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。
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
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
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
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
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。
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。
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
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
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
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
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。