基于HPS 教育理念的高中物理深度学习能力培养
——以2019 年人教版教材“单摆”一课教学为例

2023-09-22 01:49张旭东刘立华吉林师范大学

教书育人 2023年19期

张旭东刘立华（吉林师范大学）

新课改要求，学生应具有满足自身和社会发展的关键能力即核心素养。核心素养由物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任四部分组成。物理观念中强调知识和原理的深度理解与灵活应用，同时科学思维要与观察、实验相结合，要学生学会学习、批判性思维和创新。科学探究要培养学生收集和处理信息的能力、获取新知识的能力、分析问题和解决问题的能力等。科学态度与责任要求学生了解科学、技术、社会、环境的关系以及对科学本质的探索和对科学态度的培养。核心素养的提出要求学生学习的方式、过程、目标无限趋近深度学习。

一、深度学习与HPS

深度学习指在理解概念的基础上，学生能整合信息资源，学会批判性思考，产生高阶思维，将新的知识体系建构到原有的知识结构中，学会迁移应用。培养学生深度学习能力，需要激发学生的学习内驱力，并在教育过程中维持学生的学习内驱力，使学生的能力培养具有连贯性。HPS 可以满足维持学生学习内驱力的作用。

HPS 是在教育教学中融入科学史、科学哲学和科学社会学。通过HPS 能把科学史、科学哲学和科学社会学融入高中物理教材中，科学史和科学社会学为学生学习提供社会背景和培养学生积极的科学态度科学探究能力提供支持。科学哲学能培养学生的批判性思维和高阶思维，这与新改革核心素养要求高度契合。HPS 的融入充实丰富培养学生社会责任感、创新精神、实践能力，加深学生对课改中强调科学、技术和社会的认识，理解其内在关系。

二、基于HPS 培养高中物理深度学习能力的教学策略

根据理论分析和实践思考，基于HPS 培养高中物理深度学习能力的教学策略为：情境创设、引入新课，建立模型、历史重演，发现关系、深度探究，历史回顾、实践应用。下面以人教版“单摆”为例，进行具体阐述见图1。

三、教学内容解读

“单摆”这一课的内容处于选修部分，将单摆的振动视为简谐振动中的一种。学生针对简谐振动的相关概念和图像分析经常处于理解不透概念模糊的阶段，理解单摆模型有助于学生对简谐运动的理解并为后面学习阻尼运动、受迫振动打下良好的基础。将单摆这一内容运用HPS 方式展现出来，可以促进学生对物理学史的兴趣，培养科学性思维。

2005 年人教版《高中物理选修3-4》和2019 年人教版《高中物理选择性必修（第一册）》“单摆”一课内容对比，课程主要内容没有发生改变，但2019 年新教材单独为实验“用单摆测量重力加速度”设计一节内容。新课标要求，通过实验收集影响因素的数据，用不同的函数拟合实验曲线，得出周期与摆长的定量关系。有条件的话，可以使用计算机处理实验数据，发展科学探究的能力。发展学生建模的能力，经历构建模型的过程。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，学以致用。培养学生实验测量能力和误差分析能力。

（一）情境创设，引入新课

深度学习的主要特征是要有发自内心的学习动机，要使学习者在学习过程中发现问题。调动学生的学习兴趣就需要实例或特定的情境。运用物理学史和相对应的社会背景可以在创设情境方面产生好的效果，学生带入情境中能激发和保持学生的学习动机，同时能培养学生发现学习，自主学习的能力。

教学过程中，教师可以通过摆钟引入课程。将摆钟实物呈现在讲台上或者摆钟动画呈现在PPT 上，引导学生观察摆钟钟摆，让学生发现摆钟等时性物理现象，激发学习内驱力，参与讨论产生自己的思考与见解。借此，教师可以引入摆钟被发明的时代背景，介绍摆钟。摆钟的基本原理等时性由伽利略发现的，摆钟被发明的时代背景是大航海文艺复兴时期，因为海上贸易活动对航线有极高的要求。为了能够精确的指导自己的在海上航行,最需要知道船所在的地理位置即经度与纬度,通过太阳的视位置可以很容易测定纬度,但经度与当地时间有关，所以制作了摆钟。

学生带入时代背景后，教师通过讲述伽利略发现等时性原理的故事引出单摆实验。故事中伽利略通过观察被风吹动的吊灯，发现吊灯的摆动现象存在某种规律，通过掐脉搏的方式计算摆动的时间。发现实验现象后，伽利略回家准备实验探寻影响该现象的因素。

（二）建立模型，历史重演

构建理想模型是研究物理规律的手段，同时也能促进学生物理观念的形成和科学思维的发展。教师创造了真实的历史情境，能让学生直观的感受，丰富自己的感性认识，加深对单摆模型的认识。教师带领学生重新经历过去科学家探寻物理规律的过程，发现由于时代的局限性设计的实验存在不足，能促进学生批判性的思考能力。通过设计实验、制定方案、改进方案、应用科技手段获取和处理信息以及基于证据得到结论，培养学生的科学探究能力。通过对单摆周期和摆长的定量研究，让学生逐步认识其科学本质，体会物理学是建立在观察和实验基础上的创造性工作，增强学生的成就感和责任感。

伽利略通过简单的物理材料探究周期与哪些因素有关？在当今科技发展的今天，伽利略的实验有哪些不足？人们该如何去改进和设计伽利略的实验呢？

在课堂上，教师首先要带领学生确定单摆模型做的是什么样的运动。在新版人教版高中物理教材中，单摆知识内容在简谐运动之后，教师根据前面的学习向学生提出疑问回顾学过的内容：什么是简谐运动？单摆是不是简谐运动？如何证明单摆是简谐运动？来进行引入。教材中强调证明单摆是简谐振动需要满足两个条件：其一，单摆位移与时间图像是否为正弦函数图像。其二，产生单摆现象的原因回复力是否与位移成反比，并且方向相反。教师根据书中“做一做”，可带领学生做同样的实验，观察图样是否为正弦图像。

实验材料：注射器、V 型摆。将没有活塞的注射器固定在V 型摆上，注射器向下喷出细细的一束墨水。调整摆角小于10°，沿着与摆动方向垂直的方向匀速拖动一张白纸，白纸上的墨迹便画出振动图像见图2。

教师带领学生构建单摆简单模型，并分析单摆振动产生的原因（见图3）。

通过图像和公式推导，明确单摆为简谐振动。教师用问题引导学生构建单摆模型，复习过去学习的知识点，分析产生单摆现象的原因，培养学生探究能力和深度思考能力。

接下来，教师与学生共同探讨实验细节和影响实验的因素。为满足伽利略单摆实验条件，实验器材尽量选择质量大、体积小的球和尽量细的细线，摆长长度为摆长长度加小球半径之和。测量单摆的周期，可以测量单摆做多次全振动的时间，然后通过平均值计算求出它的周期的测量值。课堂中学生小组讨论，探讨影响实验的因素有摆长l、振幅A 和小球质量m。

回顾历史，伽利略同样分析了这三个因素。伽利略实验后提出长度定律、振幅独立性定律、质量独立性定律。在教学过程中，可让学生们自由分组合作实验，小组间互相交流如何能最大限度减小误差。进行单摆实验最大的影响就是形成圆锥摆，为避免形成圆锥摆产生实验误差，通常摆角大小不能超过5°，小于5°通过公式计算圆锥摆产生的误差可以忽略不记。课堂实验中，若实验仪器很普通，实验数值应小于5°。为能更明显的观察到实验现象，本次实验振幅不能超过10°，进行多次实验针对实验结果取平均值。实验中改进实验器材并使用V 型摆，通过计算机呈现实验数据减少实验误差。组装好仪器，将运动传感器、PASCO850 数据转换接口、电脑连接好，打开PASCOCapstone 软件、设置传感器采样频率为50Hz，将运动传感器按照要求对准摆锤，准备测量。实验采用控制变量法，使用的质量有木锤24.5g、塑料锤45.6g、铁锤85.2g 和铜锤125.0g。

用计算机采集不同情况下单摆“位置——时间”数据，利用PASCOCapstone 软件菜单中正弦拟合工具处理图表，从正弦拟合工具中算出单摆图像的周期值，并与理论值进行比较，计算误差百分比。

1.长度定律

摆角5°、质量125.0g 保持不变，控制摆长长度，研究摆长与周期之间的关系。如表1 所示。

2.振幅独立性定律

同理，控制摆长长度0.6m、质量125.0g 保持不变，摆角为5°、7°、10°。探究摆角与周期之间的关系。如表2 所示。

3.质量独立性定律

同理，控制摆长长度0.6m、摆角5°保持不变，改变重物质量，研究重物质量与单摆周期之间的关系。如表3 所示。

4.实验结论

通过实验图像和实验数据观察到，单摆周期只与摆长l 有关，与重物质量和摆角大小无关，周期T 与摆长l 成二次方根成正比。

（1）发现关系，深度探究

在高中物理学中存在大量的物理量和它们之间的关系，学生在学习和应用过程中经常出现不了解或物理量定义和关系混淆的情况，不清楚物理量之间定量关系的由来。周期T 与摆长l 的公式关系在人教版中没有要求推导只要求学生能识记和应用，学生不明白公式的来龙去脉死记硬背只会忘记，教师给出推导过程可以加深学生印象作为扩展让学生了解，培养学生的高阶思维能力。

在物理学史上，伽利略实验探究后发现了周期与摆长有关，对于单摆周期与摆长的关系并没有定量给出， 1638 年陈述了关于周期和摆长的平方根关系。30年后，荷兰科学家惠更斯发现单摆周期公式并通过计算测量巴黎的重力加速度。公式推导：

历史是车轮不会停止，在不同时空里，课堂中教师带领学生做与前人相同的事情，培养学生的科学情感，加深学生并对这一公式的运用的印象。

新课标要求学生要会利用单摆公式计算重力加速度大小，学以致用。教师在这一部分可以介绍惠更斯利用摆的等时性原理制成了第一座摆钟。带领大家利用单摆周期公式测量世界各地的重力加速度，向学生们提出问题“为什么同一个摆钟从香港带到北京时间会发生变化”，解释生活中的现象，提高学生解决问题的能力。课堂结尾，带领学生快速回顾历史，让学生体会历史的厚重感，充分体会到科学研究历程，树立正确的科学价值观。总结课堂内容，将单摆构建在简谐振动的知识体系中。