基于物理核心素養(yǎng)優(yōu)化規(guī)律課教學(xué) -以機械能守恒定律教學(xué)設(shè)計為例

基于物理核心素養(yǎng)優(yōu)化規(guī)律課教學(xué)——以機械能守恒定律教學(xué)設(shè)計為例〔〕:

摘要：本文以機械能守恒定律為例，提出物理核心素養(yǎng)下規(guī)律課優(yōu)化設(shè)計思路，以遵循學(xué)生認(rèn)知開展為主線，采用探究式的教學(xué)方法，保證學(xué)生主體地位，理論探究機械能守恒，引導(dǎo)學(xué)生從整體化角度對規(guī)律進(jìn)展探究，深化理解機械能守恒本質(zhì)，培養(yǎng)轉(zhuǎn)化與守恒觀念，鍛煉思維才能，進(jìn)步物理核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：機械能守恒定律；理論探究；物理核心素養(yǎng)

本文引用格式：馮亞儒.基于物理核心素養(yǎng)優(yōu)化規(guī)律課教學(xué)以機械能守恒定律教學(xué)設(shè)計為例[J].教育現(xiàn)代化,2022,6(62):240-242.

新修訂的高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)將之前的三維課程目的提煉與升華為物理核心素養(yǎng)。物理核心素養(yǎng)是指學(xué)生在承受物理教育過程中逐步形成的適應(yīng)個人終身開展和社會開展需要的必備品格和關(guān)鍵才能，是學(xué)生通過物理學(xué)習(xí)內(nèi)化的帶有物理學(xué)科特性的品質(zhì)，是學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要構(gòu)成【1】。物理核心素養(yǎng)主要由"物理觀念";"科學(xué)思維";"科學(xué)探究";"科學(xué)態(tài)度與責(zé)任";四個方面的要素構(gòu)成。機械能守恒定律是學(xué)生在高中階段接觸的第一個具有守恒思想的定律，守恒思想在整個高中物理模塊中具有非常重要的作用。由于沒有認(rèn)知根底，機械能守恒定律的設(shè)計更需要遵循學(xué)生認(rèn)知開展規(guī)律，在理論探究中浸透物理觀念，培養(yǎng)科學(xué)思維、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任，進(jìn)而進(jìn)步物理核心素養(yǎng)。

一教材分析

人教版?機械能守恒定律?一節(jié)，以單擺模型進(jìn)展引入，接著列舉物體自由落體或沿光滑斜面滑下，指出動能與勢能互相轉(zhuǎn)化，接著定義機械能，并以物體沿光滑曲面滑下為例，理論探究機械能守恒，得出機械能守恒定律。

設(shè)置單擺運動情景時，小球受力復(fù)雜，動能、勢能的變化較為抽象，學(xué)生很難將二者建立轉(zhuǎn)化聯(lián)絡(luò)。但假設(shè)設(shè)置物體自由落體情景，速度、高度的變化是這一運動狀態(tài)的表觀現(xiàn)象，更容易引起學(xué)生對二者之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系的猜測，倘假設(shè)學(xué)生可以從簡單的運動狀態(tài)背后覺察物理量之間的關(guān)聯(lián)，那么更加有利于學(xué)生建立物理觀念，鼓勵學(xué)生多觀察身邊事物，時刻從物理學(xué)角度觀察身邊事物，進(jìn)步物理核心素養(yǎng)。

由觀察自由落體或光滑斜面下滑運動的物體，發(fā)現(xiàn)重力勢能減小，動能增大，直接得出重力勢能轉(zhuǎn)化為動能的觀點有些牽強，事實上，并沒有直接的證據(jù)可以說明這一轉(zhuǎn)化過程，因此，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)展猜測，假設(shè)二者之間具有某種轉(zhuǎn)化關(guān)系，更加符合邏輯，也更適于學(xué)生的思維特點。

對于理論探究機械能守恒定律，教材中的推導(dǎo)過程未能表達(dá)守恒的本質(zhì)，保守力做功是動能勢能互相轉(zhuǎn)化的根本原因。機械能本身并不守恒，只是系統(tǒng)不與外界進(jìn)展能量交換，系統(tǒng)內(nèi)部任意狀態(tài)下的機械能才守恒。

二學(xué)情分析

高一的學(xué)生之前已經(jīng)對能量、功、動能定理有了一定的認(rèn)識根底，因此用原有知識通過公式變換對機械能守恒進(jìn)展理論探究符合學(xué)生的認(rèn)知開展規(guī)律。高中學(xué)生尚處于由"形象思維和感性思維";向"抽象思維和理性思維";的過渡時期【2】，而機械能守恒過于抽象，守恒思想又是學(xué)生第一次接觸，但這一思想貫穿于整個高中的物理學(xué)習(xí)，對于學(xué)生物理程度的進(jìn)步極為重要，學(xué)生學(xué)習(xí)難免有些吃力，因此，通過探究引導(dǎo)學(xué)生深化理解守恒的本質(zhì)，建立"守恒";和"轉(zhuǎn)化";的觀念是本節(jié)學(xué)習(xí)的重點。

三教學(xué)目的

物理觀念：從能量的角度理解機械能守恒定律中能量的永久不變，深化理解機械能守恒的本質(zhì)，可以從動能勢能等量轉(zhuǎn)化的角度理解機械能守恒，建立能量"守恒";和互相"轉(zhuǎn)化";的物理觀念。

科學(xué)思維：理解機械能可以守恒的原因，明白建立能量守恒定律的整個理論推導(dǎo)過程，可以運用整體思維對運動狀態(tài)進(jìn)展分析。

科學(xué)探究：可以純熟運用動能定理、動能、勢能公式對機械能守恒定律進(jìn)展理論探究。

科學(xué)態(tài)度和責(zé)任：進(jìn)階地探究機械能守恒定律，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)研究態(tài)度，培養(yǎng)社會使命感。

四教學(xué)過程

〔一〕創(chuàng)設(shè)情境，引發(fā)認(rèn)知沖突

"球碰鼻子";魔術(shù)：一位同學(xué)將擺球拉到教師鼻尖處，教師保持頭部不動，然后學(xué)生放手，擺球返回時最高點時剛好碰到鼻尖。

設(shè)計說明：通過創(chuàng)設(shè)魔術(shù)情境，將同學(xué)們帶入神奇的未知世界，與原有認(rèn)知產(chǎn)生沖突，充分調(diào)動起學(xué)生對本節(jié)課的學(xué)習(xí)興趣，鼓勵學(xué)生積極探究，體會物理學(xué)習(xí)重要性。

〔二〕提出問題，引入新課

教師演示：小球從高處下落。

問：觀察到小球狀態(tài)有何變化〔速度變大，高度變小〕，速度與高度之間是否存在某種變換？假設(shè)存在交換，是等量代換還是差量代換？

設(shè)計說明：動能和勢能之間的轉(zhuǎn)換是極為抽象的，遠(yuǎn)沒有速度和高度的變換來的直觀，高中階段的學(xué)生第一次接觸守恒知識，很難建立起動能勢能之間可以互相轉(zhuǎn)換的邏輯聯(lián)絡(luò)，而通過先將速度、高度這種表觀的物理量建立起聯(lián)絡(luò)，再進(jìn)一步明確動能、勢能的互相轉(zhuǎn)化，更符合學(xué)生認(rèn)知開展，增強定理可信度，培養(yǎng)學(xué)生縝密的思維，浸透物理觀念。

〔三〕驗證猜測，探究守恒

1.教師帶著下的理論探究

得出機械能守恒。

設(shè)計說明：首先，這個表達(dá)式直觀地說明了動能、勢能之間的轉(zhuǎn)化是等量的，即等速度換等高度，接著定義動能、勢能統(tǒng)稱為機械能，進(jìn)而得到了機械能守恒。學(xué)生運用以前學(xué)習(xí)過的公式進(jìn)展變換的過程是"同化";過程，定義機械能，學(xué)生承受新信息，完成"順應(yīng)";過程，在"同化";與"順應(yīng)";的交替之中完成機械能守恒定律知識構(gòu)建【3】。這一過程也表達(dá)了邏輯推理的強大力量，幫助學(xué)生建立物理觀念，培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。其次，從功能關(guān)系的角度來看，這一式子也說明了引起動能、勢能互相轉(zhuǎn)化的原因是重力做功，勢能包括重力勢能和彈性勢能，因此，在只有重力或彈力做功的物體系統(tǒng)內(nèi)，動能、勢能互相轉(zhuǎn)化，機械能保持不變。也再次印證邏輯的力量，明確了"守恒";的本質(zhì)，表達(dá)了"功是能量轉(zhuǎn)化的量度";。再次，強調(diào)理論推導(dǎo)所選取的狀態(tài)為任意的，使論證更具有說服力，定理更具有普遍性。由于學(xué)生首次進(jìn)展動能、勢能的轉(zhuǎn)化，難免無從下手，教師帶著下對機械能守恒的理論推導(dǎo)很好地完成了學(xué)生認(rèn)知的"被組織";過程，啟發(fā)學(xué)生接下來更好地完成機械能守恒定律的多情況推導(dǎo)。

2.學(xué)生分組理論探究。

科學(xué)探究不僅是指實驗探究，理論探究也是科學(xué)探究的一種非常重要的形式，讓學(xué)生運用所學(xué)的動能定理、動能、勢能表達(dá)式理論探究自由落體運動、平拋運動、圓周運動、光滑斜面上滑動這四種情形下的小球任意狀態(tài)下動能、勢能的等量轉(zhuǎn)化，由學(xué)生們?nèi)グl(fā)現(xiàn)和總結(jié)只有在重力做功的情況下，動能和重力勢能的轉(zhuǎn)化才是等量的。

設(shè)計說明：建構(gòu)物理模型，學(xué)生自行推導(dǎo)不同情形下的機械能守恒問題，發(fā)現(xiàn)規(guī)律，自主到達(dá)"平衡";過程。整個過程是"自組織";過程，鍛煉了學(xué)生自主探究才能，表達(dá)了學(xué)生的主體地位。通過比照鮮明的多種物理模型，更直觀地發(fā)現(xiàn)內(nèi)部規(guī)律，學(xué)生親自完成科學(xué)探究過程，是培養(yǎng)核心素養(yǎng)的重要途徑，既保證了學(xué)生主體的地位，也表達(dá)了教師的主導(dǎo)作用。

〔四〕拓展探究，完善定律

機械能守恒定律不僅包含只有重力做功這一條件，還包含只有彈力做功或重力、彈力都做功的條件。教師引導(dǎo)下學(xué)生自主地從理論上對程度放置的彈簧〔僅彈力做功〕，豎直放置的彈簧〔彈力、重力均做功〕在恢復(fù)原來狀態(tài)過程中任意兩處的機械能進(jìn)展探究，建立完好的定律體系。

〔五〕梳理知識，建構(gòu)完好體系

教師提問機械能守恒定律的內(nèi)容、條件、表達(dá)式，對本節(jié)知識進(jìn)展梳理，并對重點知識進(jìn)展強調(diào)，以教師為主導(dǎo)，以學(xué)生為主體，幫助學(xué)生建構(gòu)完好的守恒體系，鍛煉學(xué)生思維和表達(dá)概括才能，建構(gòu)物理觀念。

〔六〕解答課前疑問

教師提問，學(xué)生經(jīng)過考慮，從能量守恒角度破解魔術(shù)奧秘。

設(shè)計說明：在對整節(jié)知識進(jìn)展梳理后，學(xué)生已經(jīng)在腦海中構(gòu)建了完好的機械能守恒的知識體系，理論根底扎實，在此根底上對課前疑問進(jìn)展答疑，是對機械能守恒定律的穩(wěn)固和深化。

五總結(jié)與啟示

〔一〕遵循學(xué)生認(rèn)知開展規(guī)律，進(jìn)階式地進(jìn)展科學(xué)探究

教師在對某節(jié)課進(jìn)展處理和構(gòu)思前，要全面的理解授課對象的認(rèn)知根底，在全面掌握學(xué)生認(rèn)知情況的根底之上，對教材的不合理之處進(jìn)展大膽的變化和調(diào)整，設(shè)計出真正貼合學(xué)生思維的教學(xué)內(nèi)容。根據(jù)皮亞杰認(rèn)知開展理論，認(rèn)知才能的提升需要經(jīng)歷四個階段，圖示同化順應(yīng)平衡，對于一個新知識點的學(xué)習(xí)，學(xué)生是陌生的，承受起來難免有困難，教師假設(shè)可以準(zhǔn)確找到新舊知識之間的聯(lián)絡(luò)，巧妙地引導(dǎo)學(xué)生建立這種聯(lián)絡(luò)，以學(xué)生為主體，循序漸進(jìn)地，進(jìn)階地幫助學(xué)生實現(xiàn)前概念與新信息的平衡過程，就可以輕松地實現(xiàn)知識程度的提升，起到事半功倍的效果。

〔二〕建構(gòu)簡單的物理模型，開掘潛藏物理規(guī)律

簡單的事物中往往蘊藏許多復(fù)雜規(guī)律。建立簡單的經(jīng)典物理模型，不僅有利于學(xué)生對物體更直觀的分析，將探究過程簡化，而且通過這種"以小見大";的過程，誘導(dǎo)學(xué)生學(xué)會用物理的角度觀察事物，時刻用發(fā)現(xiàn)的眼睛尋找真理，有利于浸透物理觀念，培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度與責(zé)任，潛移默化中進(jìn)步/