阮傳志

摘 要：“機械能守恒定律”是《機械能》一章教學的重難點知識，教學實踐中發(fā)現(xiàn)學生對守恒條件的理解和規(guī)律的應用都存在不少問題。本教學設計依據(jù)學習進階理論，通過優(yōu)化該規(guī)律的建立過程，以期取得良好的課堂教學效果。

關鍵詞：機械能守恒定律；學習進階理論；教學設計

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2017）3-0068-3

“機械能守恒定律”是《機械能》一章教學的重難點知識，教學實踐中發(fā)現(xiàn)學生對守恒條件的理解和規(guī)律的應用都存在不少問題。究其原因，在于學生對規(guī)律的建立過程不夠理解，尤其是對系統(tǒng)的研究或對有彈性勢能參與變化的情況認識不夠深刻。學習進階理論給我們提供了解決問題的思路，可以通過優(yōu)化規(guī)律的建立過程，取得良好的課堂教學效果。

“機械能守恒定律”是一節(jié)規(guī)律教學課，一般來說物理規(guī)律的教學過程包括以下4個有序的步驟：一是創(chuàng)設便于發(fā)現(xiàn)問題、探索規(guī)律的物理環(huán)境；二是帶領學生在物理環(huán)境中按照物理學的研究方法來探索物理規(guī)律；三是引導學生對規(guī)律進行討論；四是引導和組織學生運用物理規(guī)律。這一“步步為營”的教學思想，與學習進階理論不謀而合。學習進階理論認為學習是一種不斷積累、不斷發(fā)展的過程，學生對核心內容的理解不是一蹴而就的，而是需要經過許多個不同的中間水平。我們不妨稱這些中間水平為“階”，“階”是學生認知過程中的各個“臺階”，“階”的確定不只是基于知識的邏輯結構，而是由學習者和知識主客體共同決定的。正是一個個連續(xù)的“階”將學習的起點和終點連接起來。所以，學習進階不只是解決學習者認知發(fā)展路徑的問題，它要幫助學習者找到認知發(fā)展過程中用以“踏腳”的具體“臺階”，為學習者的認知發(fā)展過程提供支撐。在“機械能守恒定律”的課堂教學中，基于學習進階理論，依據(jù)學生已有的知識結構和能力特點設置進階起點，根據(jù)學生的認知能力和思維特點設置進階的策略和途徑，才能取得良好的課堂教學效果。

1 機械能概念的建立

這節(jié)課既有概念的理解又有規(guī)律的掌握，學生形成物理概念和掌握物理規(guī)律之間存在著不可分割的辯證聯(lián)系。一方面，形成物理概念是掌握物理規(guī)律的基礎，概念不清就談不上掌握規(guī)律；另一方面，掌握物理規(guī)律可以使我們從運動變化中，從物理對象與物理現(xiàn)象的聯(lián)系中去更深入地理解概念。

師：通過本章以上幾節(jié)課的學習，我們來回顧分析物理學發(fā)展史上一個著名的實驗——“伽利略理想斜面實驗”（如圖1所示）。

請同學們分析小球運動過程中不同形式的能量間的轉化情況，其中的守恒量可能是什么？

生：下降過程中，重力勢能轉化為動能；上升過程中動能轉化為重力勢能。動能與重力勢能的總和守恒。

師：我們已經認識了重力勢能、彈性勢能和動能，其中重力勢能和彈性勢能都是由相對位置決定的能量，統(tǒng)稱為勢能，勢能和動能統(tǒng)稱為機械能（如圖2所示）。

通過上面的定義關系可知，實驗中的守恒量是“機械能”。

2 重力勢能、彈性勢能和動能的相互轉化實例

重力勢能、彈性勢能和動能這些能量是有密切聯(lián)系的，可以相互轉化。

師：請同學們思考并舉出實例，完成表1。

（教師引導，學生思考并完成表1）

3 對應力做功實現(xiàn)不同形式機械能的相互轉化分析

（教師引導學生對上述實例進行功能關系的分析）

生：重物自由下落，通過重力做功，實現(xiàn)重力勢能向動能的轉化；重物自由上拋，通過克服重力做功，實現(xiàn)動能向重力勢能的轉化。

輕彈簧推開光滑水平面上的物體，通過彈力做功，實現(xiàn)彈性勢能向動能的轉化；水平面上的物體壓縮輕彈簧，通過克服彈力做功，實現(xiàn)動能向彈性勢能的轉化。

重物自由下落到輕彈簧上，通過重力做功和克服彈力做功實現(xiàn)重力勢能和彈性勢能及動能的相互轉化；輕彈簧彈起重物，通過彈力做功和克服重力做功實現(xiàn)彈性勢能和重力勢能及動能的相互轉化。

4 不同形式的機械能轉化過程中功能關系的研究

物理規(guī)律的獲得主要有兩種途徑：一是直接從實驗結果中分析、歸納、概括而總結出來，即實驗歸納法；另一種途徑是利用已有概念和規(guī)律，通過邏輯推理或數(shù)學推導，得出新的規(guī)律，即理論分析法。機械能守恒定律可以通過如下的理論分析法建立。

師：引導學生在對上述實例功能關系的分析基礎上寫出對應的功能關系式及相關結論。

（1）重力勢能←→動能（如圖3所示）

（2）彈性勢能←→動能（如圖4所示）

（3）重力勢能、彈性勢能←→動能（如圖5所示）

5 機械能守恒定律的規(guī)律總結

對規(guī)律的文字表述的引出，必須在學生對有關問題進行分析、研究，并對它的本質有相當認識的基礎上進行，切不可在學生毫無認識或認識不足的情況下“搬出來”，“灌”給學生，然后再逐字逐句解釋和說明。這種做法，離開了認識的基礎，顛倒了認識的順序，學生不知道規(guī)律是怎么得來的，也不可能理解它的真正含義。

（教師引導學生對上述結論進行分析、歸納，得出結論）

生：E =E

師：這個結論在什么情況下成立呢？

生：在只有重力做功（如果含有彈簧的系統(tǒng)，在只有重力和彈簧彈力做功）的情形下 （板書）：

E =E

（E' +）E +E =（E' +）E +E

師：規(guī)律常見的表達式為：

（E' +） mv +mgh =（E' +） mv +mgh

師：“在只有重力做功（如果含有彈簧的系統(tǒng)，在只有重力和彈簧彈力做功）的情形下”稱之為“守恒條件”，使用該規(guī)律前，要以此判定規(guī)律是否適用。由于重力勢能的存在，所以應用該規(guī)律時，要選取“零勢能面”。

6 機械能守恒定律的簡單應用

師：請同學們應用該定律解答如下問題。

（引導學生分析研究對象、守恒條件、規(guī)律應用的注意事項，解題過程略。）

例1 如圖6所示，原長為L的輕質橡皮筋下系一質量為m的小球，橡皮筋上端固定在O點，小球可以在豎直面內擺動，不計空氣阻力，當小球從擺角為θ的位置由靜止運動到最低點的過程中，小球的機械能是否守恒？

例2 上題中，若橡皮筋換成細線，求小球在最低點時，細線對小球的拉力。

7 課堂小結

師：弄清研究對象，分析物理過程是否滿足守恒條件，巧妙選取“零勢能面”，規(guī)范應用規(guī)律，正確解答問題。

師：回顧表達式

（教師回顧例題分析解題過程）

參考文獻：

[1]閻金鐸，田世昆. 中學物理教學概論[M].北京：高等教育出版社，1994：215-235.

[2]何春生，郭玉英. 基于學習進階的課堂教學設計與實踐[J].物理教師，2016，37（10）：23-26.

（欄目編輯 鄧 磊）