蔣軼群
(南京市大廠高級中學,江蘇南京 210044)
高中物理教學中PCK運用的探索
——以“探究彈性勢能的表達式”教學為例
蔣軼群
(南京市大廠高級中學,江蘇南京 210044)
本文在PCK理論指導下,對“探究彈性勢能的表達式”一節(jié)幾個難點進行解析,設(shè)計教學,突破學生學習時遇到的困難.
PCK理論;問題導引;類比;正向遷移;化變?yōu)楹?/p>
PCK是指學科教學知識(Pedagogical Content Knowledge)的簡稱,最早是由舒爾曼(Shulman)于1986年提出來的,舒爾曼說:“理解教師知識基礎(chǔ)的關(guān)鍵在于教師學科知識與教學知識的交融:教師為適應不同能力和背景的學生將其所擁有的學科知識轉(zhuǎn)化為有效教學形式的能力”.PCK是教師專業(yè)知識中最核心的知識,它最能區(qū)分學科專家與教學專家,高成效教師與低成效教師間的不同,所以發(fā)展PCK是教師專業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵.PCK的建構(gòu)主要來源于兩個方面,一是對典型課例的PCK解析,二是教師自身的PCK梳理.下面,以“探究彈性勢能的表達式”教學為例,探索在教學中對PCK的運用.
“探究彈性勢能的表達式”一節(jié)是繼重力勢能之后,學生從動力學學習到功能關(guān)系把握的重要延續(xù).教材先列舉了彈性形變的現(xiàn)象從而引出彈性勢能,接著由4個問題組成了本節(jié)的主要內(nèi)容:(1)彈性勢能的表達式可能涉及到哪幾個物理量?(2)彈簧的彈性勢能與彈力做功有什么關(guān)系?(3)怎樣計算彈力做的功?(4)怎樣計算該求和式?
本節(jié)讓學生再次感受功能關(guān)系,為之后的動能定理及機械能守恒定律的學習打下基礎(chǔ).通過探究活動讓學生體會類比法、微元法,圖像法和化變?yōu)楹愕乃枷耄瑫r感受演繹推理的邏輯方法,讓學生參與到問題解決的活動中去,開發(fā)學生創(chuàng)造潛能,啟發(fā)學生思維,提高他們的物理素養(yǎng).
2.1 對抽象知識表現(xiàn)出來的不順應
(1)勢能概念抽象,學生對“物體憑借位置獲得的能量”沒有具體的理解,不容易主動形成彈性勢能的概念.(2)函數(shù)圖像抽象,學生習慣了以t為橫坐標的運動圖像,難以主動遷移形成F-x圖像.
2.2 思維能力不夠,難以快速有效的進行知識的正向遷移
無論是化變?yōu)楹愕乃枷虢鉀Q彈力是變力的問題,還是用微元法或者圖像法處理相關(guān)計算,學生都難以將之前所學的相關(guān)知識正向遷移過來.
2.3 受教材影響
本節(jié)是純粹理論的推導,沒有相關(guān)實驗的驗證,導致學生不能形成具體的感受,對理論推導的結(jié)論是否正確也心存疑問.
3.1 “問題導引”引出彈性勢能概念和相關(guān)問題
教學案例1:“彈性勢能”概念的引出.
問題1:為什么箭能飛出去,為什么撐桿跳的人能往上升得更高?
學生答:弓和撐桿提供能量,轉(zhuǎn)換成動能和重力勢能.
問題2:弓和撐桿是如何提供的能量?
學生答:通過彎曲形變.
教師總結(jié):弓和撐桿發(fā)生彈性形變,產(chǎn)生彈力,儲存了一些能量,在恢復形變的過程中將能量釋放出來.這種能量叫彈性勢能.
問題3:還有哪些關(guān)于彈性勢能的例子?演示拉動彈簧使之產(chǎn)生彈性勢能的過程.
問題4:相互作用的物體憑借位置而具有的能量叫勢能.物體因為高度而具有的能量叫重力勢能.那么彈簧的彈性勢能呢?
學生答:彈簧形變時,位置發(fā)生了變化,所以彈性勢能是因為彈簧伸長或者縮短了
案例分析:通過問題導引,一步步讓學生體會到有彈性勢能這種能量存在,其大小與形變有關(guān),比直接給出結(jié)論更容易讓學生理解.
3.2 “類比法”進行知識遷移,猜想彈性勢能的表達式與彈力做功有關(guān)?
問題1:根據(jù)事實猜測彈性勢能與k和x有關(guān),是否意味著彈性勢能的大小與彈力有關(guān)?重力勢能是不是與重力有關(guān)呢
學生回答:表達式Ep=mgh中mg就是重力,h是高度.kx是彈力,有關(guān).
教師總結(jié):重力勢能與彈性勢能都和對應的力有關(guān),我們可以類比重力勢能的推導方法推導出彈性勢能的表達式.
問題2:重力勢能的表達式是如何得到的?學生回答:計算重力做的功.
問題3:為什么考慮用重力做功去量度重力勢能的變化?
學生回答:因為功是能量轉(zhuǎn)化的量度,功W=Fx,與力和位移有關(guān),而正好猜測的是重力勢能與重力和所處高度有關(guān),高度的變化就是位移.
問題4:詳細回顧推導過程.
學生回答:WG=mg(Δh1+Δh2+Δh3+…)=mgh=mgh1-mgh2=Ep1-Ep2.
(強調(diào)重力是恒力,及分段處理,化曲為直的思想)
問題5:為什么據(jù)上述結(jié)論則可認定重力勢能的表達式為Ep=mgh?
學生回答:功等于能量變化量,mgh1和mgh2表述結(jié)構(gòu)相同,則二者之差為同一形式能量變化量,mgh一定是某種能量的表達式.這種能量與高度和重力有關(guān),就是重力勢能.
討論:如何類比重力勢能表達式的推導過程得到彈性勢能的表達式?
學生回答:把彈簧從A位置拉動到B位置,計算此過程彈力做的功,這個過程彈力做功大小就是彈性勢能的變化量.
案例分析:如何設(shè)計問題,引導學生類比所學知識解決新的問題是這個部分的關(guān)鍵.科學的規(guī)律往往有普適性,要培養(yǎng)學生類比猜想的習慣與能力.
3.3 運用“微元法”“化變?yōu)楹恪薄皥D像法”求彈力做功
圖1
問題1:將一勁度系數(shù)為k的彈簧從伸長量x1的A處拉長到伸長量為x2的B處(x2>x1),求此過程彈力做的功?
因為彈力變化,學生難以表述.
問題2:變力做功時,W=Fx中的F應代入什么力?
學生回答:平均作用力.
問題3:從A到B,彈力平均值是多少?
學生常認為平均值都是初狀態(tài)與末狀態(tài)之和的一半,因此該結(jié)論的得出也許只是湊巧.教師需要指出這個結(jié)論的得出是有條件的,即線性函數(shù)關(guān)系.(可以舉例v隨t線性變化)
問題4:用彈力的平均值計算出彈力做的功.
問題5:求變力做功,是否還有別的方法?
提示:如果彈力在第一過程位移為x1,彈力保持F1不變,第二過程位移為x2,彈力保持F2不變,第三過程位移為x3,彈力保持F3不變,求整個過程彈力做的功?
學生回答:W=F1x1+F2x2+F3x3.
問題6:以上問題可以給你什么啟發(fā)嗎?
學生回答:可以分成無限個過程,每個過程彈力不變,把每個過程做的功加起來,有W=F1ΔL1+F2ΔL2+F3ΔL3+…
問題7:如何計算?
教師引導:我們曾經(jīng)接觸過類似的情況,比如用x=vt可計算勻速直線運動的位移,但變速運動呢?
學生回答:畫出v-t圖像,圖像所圍面積即位移.
問題8:你能用圖像法求彈力做功嗎?
學生做出F-x圖像,圖像常常呈現(xiàn)的是正比例函數(shù)圖像,并根據(jù)函數(shù)圖像所圍面積計算出彈力做功大小
問題9:所畫正比例函數(shù)圖像表示彈簧的形變起始位置在哪里?
學生回答:彈簧原長.
問題10:尋找規(guī)律應避免特殊情況,若彈簧從伸長量為x1處形變到伸長量為x2處,彈力做的功如何?(x2>x1)
拓展:有興趣的同學可以用求積分的方法直接計算出做功之和.
總結(jié):由理論推導得到了彈性勢能的表達式,結(jié)論是否正確,還應該用實驗來驗證,即要驗證當彈簧形變?yōu)閤時,彈性勢能的大小等于.我們?nèi)绾卧O(shè)計實驗來驗證呢?方法有很多,同學們按照小組自己先設(shè)計,挑選出簡單可行的方案我們進行實驗.
案例分析:提供多種計算變力做功的方法,符合不同層次學生的需求.讓學生體會“微元法”、“化變?yōu)楹恪?、“圖像法”,加深感受,提升學生思維能力.最后留下的關(guān)于設(shè)計實驗驗證理論的課后拓展,體現(xiàn)了科學研究的嚴謹性,也能讓有能力進一步研究的同學獲得更多的進步.
1 王新峰.運用微元累加思想處理幾類變力做功問題[J].物理教師,2015(5):74-75.
2 廖伯琴,張大昌.普通高中物理課程標準(實驗)[M].武漢:湖北教育出版社,2010:16.
3 盛云生.彈性勢能教學中值得關(guān)注的幾個問題[J].中學物理,2012(9):11-12.
4 陳志梅.用三次類比探究彈性勢能的表達式[J].物理教師,2006(12):29-30.
5 朱海金.類比法在探究彈性勢能表達式中的應用[J].物理教師,2009(6):11-12.
2017-02-04)