从“摆的摆动快慢到底与什么因素有关”的教学谈起.doc

用数据不断地修正自己的科学概念
从“摆的摆动快慢到底与什么因素有关”的教学谈起
桐乡市实验小学教育集团凤鸣小学　朱长林
关于单摆的摆动快慢与什么因素有关的问题，对于五年级的学生来说，除了少数学生看到过机械摆钟内的摆以外，几乎是没有什么概念的。正因为如此，倒给我们的教学提供了一个比较整齐划一的逻辑起点；使我们可以比较从容地按照科学探究的规律，引领学生构建“摆的摆动快慢与摆长有关，摆长越长，摆动越慢，摆长越短，摆动越快；而与摆动幅度、摆锤重量无关”这样一个科学概念。而这一概念的构建，却是需要引领学生经历一个从笼统到逐步精确，从模糊到清晰的过程。本文试从教科版五下《机械摆钟》、《摆的研究》、《做一个钟摆》三个主题的教学，讨论如何用自身观测获得的实验数据，不断地修正自己的认识，构建真正的科学概念，并在此基础上经历一次对科学本质的认识。

一、与摆幅关系，连续观测中的副产品

教材编写者的设计，在《机械摆钟》的教学中，引领学生建立“同一个摆，在自由摆动过程中，其快慢是不变的”的概念，而没有涉及摆的摆动快慢与什么因素有关的问题。我觉得将可能影响摆的摆动快慢的摆幅大小、摆锤重量、摆绳长短等三个因素全部放在《摆的研究》中去探究，不但课时容量太大，不易重复实验；而如果采用教科书的设计，将摆幅这一因素通过讨论，把它排除出去，又不符合实证原则。

因而我认为，可以将“摆幅大小是否对摆的摆动快慢有影响”的探究，融合镶嵌在“摆在自由摆动过程中，快慢是否会发生变化”这一探究的过程中。如可以在“每隔10秒钟记录一次摆动的次数”时，增加一项观察内容，就是摆动的幅度是否发生了变化。即将观察记录表从表1（教科书提供）改成表2即可。

表1              摆动次数的观察记录

0～10秒
10～20秒
20～30秒
30～40秒
摆动次数

表2             摆动次数的观察记录

0～10秒
10～20秒
20～30秒
30～40秒
摆动次数

摆幅大小

在实际教学中，通过对各实验组表2中数据的汇总与分析，自然就能获得“摆幅大小与摆的摆动快慢无关”的科学认识。这样一来，看似上述认识来自研究摆的等时性研究的副产品，实际上不但避免了脱离观察数据，用思辨揭示科学规律的弊端，而且为在《摆的研究》教学中，集中探究摆锤重量、摆绳长短是否对摆动快慢产生影响打下坚实的基础。

二、与摆绳关系，多次重复观测的结晶

在排除了摆幅大小与摆动快慢的关系后，我们就可以引领学生集中探究摆锤重量、摆绳长短是否与摆动快慢有关，如果有关，又是怎样的关系的问题了。由于在《机械摆钟》“摆在自由摆动过程中，快慢是否有变化”的探究时，各个小组都观察记录过自己制作的摆，在一定时间内，如10秒、20秒、30秒、40秒的摆动次数（教科书设计安排），因此，在《摆的研究》教学的起始阶段，我们只要让学生回顾各组不同的观察数据，学生自然会发现“摆的摆动快慢是否与摆锤重量、摆绳长短有关”这样一些新的探究问题。

接下来的探究活动，只要引导学生通过比较规范的实验（图1、图2），忠实地记录好表3、表4，最后经过对数据的汇总、分析，就不难获得相应的科学认识，建立起初步的概念：摆的摆动快慢与摆绳有关，摆绳越长，摆动越慢，摆绳越短，摆动越快；而与摆动幅度、摆锤重量无关。

　　　　　　　　　图1　　                                图2

表3              15秒内摆动次数记录表

原来重量
两倍重量
三倍重量
第一次

第二次

第三次

表4             15秒内摆动次数记录表

原来绳长
两倍绳长
三倍绳长
第一次

第二次

第三次

由于我们通常把一个班级的学生分成12个实验小组，汇总后的数据，就相当于全班重复进行36次实验，因此，学生完全有理由根据科学探究的实证原则得出摆的摆动快慢与摆绳长度有关，摆绳越长，摆动越慢，摆绳越短，摆动越快；而与摆动幅度、摆锤重量无关”的“正确”认识，从而建立起自己的“科学概念”。当然这个概念相对于真正的，关于摆的摆动快慢的科学概念，还是相当模糊、笼统的。

三、与摆长关系，旧概念失灵的新解释

学生经过《摆的研究》，已经建立起有关摆的摆动快慢的初步概念，但是这个概念还是十分模糊的、笼统的概念，不是真正的科学概念。可是学生们却觉得自己已经发现科学规律，要是没有与此不相符的事实、数据摆在他们面前，就很难促使学生在这一认识的基础上有所突破，建立起真正的科学概念。

正因为如此，在《摆的研究》教学之后，《做一个钟摆》的起始阶段，我们完全有必要引导学生设计这样的实验：以较短的（如5厘米）、相等的摆绳，用长短不一、且差别较大的（如分别为10厘米和30厘米），粗细、质地相同的条形物做摆锤，做成摆绳相等的两个摆（图1），进行实验并用表5观察记录它们的摆动快慢。 

　　　　　　　　　　　　图3

表5         15秒钟内摆动次数记录

1号摆（摆锤长30厘米）
2号摆（摆锤长10厘米）
第一次

第二次

第三次

实验的结果，实验数据肯定具有高度的一致性，即1号摆的摆动比2号摆的摆动要慢。可以想象，在这样的事实和数据面前，学生受到了多么强烈的冲击，产生多么大的困惑：用摆绳长度来解释，摆绳是相等的呀，应该是这两个摆动快慢也相同才对呀！用摆锤重量来解释，那么根据前面的研究，摆动快慢与摆锤重量无关的呀。这时我们就可以因势利导，引导学生将摆动快慢的概念，修正为“摆的摆动快慢与包括摆绳和摆锤总长度的摆长有关，摆长越长，摆得越慢，摆长越短，摆得越快。”

四、摆长是什么，建立真正的科学概念

当学生觉得自己终于发现了，是摆长影响摆的摆动快慢的科学规律时，我们就应该引导他们设计更能进一步揭示科学规律的实验，使其在事实和数据面前，认识到经过修正的概念，还存在着难于克服的缺憾，它还不是真正的科学规律，必须搜集更丰富的证据，再次对概念加以修正，最终揭示关于摆的摆动快慢的科学规律，在自身的认识上建立起真正的科学概念。

例如可以取一个较重的、有孔的金属圆片，并将它挂在原来当作摆锤的30厘米长的条形物的下端稍上的位置，使其下缘与条形物下端平齐（图4），进行表6所提示的操作，并将表6记录完整。

　　　　　　　　图4      

表6 15秒钟摆动次数记录表

没有金属圆片的摆
加上金属圆片的摆
第一次

第二次

第三次

实验结果当然是加上金属圆片的摆的摆动比没有金属圆片的摆要慢。这又是什么原因引起的呢？为什么摆长没有改变，而摆动快慢却改变了呢？唯一的解释是，问题出在这金属圆片上，它的出现，虽然没有改变摆的长度，但是实实在在地改变了摆的重心位置。那么，摆的重心位置是否真的对摆的摆动快慢产生影响呢？当学生产生这样的疑问时，正是我们引导学生更进一步地设计实验进行探究的最佳时机。

故而我们可以引导学生设计这样的实验，来验证学生的假说：在条形物的不同位置加上金属圆片（图5），进行比较，并完成表7的记录。

　　　　　　　　　　　　　　　图5

表7　15秒钟内摆动次数记录
金属圆片在条形物上的位置
10厘米处
20厘米处
30厘米处
第一次

第二次

第三次

同样情况，实验结果一定是出现一边倒的现象，即金属圆片挂得越高，摆动次数越多。到这里，我们就可以水到渠成地引导学生，获得关于摆的摆动快慢与什么因素有关的正确认识，构建学生自己的，清晰的，而不是模糊的，准确的，而不是笼统的科学概念，特别是对所谓“摆长”进行重新的认识或定义。即我们这里所说的摆长，并不是简单意义上的，摆的上端到下端的距离，而是特指摆的上端到摆的重心的距离。

同时引导学生认识，用重新定义的摆长，就能解释我们发现的有关摆的摆动快慢实验时发现的现象观察获得的数据：在第二轮的实验中（图2），之所以能够用“摆绳长度”来解释摆的摆动快慢，是因为在此轮实验中，摆绳的长度几乎就等于是摆的上端到摆的重心的距离的缘故；在第三轮的实验中（图3），之所以能够用“摆长”来解释摆的摆动快慢，是因为无论是用摆的上端到下端的距离来度量，还是用摆的上端到摆的重心来度量，都没有改变两个摆彼此之间的长短关系。

引领学生经历如上所述的探究过程，其教学价值在于：不但使他们不断地遇到认知冲突，产生探究的欲望，促使自身在整个学习过程中处于积极地、主动状态之中，顺利地达成教学目标，主动构建起真正的科学概念。更重要的教学价值在于：使学生体验到，一条科学规律的揭示，一个科学概念的建立，并不是通过一次实验就能做到的，而是要用一次又一次更精确、更有针对性的实验来搜集更丰富的证据，并对已有的解释做出一次次的修正，才能对客观事物获得准确的认识，最终揭示科学规律，建立科学概念；并在此基础上，实现对科学科学本质的认识。