鄭其豐

摘 要：本文以“動能和動能定理”的教學設計為例，就在課堂教學中如何系統(tǒng)利用教材內(nèi)容與學生的原有認知，利用問題導引、情境設置等方式引導學生進行積極有效的思考，促生思維型課堂，提高教學效率進行了嘗試與探究。

關鍵詞：動能；動能定理；原有認知；思維型課堂

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2015）12-0028-4

依據(jù)建構主義理論，物理知識是學生個體經(jīng)驗的合理化，學習是學生積極主動建構的過程，是不斷對原有的認知進行評價與不斷完善的過程，可見對于學習者來說，先前的經(jīng)驗和知識是很重要的?？v觀新課程標準教材的內(nèi)容編排，在《機械能》這一章中充分考慮了學生認知水平的發(fā)展，內(nèi)容由淺入深，難度由易到難，結構由基礎概念到綜合應用。因此，教師在新課教學中不能割裂教材內(nèi)容之間的聯(lián)系，要充分利用教材前面知識與學生的原有認知，創(chuàng)設合理的物理情境、物理問題，讓學生積極參與到課堂中來，利用舊的知識尋找新知識的生長點，促進學生思維水平的發(fā)展，讓學習過程建立在學生自主活動及經(jīng)歷情感體驗的基礎上，真發(fā)揮學生的主體作用，使教學更有效。下面結合“動能 動能定理”的具體課例談談如何在物理課堂教學設計中滲透這一理念。

1 設計思想

1.1 指導思想

本節(jié)課教學設計通過“提出問題—猜想假設—理論分析—實驗驗證”，引導學生進行有效思考，充分挖掘?qū)W生已有的知識，尋找新的知識生長點，使學生在學習中體驗科學探究過程，領會科學探究方法，在掌握知識與技能的過程中受到情感態(tài)度與價值觀的熏陶，努力體現(xiàn)新課程的三維目標。

1.2 設計特色

在學法上突出以學生為主體的特點，尤其關注學生認知結構的層次，充分利用學生原有的認知，在課堂教學過程中引導學生進行積極有效地思考，運用評價手段不斷引導學生學習，較好地將新課程理念結合于教學實際中。其次，在課堂中采用多媒體課件作為輔助手段，創(chuàng)設物理情景，啟發(fā)引導學生，幫助學生建立形象直觀的認識，有利于調(diào)動學生學習的積極性。

2 教材分析

本章前面幾節(jié)介紹了動能與功的概念，明確了功與能量轉化的關系，并通過實驗探究了功與速度變化的關系，因此本節(jié)內(nèi)容在《機械能》這一章中起到了承上啟下的作用。通過動能定理的推導使學生既深化了對“功”概念的理解，又加深了對“功是能量轉化的量度”的認識，通過動能定理的學習更進一步拓展了在具體問題中求功的思路，為機械能守恒定律的學習打下了基礎，為功能關系問題提供了思路，動能定理的應用甚至是貫穿了高中階段大部分的物理知識，因此本節(jié)內(nèi)容是本章的關鍵內(nèi)容也是重點內(nèi)容。

3 學情分析

本節(jié)課之前學生已有的知識結構：1.學生有生活中的體驗，如運動的汽車發(fā)生碰撞會損壞，高速運動的子彈能擊穿木塊等……認識到運動的物體具有能量；2.必修一“牛頓運動定律”的學習后認識到可以通過物理量與單位之間的關系來初步判斷某個表達式是否正確；3.第1節(jié)“追尋守恒量——能量”已經(jīng)給出動能的概念，學生知道物體由于運動而具有的能量叫動能；4.第2節(jié)“功”使學生認識到能量及其轉化的認識與功的概念緊密相連，功的計算常常能夠為能量的定量表達與能量的轉化提供分析的基礎；5.第4節(jié)“重力勢能”的學習過程使學生不僅知道重力勢能的大小與什么因素有關，還能定量表述重力勢能的大??；6.第6節(jié)實驗“探究功與速度變化的關系”探究得到合外力對物體做的功與物體速度的平方成正比。

本節(jié)課之前教材內(nèi)容的編排已為學生探究動能和動能定理的表達式做了許多的鋪墊，這些內(nèi)容是相互聯(lián)系相輔相成的，因此在“動能 動能定理”教學中有必要把這些內(nèi)容充分聯(lián)系起來，根據(jù)學生已有的認知結構，創(chuàng)設有序探究互動，引導學生進行有效思維，促生思維型課堂，提高學生認知結構構建的有效性。

4 教學目標

根據(jù)上述對教材和學習者情況的分析，確定本節(jié)課教學目標如下：

4.1 知識與技能

①理解動能的確切含義和表達式；②理解動能定理及其推導過程、理解其物理意義；③鍛煉學生對物理過程分析、探究和理論推導的能力。

4.2 過程與方法

①設置問題推動學生思考，讓學生探索解決問題的方法；②讓學生經(jīng)歷探究過程，嘗試探究的方法及途徑。

4.3 情感態(tài)度與價值觀

①通過動能表達式的推導，培養(yǎng)學生的科學探究的興趣；②通過探究培養(yǎng)合作精神和積極參與的意識；③領略自然規(guī)律的奇妙和諧，培養(yǎng)好奇心與求知欲使學生樂于探索。

5 教學重點和難點

①理解動能的物理意義及動能的表達式；②理解動能定理的物理意義。

6 教學過程

6.1 創(chuàng)設情景，喚起舊識

利用真實照片“高速運動的賽車”“子彈擊穿蘋果”創(chuàng)設情境，學生看圖回憶本章第1節(jié)給出的動能的定義。

設計說明：利用教科書本章第1節(jié)動能定義，引入過程科學、自然，達到開門見山，直奔主題的效果，能使學生較快進入課堂學習狀態(tài)。

6.2 創(chuàng)設實驗，感知影響動能大小的因素

創(chuàng)設實驗再現(xiàn)初中進行過的探究過程如圖1所示：

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圖1 探究影響動能大小因素實驗示意圖

（1）質(zhì)量不同的小球從同一高度靜止釋放，重的球把木塊撞出的距離遠，可見動能與物體質(zhì)量有關，物體質(zhì)量大，動能大；

（2）質(zhì)量相同的球從不同高度靜止釋放，高處釋放的球撞擊木塊時速度大，把木塊撞出的距離也遠，可見動能與物體的速度有關，速度大，動能大。

設計說明：實驗的可視性與真實性強，使學生對于影響動能大小的因素印象深刻，為下一步探究動能表達式奠定基礎。

6.3 類比引導，激發(fā)探尋新知的欲望

類比之前重力勢能的學習，不僅知道重力勢能的大小與什么有關，還能具體定量計算重力勢能的大小，引導學生繼續(xù)探究動能的定量表達式。

設計說明：通過類比引導，即能為學生發(fā)現(xiàn)新的問題提供思路，也能激發(fā)學生探究動能表達式的欲望，起到承上啟下的作用。

6.4 探究互動，尋找動能表達式

（1）猜想假設

根據(jù)現(xiàn)有認知結構，知道物體的質(zhì)量越大、速度越大，動能就越大，可以猜測動能表達式中肯定有物體質(zhì)量m與物體速度v的存在。依據(jù)這個思路，學生猜測動能表達式可能為EK=kmv2、 EK=kmv？、EK=km2v……或許還有更復雜的表達式。

設計說明：充分展現(xiàn)學生的思維活動，不同的猜測體現(xiàn)了學生不同的思維水平，反應學生面對物理問題時的思維品質(zhì)，同時也揭露不同學生所處的不同認知結構。

（2）理論分析

力學單位制的學習給我們一個啟示：根據(jù)物理量單位之間的關系，可以粗略判斷某個表達式是否正確?；谶@個思路引導學生進行有效的思維，利用已有知識尋找動能的單位，并在提出的猜想假設中尋找到動能的表達式可能為EK=kmv2，其中k為比例系數(shù)。

設計說明：學習物理的最終目的是規(guī)律的應用，解決實際的物理問題，應用之前的物理知識來解決現(xiàn)在的問題，讓學生體會到物理是有用的，激發(fā)繼續(xù)學習物理的興趣。

（3）實驗驗證

通過本章第2節(jié)“功”的學習，認識到能量及其轉化的認識與功的概念緊密相連，功的計算常常能夠為能量的定量表達與能量的轉化提供分析的基礎，依據(jù)這個思路我們通過研究做功的多少來尋找動能的表達式。利用照片創(chuàng)設真實情境展示“猴子從樹上靜止掉下”，師生共同簡化猴子下落過程，抽象出理想化的過程模型——自由落體運動，共同分析重力勢能與動能的變化關系，從中可知在這個過程中：

“重力勢能變化=WG=動能變化”。

學生利用已掌握的勻變速直線運動規(guī)律與功的計算公式計算下落過程重力做功：

W■=mgh=mg·■=■m（v■■-v■■）=■mv■■-■mv■■，進一步看成是wG=表達式B-表達式A，結合之前的兩個認識 “重力勢能變化=WG=動能變化”與“EK=kmv2”，易得動能的表達式：EK=■mv2。

設計說明：任何物理規(guī)律、表達式的推導應該是依據(jù)學生的認知水平，通過選擇教學素材，選擇教學方式，創(chuàng)設有效的物理情景將學生的認知結構一步一步地有序完成構建，這個過程是水到渠成而不是拔苗助長。通過“猜想—假設—分析—驗證”，能讓學生真正體會科學探究的過程，發(fā)現(xiàn)規(guī)律，體驗成功的樂趣。

6.5 具體實例，加深動能的理解

由動能表達式可見物體的質(zhì)量越大、 速度越大，動能也就越大，反證之前動能大小與什么因素有關的認識完全一致。

案例 網(wǎng)球的質(zhì)量0.2 kg，速度為100 m/s，運動員質(zhì)量50 kg，某時刻跑步速度5 m/s。比較兩者誰動能大？

設計說明：通過具體實例讓學生熟悉動能表達式，理解動能的物理意義，知道動能是標量，只有大小沒有方向。

6.6 探究互動 尋找動能定理表達式

（1）回顧實驗 發(fā)現(xiàn)問題

創(chuàng)設圖片情境“探究合外力做功與速度變化關系”實驗裝置如圖2所示，學生回憶實驗裝置用途，知道實驗過程的重要步驟——平衡摩擦力，并知道平衡摩擦力的原因是為了保證小車受到橡皮筋的拉力是小車受到的合外力。

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圖2 探究合外力做功與速度變化關系實驗裝置圖

創(chuàng)設圖片情境“探究合外力做功與速度變化關系”實驗結果圖像如圖3所示，引導學生變換坐標，從中看出外力做功能使得小車的動能增加。引導學生探究合外力做功與小車動能變化的數(shù)量關系。

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圖3 探究合外力做功與速度變化關系實驗圖

（2）抽象模型 解決問題

簡化實驗裝置，構建物理模型，設置理想條件：橡皮筋拉力為恒力共同探究合外力做功與物體動能的具體關系，結合勻變速規(guī)律計算可得：

FL=■mv2，進一步分析將FL=■mv2改寫得到動能定理的表達式：

W合=FL=■mv■■-■mv■■。

設計說明：通過已有問題發(fā)現(xiàn)新的問題，并利用現(xiàn)有知識結構來解決發(fā)現(xiàn)的問題，不僅體現(xiàn)學生發(fā)現(xiàn)問題的能力，更鍛煉學生抽象物理模型解決物理問題的能力，滿足高中物理新課標強調(diào)的培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神和實踐能力的目標。

6.7 分析過程，明確表達式意義

引導學生認識到動能定理是針對于物體運動的某一個過程，W合是合外力對物體所做的功或外力做功之和，■mv■■是運動過程中末狀態(tài)的動能，■mv■■是運動過程中初狀態(tài)的動能。合外力對物體做正功，物體動能增加，合外力對物體做負功，物體動能減小。

設計說明：通過簡單的分析讓學生對合外力做功與動能變化的關系有更明確的認識，同時弄清動能定理公式表達中各物理量的對應關系，為下一步總結運用動能定理解決問題的思維策略打下基礎。

6.8 實例應用，總結思維策略

案例1 一架噴氣式飛機，質(zhì)量m=5.0×103 kg，起飛過程中從靜止開始滑跑的路程為s=530 m時，達到起飛速度v=60 m/s。在此過程中飛機受到的平均阻力是飛機重量的0.02倍（k=0.02）。求飛機受到的牽引力F？

過程說明：解題中注重解題規(guī)范的滲透與應用動能定理解決問題的思維策略的總結，總結如圖4所示：

案例2 如圖5所示軌道AC由半徑R=0.5 m的1/4圓弧軌道AB與水平軌道BC組成，小球質(zhì)量為1 kg，半徑遠小于軌道半徑，從A點靜止釋放，到達B點的速度為2 m/s，小球與軌道的摩擦系數(shù)均為0.2。求AB段運動過程中摩擦力對小球做的功？求小球在水平軌道前進的距離？

設計說明：通過實例應用與思維策略總結，使學生認識到動能定理也是一種求功的方法，特別是變力做功的求解，體會學以致用的快樂，激發(fā)學習物理的積極性。

7 評價與反思

1.本節(jié)課教學設計充分利用了學生的原有認知與教材前面的內(nèi)容，依據(jù)學生的認知結構精心設計問題梯度，激發(fā)學生的興趣，打開學生的思路。本節(jié)課的成功之處，就在于充分考慮學生的原有認知，在學生原有認知的基礎上建構科學知識，保持物理學科知識的系統(tǒng)性。

2.學生的思維具有開放性，學生面對問題時表現(xiàn)出來的反應不一定會與教師預設的方向保持一致。因此，教師需要在教學過程中進行合理的引導，精心設計問題情境，讓學生更容易理解和掌握教材內(nèi)容。比如，在猜測出動能的可能表達式后判斷表達式是否合理時，如果不經(jīng)提示學生不一定會想到用力學單位制來判斷表達式是否正確這條思維策略。

參考文獻：

[1]林崇德，胡衛(wèi)平.思維型課堂教學的理論與實踐[J]. 北京師范大學學報（社會科學版）2010，217（1）：29—36.

[2]梁旭.三維認知教學目標對教學的解釋與指導[J].物理教師，2014，35（2）：2—7.

（欄目編輯 李富強）