层层递进：在高中物理教学中培养学生科学思维——以“单摆”为例

谢 宇 ，胡雁军，宋善炎*

1.湖南师范大学物理与电子科学学院，长沙 410081

2.长沙市雅礼中学，长沙 410021

1 问题的提出

科学思维是物理核心素养的核心元素。课程改革的背景下，在物理教学中培养学生的科学思维不仅是新课程标准的要求，也是贯彻以素质教育为中心的教育理念的必要举措。科学思维是具有意识的人脑对科学事物（包括科学对象、科学现象、科学过程、科学事实等）的本质属性、内在规律及事物间的相互联系和关系的间接与概括的反映。因此，提升学生科学思维能力既有助于学生运用已有知识基础解决新的问题，又有利于学生巩固知识体系，将其迁移与运用。

本文以人教版高中物理选择性必修第一册第二章第4节“单摆”为例，依据《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》，将本节的教学目标定位为“通过实验，探究单摆的周期与摆长的定量关系。知道单摆周期与摆长、重力加速度的关系。会用单摆测量重力加速度的大小”。课堂教学中如何达到这一目标呢？我们认为，教师需要从生活现象和学生已知模型出发，借助观察与实验探究，层层递进，为学生的思维搭建桥梁。

2 以培育学生科学思维能力为目标的教学设计

要保证物理课堂教学实施，就需要科学设计课堂教学。本文以“单摆”这一节内容为载体，围绕如何培养学生的科学思维能力设计了如图1所示的教学思路。

图1 “单摆”教学设计思路

科学思维是从物理学视角对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的认识方式,主要包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素。因此，教学流程中要着重体现“何处培养何种要素”。结合课程标准，该教学设计制定了与各个环节相应科学思维要素的培养目标，具体如表1所示。

表1 教学环节与教学内容设计

2.1 单摆理想模型的建构

生活的机械摆钟利用周期性振动来计时。一名教师实验时将摆钟从北京带到了香港，发现摆钟所示时间与准确的时间不符合，为什么会出现这样的现象呢？这需要我们研究在竖直平面内摆动物体的运动规律。本课将生活中经常能见到像摆钟一样在竖直平面内摆动的物体抽象成摆线和摆球组成的单摆模型。从简单的规律着手，将实际摆理想化成单摆模型，学生受到弹簧振子模型的启发，不难得出单摆模型的理想化条件。

设计意图 在高中物理教学中，模型思维是一种重要的科学思维，模型建构是一种主要的思维方式。实际摆的模型在生活中很常见，是抽象成单摆模型的材料。该教学过程教师为学生搭建“观察—思考—类比”的思维桥梁，让学生在整个教学过程中完成单摆模型的建构。

2.2 单摆简谐运动的证明

认识了单摆模型，那么它在竖直平面内的运动满足什么规律呢？

在本章前三节，学生已经学习了机械振动和简谐运动。在“单摆的运动”这一环节，教师首先引导学生观察单摆的运动为在某一个位置附近的周期性往返运动，根据机械振动的定义可以确定单摆的运动属于机械振动的范畴。更进一步，需证明单摆是最简单的机械振动——简谐运动。在前三节学习的基础上，学生容易想到证明可从两个角度出发，一是运动学角度：物体偏离平衡位置的位移x与时间t是否满足正弦函数关系；二是动力学角度：回复力F与位移x之间是否满足F=-kx。

（1）运动学角度。欲画出单摆的x-t图像，学生需根据实验目的设计实验装置（图2）。学生根据已有经验，不难想到用有色液体画出x-t图像，但是有两个问题接踵而至：用几根线拉住装墨水的容器呢？得到图像以后怎么证明其是不是正弦函数？为了让学生的形象思维更为直接，教师请一个学生配合，作出的图像如图3所示。再请另一个学生把实验过程和图像传到一体机上，学生通过一体机可观察到单摆的x-t图像。

图2 实验装置图

图3 实验结果图

设计意图 要证明单摆的运动是简谐运动，学生能想到用x-t图像来证明。由于实验过程中只能把白纸放在水平桌面上，能够观察到的学生有限，可将实验装置同步到投影仪上，保证所有学生都能观察清楚。该实验过程会有学生质疑：实验过程中难免有误差，在忽略外界因素的情况下，单摆运动真的是一个正弦函数吗？从运动学的角度已经不能再进一步证明，因此，需转变思维用另一种方法来论证单摆运动为简谐运动。

设计意图科学思维的要点重在解决“有什么”的问题，强调对科学思维的整体把握，掌握“如何做”才算科学思维，需要判断某个思维是否符合科学思维基本要求的依据，并不是科学思维的具体过程。学生逐渐理解数学方法在科学推理中的重要性，并且能够发现x-t图像中的“瑕疵”，在知识生成过程中渗透科学思维方法。因此，对于培养严谨细致的科学思维有极大的启发作用。

图4 受力分析图

2.3 单摆周期公式的推导

既然单摆的小角度摆动是简谐运动，那它的周期与什么因素有关呢？存在什么关系呢？

由于观察到的单摆运动特征很多，如振幅、摆长、质量和重力加速度（回复力由重力的分力提供），所以先引导学生进行定性分析猜想影响因素。学生分组设计实验：①探究单摆的周期是否与摆长有关；②探究单摆的周期是否与摆球的质量有关；③探究单摆的周期是否与振幅有关。把实验结果记录在表2中。在实验数据的基础上，通过对比分析，归纳得出：单摆的周期与摆长有关。

表2 探究单摆周期的影响因素实验分析

设计意图 根据实验目的提出猜想，根据猜想选取实验方法——控制变量法，通过实验获取证据，归纳整理得出结论，让学生经历整个科学探究过程。

继续提问：单摆的周期与摆长之间存在怎么样的关系呢？

经过上一步定性观察排除振幅、质量这两个影响因素后，学生很容易获得T与l的实验数据，如表3所示。接着采用数据拟合的方法，得到二者的关系。课堂中，使用更精确的DISLab实验进行研究，得到图像如图5所示。

图5 T2-l关系图

表3 单摆周期与摆长的实验数据

2.4 相关生活现象的解释

最后介绍物理学发展史上荷兰物理学家惠更斯发现单摆的周期公式后用其测出巴黎重力加速度的实验，引导学生将科学思维与日常生活结合起来，解释课堂最开始“摆钟不准”现象。利用本次测量数据，可得当地重力加速度大小，如表3。

3 结语

本节课中每一个教学片段环环相扣、层层递进，形成了条理清晰、结构严谨、层次鲜明的系列问题链，将对学生科学思维的培养渗透在教学设计的每一个环节，通过巧妙地设计过渡性与深入性问题，帮助学生用观察、实验、论证的方式培养科学思维。