏，实现跨空间、跨时间的学习。这种教学模式，让学生在自主中学习，在合作中探究，在展示中发展，这也成为物理课堂一道亮丽的风景线。

五、结语

翻转课堂在教育理念、教学结构及师生角色方面打破了常规，真正做到因材施教，以人为本，以生为本，有利于学生物理思维的构建和知识体系的完善，有利于提升学生的物理学科核心素养。以学定教的模式，不但能体现学生的主体地位，更有利于课堂时间利用的最大化。总之，翻转课堂既为现代师生提供了教与学的新模式，也向实施者提出了严峻的挑战，广大教师应努力更新和完善自己的教育教学观念，创新课堂教学模式，不断提高教师职业以及科学素养，学生也更需要学会利用学习资源，更新学习方法，实现自身价值。