摘 要：物理实验是物理教学的重要组成部分，在培养学生的探究能力和科学态度等方面具有重要的作用.在创设物理实验教学情景中，不仅需要学生发现和提出问题，而且要让学生感悟到科学家追求真理的艰辛历程.将丰富的历史背景融入教学设计，运用DIS实验等信息技术手段，增强实验探究的完整性，培育学生的物理学科核心素养.

关键词：历史主线;单摆;DIS实验

中图分类号：G633.7     文献标识码：B     文章编号：1008-4134（2021）13-0032-04

作者简介：许健（1980-），男，上海人，本科，中学高级教师，研究方向：物理教学设计的实践与研究.

1 问题的提出

《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》中阐述：物理学是一门基于观察与实验的自然领域的基础学科，引导学生经历科学探究过程，体会科学研究方法[1].然而高中物理的实验教学越来越弱化，程序化的实验教学模式正在扼杀学生的学习兴趣.教师应当了解实验的历史背景，将实验的历史研究主线融入教学设计，将传统实验与信息技术手段融合，提升实验教学的效能.以机械振动章节中的单摆教学为例，伽利略、马林·梅森、惠更斯等人在研究单摆的过程中，体现了典型的近代科学方法论，并且解释“等时性”又是伽利略斜面实验的一个重要动机[2].在单摆的实验教学设计中应该呈现伽利略等人的研究历程.

2 实验教学的实践探索

2.1 以历史为轴，设计探究环节

人教版高中物理选择性必修1第二章机械振动，首先探究单摆周期与摆球质量、摆长、振幅之间的关系，通过推理获得惠更斯的周期公式，紧接着又探究单摆测量重力加速度[3].由于课时与教学内容的冲突，导致探究过程不完整，学生无法感悟到科学发展的曲折艰难.为了让探究过程更加符合学生的认知习惯，需要将伽利略等人的探究过程融入教学设计，并以问题为导向进行实验探究.

确定单摆研究的历史主线（如图1）：（1）伽利略在1602年写给朋友的信中运用等时圆作为单摆等时性的证据，他的朋友通过实验对此产生了质疑;（2）伽利略提出了单摆运动的四个特征：长度定律——周期随长度变化;振幅独立性定律——周期与振幅无关;质量独立性定律——周期与重量无关;等时性——任意给定的长度，周期都是相同的;（3）马林·梅森通过实验第一次明确提出了单摆周期与摆长的平方根成正比，1638年伽利略引用了这种表述;（4）1659年惠更斯通过推导提出了单摆的周期公式，测定了巴黎的重力加速度，制作了第一个计时用的摆钟.

在实验物理认知阶段需要学生进行大量的实验探究，必定会经历科学探究的问题、证据、解释、交流的各个环节，为理论物理阶段建构物理模型奠定了基础[4].“如何提出高质量的问题”“如何制定实验方案”就变成了急需解决的问题.需要充分利用已有的教材资源和教师的主导作用，重新规划探究的环节，将核心环节作为学生实验，次要环节作为演示实验，提升环节作为拓展实验，以此来缓解课时紧张的矛盾（见表1）.

2.2 以传统为鉴，改进实验仪器

图2为单摆的传统实验教学装置，教学过程中发现，利用该装置进行实验会存在以下不足：

（1）由于摆线过长，在竖直状态下测量摆长会非常的困难.过长的摆长导致平衡位置必定在桌面下方，测量时间又是以平衡位置为计时的起点，学生需要下蹲才能让视线与平衡位置持平，这样就会造成读数的困难.

（2）直尺和秒表的测量精度较低，导致实验数据存在较大误差.使用测量仪器获得数据的耗时较长，然而实验结论需要大量的数据支撑，这就进一步加剧了课时不足的窘境.

图3为自制演示板，该装置有以下几点改进：

（1）利用测距仪实现迅速测量摆长，实际测量精度达到±2mm，摆长L=s-R（s为测距仪到水平尺的距离，R为摆球的半径）.

（2）标注平衡位置，利用磁铁将演示板吸附在黑板上，直接在黑板上标注平衡位置，平衡位置的高度适中，方便学生观察.

（3）避免形成圆锥摆，由于摆球处于黑板正前方，以黑板为参考平面，比较容易做到让摆球在竖直平面内摆动.

2.3 创设问题情景，激发学生思维

由于物理的课时有限，在课程标准要求的21个学生实验之外再增加分组实验的难度较大，然而演示实验对课时的要求不高，因此演示实验是实验探究的一种有效补充形式[5].笔者从历史上伽利略研究单摆的目的出发，创设情景，形成问题链.通过验证单摆等时性的演示实验，提高学生的学科思维力.

历史1：伽利略用斜面实验来验证自由落体运动是初速度为零的匀变速直线运动.

问题1：伽利略为什么没有直接测量自由落体运动的下落时间？

活动1：学生回顾伽利略的斜面实验，了解到当时人们利用脉搏来测量小球运行的时间，由于小球自由下落太快，无法精确地测量运行时间.伽利略只能先验证小角度的情况，然后合理外推到大角度，直至到90°的情况，从而验证了自由落体运动也是匀变速直线运動.正是这个实验推动了伽利略去寻找测量时间的精密仪器，并且最早发现了单摆的等时性.

以学生已经掌握的历史事件作为引入，能引起学生的共鸣，有效调动学生的积极性.更能让学生体会到物理源于生活，任何实验的最终目的都是为了解决实际问题，从而唤起学生进一步探究的渴望.

在讨论过程中，学生会思考“什么是等时性，又是如何验证的？”教师可以创设另一个新的情景.

历史2：1602年伽利略在写给好友的信中提出了单摆的等时性（教师提供相关的阅读材料）.

问题2：伽利略是如何验证单摆的等时性？

活动2：学生回顾匀变速直线运动中的等时圆，伽利略正是以此来验证单摆的等时性.

学生对利用“化曲为直”的验证方法产生困惑，然而在当时的条件下，虽然该验证方法还存在瑕疵，但是依然具有重要的意义.让学生感受到科学方法的多元性，不只局限于实验法，还可以使用几何关系、數学表述和图像表征等方法.

问题3：这显然无法证明单摆的等时性，那么我们如何来验证？

活动3：将自制演示板悬挂在黑板前，利用秒表测量同一单摆不同摆角时的周期.

结论：同一单摆在不同摆角的情况下，单摆的周期都相同.验证了伽利略在比萨教堂中观察吊灯摆动现象时提出的结论.

学生第一次使用秒表测量时间，对秒表的操作并不熟练，读取数据会有困难.通过教师进行演示操作，学生进行模仿，然后师生合作完成数据的获取，这样就可以缩短练习使用仪器的时间.

2.4 融合信息技术，提升学生科学探究能力

科学探究是人类探索和了解自然、获得科学知识的主要方法，也是学生学习科学的主要方式.在探究的过程中，逐步培养学生收集和处理数据的能力、分析和解决问题的能力及交流与合作的能力.然而数据的收集、处理都需要消耗大量的时间，因此在探究过程中需要运用信息技术，以此来减少过多的重复性操作.下面是以传统方式进行设计的学生实验——单摆测定重力加速度.

历史：1659年惠更斯提出了单摆的周期公式.

问题：惠更斯是如何获得周期公式的？

讨论：伽利略只是认为单摆的周期随着摆长的变化而变化;马林·梅森验证了单摆周期与摆长的平方根成正比;惠更斯利用了无穷小几何方法推导了单摆的周期公式，并测定了巴黎的重力加速度，引起了不小的轰动.让学生体会到科学的发现是基于前面科学家的贡献，是一个传承和发展的过程，科学的交流会起到巨大的作用.

学生实验：让学生重温惠更斯测定重力加速度的历程，学生利用直尺和秒表进行分组实验.以摆长为1m的单摆为例，摆球完成30次全振动的时间约为60s，这就是学生获得1个周期数据的最少时间，但是还没有包括测量不同摆长的时间.获得单摆周期之后，学生利用单摆公式可以推导出重力加速度的值.然而为了提升结论的精确性，需要测量多个不同摆长的单摆周期，那么测量过程会占据大量的课堂活动时间.利用光电门传感器（图4），就可以迅速测量单摆的周期.

在获得数据之后，学生使用平均值法获得本地的重力加速度值.然而平均值法无法剔除较大误差，此时我们就要借助Excel制图的方法.

在T2-L图像中找到较大误差的数据（如图5），剔除相关数据，然后重新绘制T2-L图像（如图6）.

利用图像的斜率求得g=4π2k=4×3.1424.0398=9.762m/s2，查询资料获得本地的重力加速度为9.794m/s2.

2.5 运用拓展实验，培养学生良好的科学态度

在实验教学中有必要为学生提供独立观察、操作的机会，培养独立思考的习惯.教师可以将一些探究环节设计为课后的拓展实验，学生根据教师预设的问题进行实验探究，在解决问题的过程中培养学生严谨的态度和实事求是的精神.

历史：伽利略提出了单摆的质量独立性定律——周期与重量无关.

问题1：减小摆球的质量，单摆的周期如何变化？

实验1：利用光电门传感器测定相同摆长、不同摆球质量的单摆周期（以摆长为0.871m的单摆为例，结果见表2）.

问题2：由于空气阻力的阻碍作用，单摆的周期不是应该增大吗？

认知冲突：改换塑料摆球后，摆球质量减小，空气阻力阻碍摆球运动的效果会更加显著，因此单摆的周期应该会变大，然而实验结果是单摆的周期竟然减小了.

猜测：由于摆球的质量减小，此时摆线的质量就不能忽略不计，因此实际摆长会减小，导致单摆的周期会减小.我们可以改变摆球的质量，但是还是需要满足摆球质量要远大于摆线的质量.

实验2：换成质量比铁质摆球稍小的铝质摆球，再次测量单摆的周期（见表3）.

结论：单摆的周期与摆球的质量无关，符合伽利略的单摆质量独立性定律.

拓展实验不仅需要开放的实验室，而且在整个探究的过程中，教师的主要角色是学生行为的观察者，当实验探究无法继续时，提供有限帮助.

3 结束语

实验教学的内容是丰富的，教学的手段是多样的，结构化的教学设计有利于促进学生思维发展的延续性、系统性和有效性，有助于提升学生的科学思维能力[6].运用历史主线串联实验探究的各个环节，让学生能身临其境地体会实验的精妙之处，有利于培养学生学习物理的兴趣.我们不应该固守原来的教学模式，大胆尝试新的手段，将信息技术融入课堂教学，才能在“双新”全面落地前做好准备.

参考文献：

[1]教育部基础教育课程教材专家工作委员会，普通高中课程标准修订组.普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订版）[M].北京：人民教育出版社，2020.

[2]黄晓.“历史—探究—反思”—谈“单摆”的科学本质教学[J].中学物理教学参考，2014（43）：40-45.

[3]廖伯琴.普通高中物理课程标准（2017年版2020修订版）解读[M].北京：高等教育出版社，2020.

[4]穆良柱.什么是ETA物理教学法[J].物理与工程，2020（02）：33-36.

[5]马华峰.运用探究性演示实验培养学科关键能力——以“牛顿第三定律”教学为例[J].物理教学，2020（10）：30-33.

[6]上海市教育委员会教学研究室.中学物理单元教学设计指南[M].北京：人民教育出版社，2018.

（收稿日期：2021-05-03）