核心素養(yǎng)下高中物理探究教學(xué)策略芻議

姜?jiǎng)?楊春芳

【摘要】2016年9月13日，中國學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)研究成果發(fā)布會(huì)在北京師范大學(xué)舉行。研究學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)是落實(shí)立德樹人根本任務(wù)的一項(xiàng)重要舉措，也是適應(yīng)世界教育改革發(fā)展趨勢、提升我國教育國際競爭力的迫切需要。作為一名中學(xué)物理教師，我們所關(guān)注的是如何通過物理課堂教學(xué)，提升并逐漸形成學(xué)生的核心素養(yǎng)，文章以“動(dòng)能 動(dòng)能定理”為例，探索促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)養(yǎng)成的探究教學(xué)過程。

【關(guān)鍵詞】核心素養(yǎng)；問題引導(dǎo)；探究教學(xué)；過程體驗(yàn)

核心素養(yǎng)（Key Competencies）是學(xué)生在接受相應(yīng)學(xué)段的教育過程中，逐步形成的適應(yīng)個(gè)人終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力。對(duì)于物理學(xué)科而言，是學(xué)生通過物理學(xué)習(xí)內(nèi)化的帶有物理學(xué)科特性的品質(zhì)。學(xué)生物理核心素養(yǎng)主要由“物理觀念 ”“科學(xué)思維 ”“實(shí)驗(yàn)探究 ”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”等四個(gè)方面構(gòu)成。課堂則是發(fā)展和形成核心素養(yǎng)的主陣地。課堂教學(xué)的過程中，應(yīng)把物理課程中所形成的物理觀念和科學(xué)思維用于分析、解決現(xiàn)實(shí)生活中的各種問題，在解決問題中進(jìn)一步提高探究能力、增強(qiáng)實(shí)踐意識(shí)、養(yǎng)成科學(xué)態(tài)度，促進(jìn)核心素養(yǎng)的形成。

在日常的物理課堂教學(xué)中，我們期望把教學(xué)內(nèi)容問題化，課堂教學(xué)中師生圍繞問題進(jìn)行，學(xué)生通過問題學(xué)習(xí)，教師由問題組織教學(xué)，用問題有機(jī)地串聯(lián)整個(gè)教學(xué)過程，在問題的提出、分析、解決過程中，掌握知識(shí)、發(fā)展能力、形成素養(yǎng)。

一、教材分析與思考

“動(dòng)能 動(dòng)能定理”這節(jié)課，現(xiàn)行人教版的教材是在前一節(jié)先探究功與速度變化的關(guān)系，本節(jié)再沿另一條線索探究動(dòng)能的表達(dá)式，以期二者能互相支持，先通過牛頓運(yùn)動(dòng)定律尋找動(dòng)能的表達(dá)式，并在此過程中得出動(dòng)能定理表達(dá)式。我曾查閱過三個(gè)版本（人教、滬科、魯科）的教科書，每個(gè)版本的設(shè)計(jì)都是不一樣的，動(dòng)能定理這節(jié)課在教學(xué)設(shè)計(jì)上為什么有這么大的差異呢？

從課程標(biāo)準(zhǔn)來看，在動(dòng)能定理這節(jié)課中，涉及的主要內(nèi)容有：動(dòng)能的概念、恒力做功與動(dòng)能關(guān)系的探究、動(dòng)能定理及其應(yīng)用。這節(jié)課在教學(xué)設(shè)計(jì)中需要解決的問題有：①實(shí)驗(yàn)探究在本節(jié)課教學(xué)中的作用是什么。②怎樣設(shè)計(jì)動(dòng)能概念的教學(xué)。③實(shí)驗(yàn)探究與數(shù)學(xué)推導(dǎo)的關(guān)系是怎樣的。④恒力做功與動(dòng)能變化到動(dòng)能定理的過渡。

教學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)該以課程標(biāo)準(zhǔn)為綱，要將上述四個(gè)問題的解決放在首位，在傳授知識(shí)的同時(shí)，提升學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)，讓課堂成為形成核心素養(yǎng)的主戰(zhàn)場，讓教學(xué)成為提升核心素養(yǎng)的加速器。

二、教學(xué)設(shè)計(jì)總體思路

綜合上面的分析，本節(jié)課的設(shè)計(jì)突出“觀察實(shí)踐與實(shí)驗(yàn)探究”這一核心思想，讓學(xué)生親歷學(xué)習(xí)過程，形成物理概念：加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)探究，培養(yǎng)科學(xué)思維；學(xué)會(huì)合作交流，培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。通過“問題引導(dǎo)、合作探究”的學(xué)習(xí)方式，以問題設(shè)計(jì)為主線，科學(xué)探究為方法，過程體驗(yàn)為收獲，培養(yǎng)素養(yǎng)為目標(biāo)。

三、教學(xué)過程設(shè)計(jì)

1.引入課題

視頻觀看保齡球和汽車撞擊的過程，讓學(xué)生理解撞擊物對(duì)外做功，而凡能對(duì)外做功的物體都具有能量，這種（如保齡球、汽車）由于物體運(yùn)動(dòng)而具有的能量稱之為動(dòng)能。

2.教學(xué)過程

猜想：結(jié)合視頻與生活經(jīng)驗(yàn)，判斷影響動(dòng)能的大小的因素。

點(diǎn)評(píng)：對(duì)物理問題的研究，猜想也是了解自然規(guī)律的一種重要手段，但不能僅僅停留在猜想上，科學(xué)研究應(yīng)在猜想的基礎(chǔ)上通過合理的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證分析。

實(shí)驗(yàn)探究1：影響物體動(dòng)能大小的因素

器材：如圖3，提供斜面、兩輛小車（可放入重錘）、重錘。

教師：同學(xué)們通過小組合作，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，研究影響物體動(dòng)能大小的因素。

點(diǎn)評(píng)：控制變量法思想

教師：動(dòng)能（Ek）的大小與物體的質(zhì)量和速度有關(guān) ，那么動(dòng)能與物體的速度和質(zhì)量之間有何種定量的關(guān)系？

設(shè)計(jì)意圖：關(guān)于動(dòng)能的教學(xué)，在不同版本的教材中處理的方法各異，恩格斯在《自然辯證法》中指出：“理論力學(xué)得出了活力這一概念，應(yīng)用力學(xué)得出了功這一概念……以致許多年來都沒有認(rèn)識(shí)到這兩個(gè)概念之間的相互聯(lián)系，他們最后采用mv2作為二

者的量度， 并不是因?yàn)閷?duì)事情本質(zhì)的了解，而是為了計(jì)算簡單的緣故”。閱讀物理學(xué)史讓我們了解到，動(dòng)能概念的建立經(jīng)歷了200年的時(shí)間，動(dòng)能定理表達(dá)式的推導(dǎo)不是一件困難的事，而困難的是表達(dá)式中的mv2的物理意義是什么，以及mv2能用

來描述物體做功與能量之間的變化，建立這樣一個(gè)概念是理論體系中一件非常困難的事情。它要通過實(shí)驗(yàn)證明mv2能夠表

達(dá)做功與能量變化的關(guān)系，才能做出動(dòng)能的定義。而不是表達(dá)式出來了，就能定義動(dòng)能的概念了。換句話說，重點(diǎn)不是讓大家去推導(dǎo)出哪個(gè)表達(dá)式是動(dòng)能，而是要讓學(xué)生理解動(dòng)能mv2

能夠描述做功與能量之間的變化關(guān)系。這也是我在這里介紹物理學(xué)史的原因，以期幫助理解并選擇教材內(nèi)容、制定教學(xué)方案。

探究2：尋找動(dòng)能的表達(dá)式？

請(qǐng)同學(xué)們通過小組合作，回答下列問題：

問題1：動(dòng)能是能的一種形式，“能”的單位是什么？可否從單位關(guān)系的角度尋找動(dòng)能的表達(dá)式？

問題2：回顧尋找重力勢能表達(dá)式的探究過程，為什么“mgh”為重力勢能的表達(dá)式？

問題3：重力勢能的表達(dá)式是在研究重力做功的過程中發(fā)現(xiàn)的，我們能否借鑒并在某一做功的過程中尋找動(dòng)能的表達(dá)式？

讓學(xué)生通過自主探究、合作交流及教師的幫助和指導(dǎo)，對(duì)上述三個(gè)問題形成較為完美的答案，學(xué)生親歷物理問題的解決過程，能讓學(xué)生形成、發(fā)展和提升物理思維。

情景設(shè)計(jì)：質(zhì)量為m的物體，在與運(yùn)動(dòng)方向相同的恒定外力F的作用下沿光滑水平面發(fā)生一段位移L，速度由vl增大到v2.試用牛頓運(yùn)動(dòng)定律和運(yùn)動(dòng)學(xué)公式，請(qǐng)同學(xué)們推導(dǎo)出力F對(duì)物體做功的表達(dá)式。

設(shè)計(jì)意圖：在這個(gè)環(huán)節(jié)中，為探究動(dòng)能的定義，我們創(chuàng)設(shè)了一個(gè)運(yùn)動(dòng)的情景，設(shè)計(jì)這個(gè)情景的目的之一是，我們要使學(xué)生意識(shí)到，牛頓定律解決絕大部分機(jī)械運(yùn)動(dòng)還是比較方便的，但在解決一些復(fù)雜機(jī)械運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)不方便，也讓學(xué)生了解研究動(dòng)能和動(dòng)能定理的目的。目的之二，為后來從牛頓定律到恒力做功與動(dòng)能變化關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式的變形做好了鋪墊，為這種變形提供了靈感，使得這種變化更加自然。

問題4：mv2是否也是一個(gè)具有特殊意義的物理量？如果

是，體現(xiàn)在哪幾個(gè)方面？

學(xué)生：1.它與力F做功的過程密切相關(guān)，且它在過程終了與過程初始時(shí)的差，正好等于力對(duì)物體做的功

2.與我們通過單位關(guān)系推導(dǎo)出的EK∝mv2正好是符合的！

教師：mv2能夠描述做功與能量變化之間的關(guān)系，且符合EK∝mv2，所以mv2就是我們尋找的動(dòng)能的表達(dá)式.

問題5：思考：“W=mv2-mv12”中，W是指什么力做的

功呢？

教師：實(shí)際的教學(xué)過程中，很多學(xué)生會(huì)說W是拉力或者是“動(dòng)力”對(duì)物體做的功，其實(shí)這種回答是一個(gè)很好的素材。下面我們通過兩個(gè)物理模型讓學(xué)生來理解W究竟是指什么力做的功。

設(shè)計(jì)意圖：單獨(dú)一個(gè)恒力做功與動(dòng)能變化的關(guān)系，不能等同于動(dòng)能定理，所以需要逐步深化，讓物體在運(yùn)動(dòng)中由一個(gè)力做功逐漸過渡到多個(gè)力做功：由只有動(dòng)力做功到含有阻力做功，不斷改變變量，從特殊過程向一般過程演化。使學(xué)生逐漸認(rèn)識(shí)到最終應(yīng)該是尋找合外力做功與動(dòng)能變化的關(guān)系，從而得到動(dòng)能定理。在這里我們由平面拓展到斜面，進(jìn)行無摩擦和有摩擦兩種情況的探究（如圖5、圖6），主要的目的是讓學(xué)生了解，一個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)論的得出，遠(yuǎn)不是像完成一組實(shí)驗(yàn)就可以得出結(jié)論那么簡單，需要不斷增加變量，分析各種情況，并且收集更多的證據(jù)，才能夠得出結(jié)論。這也是形成學(xué)科核心素養(yǎng)的重要過程。

現(xiàn)行人教版的教材到此，《動(dòng)能定理》的教學(xué)進(jìn)入到規(guī)律的基本應(yīng)用環(huán)節(jié)，并沒有通過實(shí)驗(yàn)來探究動(dòng)能定理，個(gè)人覺得動(dòng)能定理這節(jié)課是一節(jié)非常典型的綜合性的科學(xué)探究課例，它不同于前面學(xué)習(xí)過的《摩擦力》《力的合成》。這兩節(jié)課是科學(xué)探究中以實(shí)驗(yàn)方式為主的探究課例，而動(dòng)能定理中的科學(xué)探究應(yīng)該是把數(shù)學(xué)推導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)論證及抽象思維高度結(jié)合在一起的，用牛頓第二定律的推導(dǎo)與實(shí)驗(yàn)探究的結(jié)合才能建構(gòu)動(dòng)能定理。在動(dòng)能定理的探究過程中，實(shí)驗(yàn)探究應(yīng)包含理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)測量與檢驗(yàn)兩部分內(nèi)容。它可以幫助學(xué)生了解事物的運(yùn)作方式，這也是我們逐步培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的一種有效途徑。

實(shí)驗(yàn)探究3：合外力的功與物體動(dòng)能變化量之間的關(guān)系

設(shè)計(jì)意圖：在這里實(shí)驗(yàn)所要探究的是，動(dòng)能定理表達(dá)式中的各個(gè)物理量是不是可以測量，怎么測，是探究恒力做功還是變力做功，通過實(shí)驗(yàn)如何求證它們是否滿足表達(dá)式所表達(dá)的關(guān)系，讓學(xué)生理解做功與動(dòng)能轉(zhuǎn)化之間的物理意義。

值得注意的是探究做功與物體動(dòng)能變化的關(guān)系時(shí)，恒力做功與動(dòng)能變化的關(guān)系，只是動(dòng)能定理所對(duì)應(yīng)的在恒力作用下這種特殊情況下的功和動(dòng)能之間的關(guān)系，不能代表具有普遍性的動(dòng)能定理。我們需要在這個(gè)基礎(chǔ)之上，使模型得到不斷的完善，越來越接近動(dòng)能定理的最終模型，就應(yīng)該采用控制變量的研究方法，不斷地增加變量，不斷地通過實(shí)驗(yàn)與理論推導(dǎo)，一步步地使模型變得更加接近動(dòng)能定理所描述的，最終才能得到能定理的結(jié)論。

創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)情境，抽象出能夠描述這個(gè)物體運(yùn)動(dòng)過程的物理模型，對(duì)模型進(jìn)行研究，探究變力做功與動(dòng)能變化的關(guān)系。

提供器材：氣墊導(dǎo)軌與光電門（數(shù)字毫秒計(jì)）、彈簧片、滑塊（如圖7、8）

分組討論：如何通過上述器材檢驗(yàn)動(dòng)能定理的表達(dá)式？并回答下列問題

問題6：功的大小如何測量？一定要定量測量嗎？

學(xué)生：可以將一個(gè)彈簧片水平固定在氣墊導(dǎo)軌的一端，用滑塊（圖8）將彈簧片擠壓到一定程度后松手，設(shè)彈簧片做功為W，第二次將兩個(gè)完全一樣彈簧片上下排列，一起水平固定在氣墊導(dǎo)軌的一端，將彈簧片擠壓到上次相同的程度后松手，則彈簧片做功為2W.

問題7：如何實(shí)現(xiàn)上述兩次彈簧片的擠壓程度相同？

學(xué)生：可以利用氣墊導(dǎo)軌上的刻度

教師：如圖8，可在滑塊上固定一個(gè)指針，讓前后兩次擠壓時(shí)，指針都指向氣墊導(dǎo)軌上的同一刻度，擠壓時(shí)控制在彈簧片的彈性限度以內(nèi)，不宜壓縮過大（1cm內(nèi)）。

問題8：如何測量每一次彈簧片做功過程中滑塊的動(dòng)能變化量？

學(xué)生：將擠壓的彈簧片的滑塊無初速釋放，脫離彈簧片后滑塊在氣墊導(dǎo)軌上勻速運(yùn)動(dòng)，設(shè)滑塊上遮光片的寬度為d，數(shù)字毫秒計(jì)的示數(shù)為t，則彈簧片做功的過程，滑塊的動(dòng)能變化量ΔEK=m（）2-0。

問題9：通過實(shí)驗(yàn)如何求證做功的過程是否滿足 W=mv22-mv12所表達(dá)的關(guān)系？

學(xué)生：若做功的過程滿足W=mv22-mv12，壓縮一個(gè)彈

簧片做功W，數(shù)字毫秒計(jì)讀數(shù)為t1，壓縮二個(gè)彈簧片做功2W，數(shù)字毫秒計(jì)讀數(shù)為t2，如果滿足，則可證明W=mv22-mv12。

教師：嘗試實(shí)驗(yàn)一次，測出相應(yīng)的t1和t2，但往往會(huì)發(fā)現(xiàn)兩者的關(guān)系和相差較遠(yuǎn)，這是為什么呢？

教師：數(shù)字毫秒計(jì)上顯示的時(shí)間都非常短，只測量一次，偶然誤差必然會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生影響，若能多次測量，取平均值可能效果會(huì)更佳。

基于提升學(xué)生物理核心素養(yǎng)的教學(xué)是物理教學(xué)的立身之本，本教學(xué)設(shè)計(jì)在動(dòng)能概念提出的基礎(chǔ)上，讓學(xué)生理解mv2

的物理意義，理解mv2能夠描述做功與能量變化之間的關(guān)

系，優(yōu)化“物理概念”的形成過程。在理論和實(shí)驗(yàn)探究功與動(dòng)能變化的過程中，讓學(xué)生的“科學(xué)思維”得到鍛煉，譬如建模、推理論證等思想與方法。在探究過程中，讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究方案和獲取證據(jù)、分析論證、合作交流、評(píng)估反思等，促進(jìn)學(xué)生“科學(xué)探究”能力的提升，養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度等。希望通過此案例為同行們提升學(xué)生的物理核心素養(yǎng)提供一些參考。

【參考文獻(xiàn)】

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