朱靜

摘 要： 高中物理新課程要體現(xiàn)物理學(xué)科本質(zhì)，培養(yǎng)現(xiàn)代公民必備的物理核心素養(yǎng)，從物理觀念、科學(xué)思維、實驗探究和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任等方面深入挖掘和提煉科學(xué)育人的價值.本節(jié)“動能”教學(xué)設(shè)計通過真實情境引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)和提出問題，讓學(xué)生根據(jù)解決問題的需要，收集和選擇有用的信息，經(jīng)歷科學(xué)探究、科學(xué)推理和科學(xué)驗證的不斷完善的過程，逐步建構(gòu)知識，從中體會科學(xué)研究的方法，發(fā)展科學(xué)思維和科學(xué)探究能力.

關(guān)鍵詞： 動能;問題解決;核心素養(yǎng);知識建構(gòu)

1 理論基礎(chǔ)

1.1 新課程標(biāo)準(zhǔn)的理念

高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)基本理念指出引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，提倡教學(xué)方式多樣化.高中物理課程通過創(chuàng)設(shè)學(xué)生積極參與、樂于探究、善于實驗、勤于思考的學(xué)習(xí)環(huán)境，培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力.通過多樣化的教學(xué)方式，利用現(xiàn)代信息技術(shù)，引導(dǎo)學(xué)生理解物理學(xué)的本質(zhì)，整體認識自然界，形成科學(xué)思維習(xí)慣，增強科學(xué)探究能力和解決實際問題的能力[1].

1.2 布魯納的認知發(fā)現(xiàn)學(xué)說

布魯納認為，人的認識過程是把新學(xué)得的信息和以前學(xué)習(xí)所形成的心理框架聯(lián)系起來，積極的構(gòu)成他的知識的過程.在這個過程里面，個人把他的感覺資料和他的世界模式聯(lián)系起來，推論出一個關(guān)于外部事物的假設(shè)，然后用這個事物的一些性質(zhì)來驗證他的假設(shè).布魯納反對把人的認識過程看成一個在認識上被動的接受者，而把人的認識過程看成是一種積極的構(gòu)造過程[2].

1.3 建構(gòu)主義理論

建構(gòu)主義認為學(xué)習(xí)是一種個體主動參與的過程.世界是客觀存在的，但是對于世界的理解是由每個人自己決定的，個人是以自己的經(jīng)驗為基礎(chǔ)來建構(gòu)現(xiàn)實或解釋現(xiàn)實，個人的經(jīng)驗不同，對外部世界的理解也會不同.所以建構(gòu)主義者更關(guān)注如何在原有的經(jīng)驗基礎(chǔ)上來建構(gòu)新的經(jīng)驗.在建構(gòu)的過程中，不斷的通過同化和順應(yīng)實現(xiàn)對認知沖突的解決，達到新的平衡，從而促進認知的發(fā)展.所有的知識都是以先前的知識為基礎(chǔ)進一步發(fā)展而成的，并隨著知識基模和環(huán)境的互動而改變.[2]

1.3 科學(xué)概念理解的發(fā)展層級模型

北京師范大學(xué)物理系課程與教學(xué)論郭玉英教授提出的科學(xué)概念的發(fā)展層級模型見表1：

整合 學(xué)生能由核心概念統(tǒng)整對某一科學(xué)觀念（例如物質(zhì)觀念、能量觀念等）的理解，并建構(gòu)科學(xué)觀念間和跨學(xué)科概念（例如系統(tǒng)、尺度等）之間的聯(lián)系.

2 結(jié)合理論基礎(chǔ)進行的“動能”教學(xué)設(shè)計思路

2.1 讓學(xué)生在問題解決的過程中建構(gòu)知識

本節(jié)課在學(xué)生已有的動能概念和動能影響因素的基礎(chǔ)上提出問題：如何尋找動能和質(zhì)量、速度間的具體關(guān)系？通過分析生活中的實例引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)力對物體做功的過程中動能的大小發(fā)生改變，進而使學(xué)生認識到可以通過研究運動過程中力對物體做的功與物體動能變化量之間的關(guān)系來尋找規(guī)律，確定了研究的思路.首先設(shè)計實驗探究環(huán)節(jié)，讓學(xué)生獲得在實際情境中解決物理問題的體驗，形成把情境和知識相關(guān)聯(lián)的意識;在實驗事實的基礎(chǔ)上引導(dǎo)學(xué)生利用運動學(xué)公式和牛頓第二定律，用邏輯推理的方法進行理論研究，最后結(jié)合兩方面研究讓學(xué)生逐步建構(gòu)動能的概念，并認識到合力做功與動能變化量間的關(guān)系.

本節(jié)課核心問題框架如下（如圖1所示）：

2.2 基于進階的教學(xué)設(shè)計流程圖（如圖2所示）

3 “動能”教學(xué)實施過程及設(shè)計意圖

3.1 創(chuàng)設(shè)情境

教師：海水將貝殼沖到沙灘上、大風(fēng)將路邊的樹木吹歪（如圖3所示）.運動的物體具有對外做功的本領(lǐng)，說明運動的物體具有能量，物理學(xué)中把物體由于運動而具有的能量稱為動能.

提問：動能的大小和哪些因素有關(guān)呢？

學(xué)生：回顧初中所學(xué)過的動能的概念.動能的大小和物體的質(zhì)量、速度大小有關(guān).質(zhì)量相同時，速度越大，動能越大;速度相同時，質(zhì)量越大，動能越大.

【設(shè)置意圖】復(fù)習(xí)初中動能的概念，復(fù)習(xí)初中動能大小的影響因素.

3.2 分析確定研究思路

提問：如何比較圖4中兩個物體動能的大??？

學(xué)生：無法比較二者動能

教師：無法比較質(zhì)量和速度都不同的兩個物體的動能大小.我們還需要去尋找動能和質(zhì)量、速度之間的更加具體的關(guān)系.

提問：怎么來尋找呢？

教師演示：小球下落，下落過程中動能變了嗎？

學(xué)生：重力和阻力的作用，合力向下，使物體加速，動能變大.

教師：可以用牛頓定律的知識來解釋.換一個角度，物體下落的過程中重力、空氣阻力的合力對物體做功，物體動能發(fā)生了改變.

學(xué)生：舉出生活中力對物體做功使物體動能發(fā)生改變的實例.

確定研究思路：

力對物體做功，物體的動能變化→力對物體做功和物體動能關(guān)系→力對物體做功和物體速度關(guān)系

【設(shè)計意圖】通過問題設(shè)計，引出尋找動能與質(zhì)量、速度關(guān)系的必要性，引出本節(jié)課的主題.引導(dǎo)學(xué)生從力做功與動能變化關(guān)系的角度去研究問題.

3.3 實驗探究

教師：物理常用的研究方法有實驗探究和理論推導(dǎo)，下面來進行實驗探究.首先控制質(zhì)量不變，探究力對物體做功和物體速度關(guān)系.課堂上先選一個比較簡單、比較容易操作的運動情境來進行實驗探究.選什么樣的運動情境來研究呢？

學(xué)生：分析討論最后確定研究對象做落體運動.

提問：落體運動中需要測量哪些物理量？分別需要什么實驗儀器進行測量呢？具體實施方案是什么？

學(xué)生：（1）測量不同位置的物體速度;功不可以直接測量，可以測出重力、重力方向上下落的高度，計算出功.（2）測量速度用光電門，減少課堂上處理紙帶時間.（3）計算得出從初始釋放點到不同位置重力做的功，測量出不同位置的速度，分析數(shù)據(jù)，尋找規(guī)律.

【設(shè)計意圖】設(shè)計實驗探究的方案.

教師：物體下落過程中還不可避免的會受到空氣阻力，空氣阻力的影響不大的情況下可以把它忽略，這樣研究的運動情境就變成了自由落體.

【設(shè)計意圖】滲透“理想化模型”的物理思想.

教師介紹實驗裝置（五個傳感器并列固定在鐵架臺上如圖5所示），進行課堂實驗.

【設(shè)計意圖】進行實驗探究，給學(xué)生以直觀的體驗.

師生共同進行實驗數(shù)據(jù)處理.

學(xué)生：討論如何尋找W和v的關(guān)系，利用Excel表格處理 數(shù)據(jù)，最后得出W和v2成正比的關(guān)系（如圖6所示）.

提問：實驗得出的這個規(guī)律對你有什么啟發(fā)？

學(xué)生：動能的表達式中應(yīng)該有v2，而且力做的功W應(yīng)該還與質(zhì)量m有關(guān)，應(yīng)該再探究一下力做的功和質(zhì)量m的關(guān)系.

教師：改變下落物體的質(zhì)量m，得到多組實驗數(shù)據(jù)（如圖7、圖8所示）.觀察數(shù)據(jù)能發(fā)現(xiàn)什么規(guī)律？

學(xué)生：發(fā)現(xiàn)m越大，k越大，k近似的為m的1/2.

【設(shè)計意圖】利用傳感器進行實驗，能夠快速的得出不同位置的速度，在課堂上利用Excel進行數(shù)據(jù)處理，培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)據(jù)處理和分析的能力.通過實驗事實使學(xué)生認識到：w和v2平方成正比，而且比例系數(shù)和質(zhì)量m有關(guān).

3.4 理論推導(dǎo)

教師：由于實驗過程中阻力的存在，還有測量誤差的關(guān)系，無法得到一個精確的關(guān)系式，研究物理問題還有一種常用的方法是理論推導(dǎo)，試試從理論上推導(dǎo)看看會有什么收獲.

提出問題：理論推導(dǎo)自由落體過程中任意兩個位置之間重力做功W與m、v的關(guān)系（如圖9所示）.

教師：推導(dǎo)過程中如果需要用到其他的物理量可以先假設(shè)，最后要消掉.

學(xué)生：利用所學(xué)的運動學(xué)知識和牛頓定律的知識進行理論推導(dǎo)，推導(dǎo)出后找一個學(xué)生將推導(dǎo)過程在黑板上進行板書.

學(xué)生將表達式進行整理，把位置1的相關(guān)物理量和位置2的相關(guān)物理量分開寫，得出表達式：W= mv22/2- mv21/2

教師：這個關(guān)系又能給你帶來哪些啟發(fā)或思考呢？可不可以幫助我們找到動能與m、v的具體關(guān)系呢？

學(xué)生：因為力對物體做功，物體的動能在變化.而m和v剛好是動能的兩個影響因素， mv2/2這個量可以用來表示動能

教師：實驗探究的結(jié)果和理論推導(dǎo)的結(jié)果是一致的.

提問：自由落體運動物體只受一個力作用.如果物體同時受多個力的作用，哪個力的功等于物體動能的變化量？

學(xué)生：推導(dǎo)落體運動不忽略空氣阻力情況下，力做功與物體動能變化的關(guān)系.最后得出結(jié)論：這個過程中合力的功等于動能的變化量

【設(shè)計意圖】在實驗探究的基礎(chǔ)上進行理論推導(dǎo)，幫助學(xué)生在頭腦中建構(gòu)更完整更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹R體系.并進一步完善已有知識，得出規(guī)律：合力做的功等于動能的變化量.

3.5 小結(jié)

教師：這節(jié)課我們分別從實驗探究和理論推導(dǎo)兩個角度去尋找動能和m、v的具體關(guān)系，動能的表達式為：

Ek= mv2/2.

在這個尋找的過程中還發(fā)現(xiàn)了一個重要的規(guī)律，力對物體做的功和動能變化量的關(guān)系：

W= mv22/2- mv21/2.

3.6 拓展

（1）課后閱讀：查閱資料了解一下歷史上科學(xué)家們尋找動能表達式的過程.

（2）物體下落過程中重力勢能減少，動能增加，那總的能量如何？

4 教學(xué)反思

本節(jié)課實施后，結(jié)合課堂實施情況進行以下反思，并提出改進思路：

4.1 教師創(chuàng)設(shè)問題情境后如何更有效的引導(dǎo)

本節(jié)課不足之處：引入新課教學(xué)的環(huán)節(jié)中，教師提出了“如何比較質(zhì)量和速度都不一樣的兩個物體的動能的大小關(guān)系？”，學(xué)生回答出“無法比較”后，教師很快提出“這節(jié)課的主題為研究動能和速度、質(zhì)量之間更加具體的關(guān)系.”

【改進思路】教師在課堂上創(chuàng)設(shè)了某種情境，不應(yīng)直接提出要研究的問題，而應(yīng)讓學(xué)生在觀察后有所思考，引導(dǎo)學(xué)生進行科學(xué)的思維，自己提煉出應(yīng)該探究的科學(xué)問題.培養(yǎng)學(xué)生把生活中的真實情境和物理知識相關(guān)聯(lián)的能力.

4.2 小組討論學(xué)習(xí)的有效性

本節(jié)課不足之處：小組討論環(huán)節(jié)中由于老師的問題設(shè)計啟發(fā)性不足，導(dǎo)致有些學(xué)生在討論時思路不是很清楚;在小組討論后全班交流的環(huán)節(jié)，由于時間的關(guān)系沒有讓學(xué)生充分的暴露出自己的困惑.

【改進思路】教師應(yīng)盡可能的去引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)和提出問題，設(shè)計由淺入深的啟發(fā)式的問題引導(dǎo)學(xué)生思考，盡可能讓學(xué)生自己得出相應(yīng)的結(jié)論，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力;當(dāng)學(xué)生的結(jié)論中有錯誤時教師不要著急更正，而是讓學(xué)生充分暴露出自己的問題，引導(dǎo)再次討論和交流，在同伴的幫助下更正問題，培養(yǎng)學(xué)生的質(zhì)疑精神和解決問題的能力.

4.3 注意知識之間的融會貫通

本節(jié)課不足之處：在實驗探究環(huán)節(jié)中，利用Excel表格處理數(shù)據(jù)得出W和v2成正比的關(guān)系后，學(xué)生討論提出猜想：力做的功W應(yīng)該還與質(zhì)量m有關(guān)，應(yīng)該再探究一下力做的功W和質(zhì)量m的關(guān)系.教師緊接著就進行實驗探究“力作的功W與質(zhì)量m的關(guān)系”.

【改進思路】學(xué)生提出“力做的功W應(yīng)該還與質(zhì)量m有關(guān)”，教師可以引導(dǎo)進一步思考這樣猜想的依據(jù)是什么，在進行實驗探究驗證猜想之前可以從單位制的角度去初步驗證這一猜想是否正確.在教學(xué)的過程中遇到合適的時機可以將相關(guān)的知識進行恰當(dāng)應(yīng)用，注意知識之間的融會貫通.

4.4 知識拓展環(huán)節(jié)的設(shè)計

本節(jié)課不足之處：得出動能概念及合力做功與動能變化量之間的關(guān)系之后，雖然提出了“動能和重力勢能都變化時總量如何？”，但是對啟發(fā)學(xué)生思考方面效果不夠好.

【改進思路】啟發(fā)學(xué)生思考還有那些問題需要研究，給學(xué)生發(fā)表自己觀點的機會，讓學(xué)生將頭腦中困惑的地方都暴露出來，激發(fā)學(xué)生的物理學(xué)習(xí)熱情，為后續(xù)的學(xué)習(xí)做準(zhǔn)備.

5 小結(jié)

本節(jié)內(nèi)容是在學(xué)生知道了重力做功與重力勢能之間關(guān)系的基礎(chǔ)上，進一步用做功與能量的關(guān)系探索另一種能量：動能，并在探索的過程中認識到合外力做功與動能變化的關(guān)系.本節(jié)課對學(xué)生理解 “功是能力變化的量度”這個核心觀念起著很重要的作用.通過本節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，深化了學(xué)生對功的概念的理解，拓展了求功的思路，為機械能守恒定律的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)，本節(jié)內(nèi)容是本章的關(guān)鍵內(nèi)容，也是重點內(nèi)容.讓學(xué)生經(jīng)歷動能概念的建構(gòu)過程，對發(fā)展學(xué)生的能量觀念和培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維方式、科學(xué)研究方法都起到很重要的作用.

學(xué)生已經(jīng)知道動能的概念和動能與質(zhì)量、速度之間定性的關(guān)系，本節(jié)課是在學(xué)生原有知識基礎(chǔ)上延伸和提升，實現(xiàn)知識結(jié)構(gòu)的發(fā)展和完善;學(xué)生已具有一定的實驗方案設(shè)計能力、實驗數(shù)據(jù)處理的能力，在圖線處理時能夠通過改變坐標(biāo)量把關(guān)系不明的曲線轉(zhuǎn)化為關(guān)系較明朗的直線;學(xué)生具備了相關(guān)的運動學(xué)知識和牛頓力學(xué)的知識， 有自主進行理論推導(dǎo)得出功和動能變化之間關(guān)系的能力.在總結(jié)歸納動能的表達式過程中，要求學(xué)生具有高度的分析和概括能力，這對學(xué)生來說有一定的困難，需要教師的引導(dǎo).

以往的教學(xué)設(shè)計通常將實驗探究和理論推導(dǎo)分為兩課時，把側(cè)重點放在實驗操作或是理論推導(dǎo)的公式應(yīng)用上，不能很好的突出動能概念的建構(gòu)過程.本教學(xué)設(shè)計圍繞“尋找動能和速度、質(zhì)量之間的具體關(guān)系”這一主線展開，首先通過分析生活中的實例引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)“力對物體做功的過程中動能的大小發(fā)生改變”，進而認識到可以通過研究運動過程中力對物體做的功與物體動能變化量之間的關(guān)系來尋找規(guī)律，確定了研究思路;接著設(shè)計實驗探究環(huán)節(jié)，在課堂上利用光電門傳感器進行實驗，并利用Excel處理實驗數(shù)據(jù)， 可以快速方便的得出實驗結(jié)果，進而將側(cè)重點放在對實驗結(jié)果的分析討論上;在充分討論的基礎(chǔ)上引導(dǎo)學(xué)生利用所學(xué)公式進行理論研究，并再次對推導(dǎo)的結(jié)果進行分析討論，最后結(jié)合兩方面研究讓學(xué)生逐步建構(gòu)動能的概念，這樣設(shè)計有利于學(xué)生動能概念建構(gòu)過程的完整性.通過真實情引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)和提出問題，讓學(xué)生根據(jù)解決問題的需要，收集和選擇有用的信息，經(jīng)歷科學(xué)探究、科學(xué)推理和科學(xué)驗證的不斷完善的過程，逐步建構(gòu)知識，從中體會科學(xué)研究的方法，發(fā)展科學(xué)思維和科學(xué)探究能力.

參考文獻：

[1] 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[M].北京：北京師范大學(xué)出版社， 2017.

[2] 林崇德，張奇.學(xué)習(xí)理論[M].武漢：湖北出版社，2001.