李俊永 董友軍 王長江

(1. 仁懷市周林高級中學,貴州 仁懷 564500; 2. 順德區(qū)容山中學,廣東 佛山 528303;3. 安徽師范大學物電學院,安徽 蕪湖 241000)

“機械能守恒定律”是高中階段物理教學中為數不多的關鍵守恒規(guī)律之一.它所蘊藏的守恒思想是培養(yǎng)學生物理觀念的絕佳素材.本模塊知識構成具有理論性強、實踐特征明顯、綜合性大的特點,能較好的培養(yǎng)學生學科核心素養(yǎng)．本文基于教材分析和教學實踐,結合已發(fā)表文章“機械能守恒定律的高端備課”一文,對機械能守恒定律進行備課重構．以期豐富物理規(guī)律教學的理論與實踐.

1 提出問題及分析

現行人教版“機械能守恒定律”一節(jié)內容是繼重力勢能、動能、動能定理之后的一節(jié)內容,其后是關于能量守恒定律的介紹．本節(jié)課首先以演示實驗“小球能擺多高”為引入,以“物體做自由落體或沿光滑斜面滑下……由于慣性在空中豎直上升或沿光滑斜面上升”的說白構造情景,以“小孩松手后橡皮筋收縮,彈簧對模型飛機做功”插圖為輔助來說明動能與勢能的相互轉化,并直接指出機械能的3種表現形式;以“物體沿光滑斜面滑下”,“滑雪者沿斜面下滑時……只有重力做功”兩幅插圖為展現場景,結合動能定理、重力做功與重力勢能變化的關系推導了機械能守恒定理,最后通過單擺運動闡釋該定律的應用．[1]

有研究認為此編排推導過程采用的物理符號不夠明朗;沒有呈現完整的物理過程;同時缺乏推導過程核心思想的詮釋．[2]

結合已有教學經驗,教材對實踐指導還有幾個問題: (1) 論知識建構,科學思維深度不夠．教材中該定律的形成過程有一個很重要的前提——忽略空去阻力、接觸面光滑,但是該定律來源于實踐分析,在理想化條件之下分析問題對學生思維能力提升究竟有多大幫助．(2) 論方法掌握,遷移過程未能體現．重力、彈力作為保守力它們之間有很多的相似,遺憾的是教材未能讓僅有彈力做功下的機械能守恒規(guī)律和僅有重力做功下的情形發(fā)生有機的聯系,遷移作為一種學習方式、思維方式能夠有效的檢驗、提升學生的“方法”掌握水平．(3) 論認知培養(yǎng),科學視域不免狹窄．培養(yǎng)學生較為全面的認知視野,需要把彈力做功下的機械能守恒與重力做功下的做比對,在可能的條件下把此二者統(tǒng)攝起來融入教學,對培養(yǎng)學生寬闊的認識視野可能是一條較好的教學路徑．這3方面問題的解決將有助于學生素養(yǎng)的提升,本文擬從新知建構、方法遷移、認知培養(yǎng)、素養(yǎng)提升4個角度對本節(jié)內容進行備課重構.

2 體現教學邏輯的高端備課

2.1 知識建構:積累素材·提煉素材·知識建構

如前分析,我們提出了“在理想化條件之下(忽略空氣阻力、接觸面光滑)探討規(guī)律的形成過程,能夠對學生思維能力提升究竟有多大幫助”的疑惑．遺憾的是太多的規(guī)律教學習慣了直接抽象生活實際,將屬于學生思考的關鍵部分剝離出去,呈現給學生幾近完美的分析對象,以降低思維培養(yǎng)標準為犧牲換取教學進度加速的便宜,物理教學應當力圖避免這種備課傾向.

(1) 積累典型實例,理解何為轉化主體.

機械能守定律建立的重要前提在于知道什么是機械能、機械能的種類．拋開歷史上關于機械能建立的紛擾、爭論,就教學而言,典型的生活實例能夠實現教學的有效推進和學生對概念的準確理解.在本節(jié)之前學生已經了解動能、重力勢能和彈性勢能這3個概念,此時正是要尋找它們之間的關聯．從高處飛落的瀑布產生巨大的能量,撐桿跳運動員在最后的爬升階段為什么還能繼續(xù)上升越過橫桿,彈弓何以將石子拋出去,蕩秋千時為何可以多次來回擺動,如此等等都是生活中常見的機械能從一種形式轉化為另一種形式的實例．鮮活豐富的素材能夠激發(fā)學生積極的思維活動,為思維對知識的加工營設專門場所.

正如邢老師所言,教材未能體現機械能轉化的“雙向性”特征,在此基礎上筆者認為突破“雙向性”問題的關鍵在于創(chuàng)設具有直觀性特點的可逆性實驗教具.圖1中的實驗裝置就能夠較好的解決教材中的不足和多數學生只習慣單向思考的思維傾向．通過對教材所給情景的優(yōu)化,和對基本情景的展示,再經過圖1的實驗分析,重力勢能、彈性勢能和動能這3個轉化主體在學生的頭腦中建立的穩(wěn)固聯系水到渠成,機械能的概念隨即建立.

圖1 動能、勢能相互轉化

(2) 層層抽絲剝繭,正確提煉物理規(guī)律.

教材呈現的機械能守恒定律建立在忽略空氣阻力和接觸面光滑的重要前提之下,而且大多數的教學設計也以此為規(guī)律推導的前提條件．在此有3條研究路徑: ① 理想化條件下的理論研究; ② 實驗條件下的科學研究,經歷科學探究過程,最后得出結論; ③ 從實際出發(fā),層層剝繭,執(zhí)果索因,讓學生思維不斷經歷變遷,最終得出科學結論.

科學規(guī)律總是來源于生產實踐,形成于對基本物理現象的深度思考,物理規(guī)律研究總是依附于某類特定的、具有思維突破功能、知識建構功能的物理模型,實現科學規(guī)律的教學化．第三條路徑以實驗事實為出發(fā)點,不斷沖擊學生思維,層層剝繭,步步深入,突出思辨是該路徑最主要的特征,這更有利于學生素養(yǎng)的發(fā)展．因此我們采取該路徑進行備課研究.

圖2 空氣中隨繩子擺動的小球

如圖2所示,在空氣中隨繩子擺動的小球．在相同位置分別釋放小鋼球和乒乓球(改變小球質量,鋼球質量大于乒乓球),在單次擺動過程中小鋼球似乎可以回到出發(fā)乒乓球卻不能,其原因何在,預設回答:質量造成該種結果;多次擺動,小鋼球也不能回到初始位置,機械能如何變化,預設回答:機械能都減小(最高點時速度都為0,機械能等于重力勢能)與質量無關,空氣阻力影響到機械能的減少且與運動路徑長短有關;從等高點釋放,哪個機械能減少的更快,原因何在?預設回答:乒乓球的機械能減少的更快,與阻力做功和重力做功比重有關,阻力做功比重小時相應物體機械能減少慢,可以忽略不計時,機械能的減小就可以忽略不計,此時認為機械能守恒.

上面的分析僅是機械能守恒的特殊情況,不可能使用窮舉法列出各種各樣的情形,但是可以將與之類似的情景分析歸結為一句話:任何影響機械能變化的存在總會使機械能總量發(fā)生改變.

(3) 大膽類比遷移,確認規(guī)律使用條件.

同分析圖2的過程類似,我們分析水平接觸面上的彈簧振子.由于振子與地面存在摩擦以及空氣阻力對振子運動的影響,將振子拉離平衡位置由靜止釋放,不論振子的質量如何最終都要靜止在水平面上,而不會做永不停歇的往復運動.該過程中摩擦力、空氣阻力作為耗散力總會消耗振子的機械能(動能與彈性勢能的總和).為分析簡便,將該情景中的諸多阻力看做圖2中空氣阻力,該阻力總使得振子的機械能減少.當阻力做功的比重與彈簧彈力做功相較很小,直至可以忽略不計時,振子將做永不停歇地能夠回到出發(fā)點的往復運動.

如表1所示,通過類比分析、方法遷移學生的思維將得到進一步的提升,進而明確機械能守恒的條件:僅有重力做功或彈力做功的物體系統(tǒng)．該結論和引起機械能變化的“存在”意蘊相同,與此同時較好的培養(yǎng)了學生逆向思維．再一次強調,所有這些都緊扣機械能的定義,拋開機械能的定義,上述兩個方面的分析都將無法進行,更談不上思維的培養(yǎng).

表1 兩種典型運動的類比遷移

(4) 自主理論推導,關注規(guī)律實踐應用.

前面3步大量關注物理現象與思維、現象分析與思維,層層遞進．存在的問題在于思辨性過強,從認知的角度看更多的是形式運算.雖然有一定的認知載體——物理現象,行課至此引導學生自主進行強有力的理論分析顯得尤為重要．以“空氣中隨繩子擺動的小球”為例筆者設置了規(guī)律推導環(huán)節(jié)．該過程中重力、空氣阻力做功,繩子上的拉力不做功.

根據動能定理,對A-C:WG-Wf=EkC-EkA;A-C過程中重力勢能的變化與重力做功關系:WG=EpA-EpC．兩式整理可得-Wf=(EkC+EpC)-(EkA+EpA).當阻力為0時,將會得到EkC+EpC=EkA+EpA,其中阻力為該情景下除重力以外的合力,對此直接推廣到除重力外的合力,當它們不做功時物體系統(tǒng)的機械能守恒.

該推導過程與有力的避免了重力在機械能守恒定律中的“一力二用”說有可能帶來的思維混亂.通過反面揭示物理過程找到了建立機械能守恒定律建立的路徑,體現了與教材截然不同的研究過程,不能不說這樣的研究路徑關照到了機械能守恒定律的應用.它在研究守恒的同時,著重突出守恒條件的反面理解,為解決該定律的守恒問題給學生提供了一條可行的分析依據．最后我們建議,在備課中設置針對性的應用訓練,深化學生對該定律的理解.

2.2 方法培育:劃歸轉化·類比遷移·守恒應用

老一輩物理教育家喬際平老先生認為,知識和方法之間存在一定的對應關系,物理教學中不同物理知識的突破必然需要特定的物理方法來突破,據此提出了著名的“對應原則”．[3]梳理本節(jié)備課的研究路徑,可以看到該路徑因循化歸轉化——類比遷移——守恒應用的研究思路．具體來講,如圖3所示.

高端備課中知識學習是最基礎的教學任務,理應也應將與之對應的科學方法進行梳理,以恰當的方式予以顯化并教給學生.這是物理教學論研究的自覺．教學伊始展示給學生關于機械能不同形式相互轉化的實例,讓學生感知能量轉化.作為教師需要申明“轉化”的意義——先“轉”后“化”,不同形式能量不僅可以實現轉化,而且轉化具有“雙向性”特點.這是該處轉化法的意義和價值．就地位而言,彈性勢能和重力勢能是對等的,不存在重要性等級優(yōu)先的問題.這兩者之間具有可類比的基礎.首先,都與保守力做功相聯系,可以實現與動能之間的雙向轉化,它們地位平等;其次,這兩種形式的能量都擁有“潛在、隱藏”的含義,都通過對應力做負功表現出來,它們的性質相似;第三,可以毫無差別的構成機械能,它們格調一致．因此研究只有彈力做功的情形完全可以與只有重力做功的情形相類比.這是科學研究方法對知識的建構與突破功能．守恒法最主要體現在除重力或彈力以外的力所做功代數和為0,意即引起機械能的變化的根源不存在,或其它形式的力引起機械能變化的效果相互抵消,那么借助恰當原始物理問題或典型例題是培育守恒法的有效途徑．不論轉化法、類比法還是守恒法,它們共同構成了機械能守恒定律學習的方法基礎,方法構成,為學生順利掌握該定律的內涵、價值提供了方法保障.

圖3 機械能守恒中的知識——方法圖譜

2.3 認知培養(yǎng):知識順應·方法同化·認知平衡

對于認知能力的培養(yǎng)可以從皮亞杰的認知發(fā)展理論中的啟示,皮亞杰認為同化、順應是知識學習的主要方式,同化的意義在于豐富原有的認知結構,相同要素越多發(fā)生同化式遷移的概率就越大.順應的意義在于擴充原有的認知結構,當建立新的平衡后,學習者將以此為基礎不斷同化、順應其他新的學習內容．該備課中,機械能守恒定理的使用范圍明顯較動能定理窄,在慣性系中,對質點或質點系使用動能定理是無條件的,但是關于機械能的守恒卻被限定在僅有重力或彈力做功的條件之下,此外動能定理是牛頓第二定律結合運動學公式推導的結果,而機械能守恒定律卻由動能定理、重力做功和重力勢能變化關系推導得到.窄化的原因就在于機械能定義對定律本身的限定,在知識的形成上需要動能定律順應該定律.這一點在“自主理論推導”環(huán)節(jié)就可以明確提出它們之間的不同.

堅持問題導向可以不斷將教學引向深入,可以最大限度深化、活化學生思維．學生認知培養(yǎng)需要以知識為基礎,兼顧能力發(fā)展,突出“方法”的橋梁作用,并最終指向思維能力的提升．當學生真正體會到物理科學方法在自身學習中的巨大魅力時,物理教學也就打開了他們成功之門.關鍵問題就在于找到科學方法教育培養(yǎng)的土壤.正是基于重力勢能與彈性勢能的相似性,轉化法、類比法、守恒法才有了被“教”的現實載體.該備課中出現了不同勢能與動能相互轉化的同化比較,出現了為體現機械能守恒完備性的兩種勢能的統(tǒng)攝比較、遷移,也出現了守恒法的最終確立．就全局視野,物理科學方法就像一道道姿態(tài)萬千的橋梁溝通著不同塊域的知識,化繁為簡是方法學習的鮮明特色,從反面揭示機械能守恒的意義,更深刻地表達了科學方法教育對認知培養(yǎng)的重要價值.

該部分內容的后一部分是“能量守恒定律與能源”一節(jié),作為能量守恒定律的特殊形式,該守恒律的建構為整體認知的建構起到路引的作用,能很好實現能量守恒學習由特殊到一般的轉變.“不謀全局不足謀一域”,物理教育哲學對教學的指導意義正是透過教與學的全貌分析來指導具體教學實踐．初、高中物理教材多次于不同章節(jié)描述能量守恒定律,屬于典型螺旋遞進順序.這種編排方式契合了學生認識發(fā)展水平,所以本節(jié)內容將會在能量守恒定律一節(jié)達到新的認知平衡,但在該節(jié)結課時學生認知卻完成了一步完型.

2.4 素養(yǎng)提升:物理觀念·科學思維·責任態(tài)度

關于備課,我們力圖在知識學習,方法掌握的過程中加強學生物理學科素養(yǎng)的培養(yǎng)．多年的教學經驗告訴我們,雖然學生將大多數的物理知識都“還給了老師”,但沉浸、積淀于學生認知結構中的基本觀念、探究意識、思維方式和價值判斷將伴隨學生一生.這才是物理教學最大的價值,機械能守恒定律在這些方面的培養(yǎng)得天獨厚.

守恒思想別具一格．當滿足只有重力或彈力做功時,機械能的量值也就為一定值,不受其他因素的影響.為理解“守恒”的含義,前述兩個典型實驗的剖析過程為“不守恒”做了最好的腳注,從反面揭示“不守恒”,也就肯定了正面理解中的“守恒”．力與運動中的不變量,守恒的思想觀念再次得到凸顯,能量的觀念提前通過機械能守恒定律的守恒特性得到感知,這是我們這篇高端備課亮點之一.

科學思維的培養(yǎng)采取了以問題為導向,知識為基礎,方法為橋梁,層層剝繭的教學策略,各種充滿教學畫面感的能量轉化實例,給學生強烈的思維沖擊,充盈并激活學生思維,為發(fā)展思維的靈活性、營造積極的思考環(huán)境創(chuàng)造了條件.通過對兩種典型實驗的細致分析,讓學生思維細膩化,更具縱深感,提升思維深刻性;理論推導增強了思維的條理性,強化思維序列,問題、知識、方法有機整合為科學思維培養(yǎng)不斷創(chuàng)設有利條件.

該備課在理論推導上從實際出發(fā),讓學生認識到科學定律的成立有一定的使用范圍.這是最基本的科學態(tài)度,科學真理擁有清晰的使用條件.當條件發(fā)生變化時真理將轉化為謬誤．因此從實際出發(fā),大膽假設、小心求證,弄清邊界是機械能守恒定理應當培養(yǎng)的素養(yǎng)目標.

3 研究總結與啟示

回顧整篇備課研究全程,可以得到3點關鍵啟示.

(1)立足已有研究,更需扎根教學實踐．此篇高端備課充分吸收已有研究中精華.不可否認,在諸多高端備課研究中存在高來高去不接地氣的不足,但也應看到它們令人耳目一新的一面.為此需要大量的一線教師將高端備課理論與具體教學實踐相結合,扎根于廣袤而深厚的物理教學實踐,不斷創(chuàng)造、設計更加精妙的教學設計和備課思路.

(2)深讀細研教材,關注學科核心素養(yǎng)．教材作為最基礎的課程資源,是眾多專家學者集體智慧的結晶.面對具體教學實踐并不是完美無瑕、毫無缺陷.它需要廣大物理教師結合自己的理解創(chuàng)造性的使用它,并不斷完善,在注重物理核心素養(yǎng)培養(yǎng)的當下,如何將教材與物理學科核心素養(yǎng)的4個方面相結合既是機遇又是挑戰(zhàn),作為物理教學工作者唯一能做的就是化挑戰(zhàn)為機遇,勇于創(chuàng)造更多的精品課程資源.

(3) 緊抓關鍵方法,建構課堂教學脈絡．作為備課教研,落實基礎教學目標的同時,更需要突出“方法”對“知識”的突破與建構功能.通過物理學科方法體系的巧妙編排建構知識網絡,提升學生認知能力,以“方法”為中心調控“知識”學習,并在可能的條件下顯化科學方法,是一條前所未有的教學研究路徑.