基于核心素養(yǎng)導(dǎo)向下的高中物理教學(xué)設(shè)計
——以“探究彈性勢能的表達(dá)式”為例

宋海峰 薛麗娟

(江蘇省天一中學(xué)，江蘇 無錫 214101)

1 教學(xué)指導(dǎo)思想

新一輪基礎(chǔ)教育課程改革中,迎接物理課堂教學(xué)轉(zhuǎn)型的挑戰(zhàn),難以繞過“物理核心素養(yǎng)”這一重要問題．物理核心素養(yǎng)是學(xué)生在接受物理教育過程中逐步形成的適應(yīng)個人終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力,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),其主要由物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任等4個方面的要素構(gòu)成．物理學(xué)科的核心素養(yǎng)相對三維目標(biāo)而言,是站在一個更高的物理文化層面對高中物理教學(xué)提出的要求,超越對具體知識的學(xué)習(xí),但又是以具體知識為載體,引導(dǎo)學(xué)生通過高水平的思維活動,實現(xiàn)由“知識傳遞”向“知識建構(gòu)”轉(zhuǎn)型．

2 教學(xué)過程

2.1 創(chuàng)設(shè)情境,激思導(dǎo)入

圖1

情景1:如圖1所示,重物A的質(zhì)量為m,置于水平地面上,其上表面連接一根豎直的輕質(zhì)彈簧,彈簧的長度為x0,勁度系數(shù)為k．現(xiàn)將彈簧的上端P緩慢地豎直上提一段H,當(dāng)重物A剛要離開地面時,則:

問題1:此時重物A具有的重力勢能為多少(以地面為參考平面)?

問題2:那通過拉力做功轉(zhuǎn)化而來的能量呢?

情景2:播放體育運動項目視頻:撐桿跳高、拉弓射箭、跳板跳水.

問題3:請同學(xué)們仔細(xì)觀察彎曲的桿、拉開的弓、壓彎的跳板,從能量角度談?wù)勊鼈児餐奶卣魇鞘裁?請同學(xué)們再舉幾個物體具有彈性勢能的例子?

設(shè)計思想:物理學(xué)的概念、規(guī)律是人們在大量觀察和實驗的基礎(chǔ)上,經(jīng)過反復(fù)的科學(xué)抽象而形成的,具有很強(qiáng)的抽象性和邏輯性．如果教師只是一味地讓學(xué)生在抽象的問題中去探究那些干巴巴的結(jié)論,學(xué)生就會因此而厭倦,學(xué)習(xí)興趣就會因此而冷淡．這就要求教師在物理概念導(dǎo)入時不僅要科學(xué)、準(zhǔn)確,而且還要引趣、激思,恰到好處的導(dǎo)入能創(chuàng)設(shè)良好的教學(xué)情境,幫助學(xué)生啟迪思維．情景1的設(shè)計簡潔、準(zhǔn)確、設(shè)疑、激思,能溫故知新．情景2的三段學(xué)生喜聞樂見的體育運動項目視頻,將形、聲、色、光、動、靜融為一體,突破時空的限制,讓學(xué)生身臨其境般地體驗物理概念形成的過程,這對幫助學(xué)生建立能量的觀念,理解能量守恒的物理思想,培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng)具有關(guān)鍵性的作用．

2.2 以生為本,點出主題

問題4:關(guān)于彈性勢能,你已經(jīng)知道了哪些知識?還想知道哪些知識呢?

設(shè)計思想:基于“核心素養(yǎng)”導(dǎo)向下的課堂教學(xué)應(yīng)該由“知識傳遞”轉(zhuǎn)向“知識建構(gòu)”,即從“教堂”轉(zhuǎn)向“學(xué)堂”．真正的“學(xué)堂”,學(xué)生應(yīng)該成為課堂的主導(dǎo)者,而非被迫的接受者;教師應(yīng)該成為課堂的協(xié)助者,而非主宰者．教師應(yīng)該讓學(xué)生根據(jù)自身知識的特點,今后發(fā)展的需要,自主決定課堂探究的主題,只有這樣,才能打造“學(xué)生會的教師一定不講,教師講的一定是學(xué)生最想聽的”高效課堂．

2.3 科學(xué)探究,尋找規(guī)律

(1) 提出問題,猜想假設(shè).

問題5:你認(rèn)為彈性勢能Ep可能跟哪些因數(shù)有關(guān)呢?依據(jù)是什么?

學(xué)生猜想:形變量x、勁度系數(shù)k．生活依據(jù):生活中拉彈弓,橡皮筋的形變量越大,石子被彈得越遠(yuǎn);橡皮筋根數(shù)越多,石子被彈得越遠(yuǎn)．

學(xué)生體驗:感受彈性勢能Ep與形變量x、勁度系數(shù)k的關(guān)系(提供一軟一硬兩根彈簧)

問題6:通過你的親身體驗,你覺得Ep與x、k存在怎樣的關(guān)系?

設(shè)計思想:牛頓說過:“沒有大膽的猜想,就做不出偉大的發(fā)現(xiàn)”,物理學(xué)史上很多偉大的發(fā)明和發(fā)現(xiàn)都源于猜想．猜想作為科學(xué)探究中的重要環(huán)節(jié),在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維,發(fā)展學(xué)生的科學(xué)探究能力等核心素養(yǎng)方面有著不可替代的作用．在課堂教學(xué)中,教師要為學(xué)生的猜想假設(shè)提供開放的環(huán)境和充足的時間,給學(xué)生暢所欲言的機(jī)會,允許學(xué)生突發(fā)奇想,甚至異想天開．學(xué)生根據(jù)自己的生活經(jīng)驗以及教師創(chuàng)設(shè)的情境親身體驗后應(yīng)該比較容易就能得出彈性勢能跟形變量和勁度系數(shù)有關(guān),且形變量越大,彈性勢能越大;勁度系數(shù)越大,彈性勢能越大的定性結(jié)論．但彈性勢能與形變量和勁度系數(shù)到底存在怎樣的定量關(guān)系,學(xué)生就會存在思維的瓶頸,學(xué)生大多只能猜想到彈性勢能與勁度系數(shù)成正比,而與形變量的關(guān)系,有學(xué)生會猜想可能與形變量成正比,也有學(xué)生會猜想可能與形變量的平方成正比……通過猜想假設(shè),能極大地調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性,激發(fā)學(xué)生探索新知的欲望．教師要放開手腳,解放學(xué)生的頭腦,抓住每一個可以讓學(xué)生猜想的機(jī)會,鼓勵學(xué)生大膽猜想,敢于懷疑,以此培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神．

課堂生成:教學(xué)中,在大家還在糾結(jié)彈性勢能到底與形變量成正比還是形變量平方成正比時,一位學(xué)生站起來回答說彈性勢能應(yīng)該與形變量的平方成正比．理由是首先他也認(rèn)為彈性勢能Ep與彈簧的勁度系數(shù)k成正比,如果彈性勢能Ep與形變量x成正比,則彈性勢能Ep正比于勁度系數(shù)k和形變量x的乘積,這樣Ep的單位J與k和x乘積的單位N前后不統(tǒng)一;如果彈性勢能Ep與形變量x2成正比,則彈性勢能Ep正比于勁度系數(shù)k和形變量x2的乘積,這樣Ep的單位J與k和x2乘積的單位J前后就可以統(tǒng)一了．德國教育學(xué)家第斯多惠說過:“一個壞的教師奉送真理,一個好的教師教人發(fā)現(xiàn)真理．”“石本無火,相擊而發(fā)靈光”,教師要多通過提出問題、討論交流等方式留下“空白”,引發(fā)學(xué)生思考與探究;教師要多通過耐心傾聽、允許出錯等方式抓住課堂的生成,激發(fā)學(xué)生質(zhì)疑意識與潛能,這對培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維有重大的現(xiàn)實意義．

(2) 設(shè)計方案,交流評估.

問題7:研究一個物理量與兩個物理量間的關(guān)系,采用什么方法?

問題8:分組討論設(shè)計實驗方案,各小組代表把自己小組的實驗方案作一簡要的匯報交流．

提醒學(xué)生請從下列四個方面入手: ① 明確實驗?zāi)康? ② 設(shè)置實驗情景; ③ 選用實驗器材; ④ 擬定實驗方法．

圖2

方案1:如圖2所示,將彈簧的下端固定．保持勁度系數(shù)k一定,將小球向下壓縮到不同位置,測量彈簧的形變量x,測出物體上升的最大高度h,研究Ep(h)與x的關(guān)系;保持壓縮量x一定,將小球向下分別壓縮不同型號的彈簧,測出物體上升的最大高度h,研究Ep(h)與k的關(guān)系．

圖3

圖4

方案3: 該方案與方案2類似,只不過速度v不是通過光電門測得,而是通過平拋運動規(guī)律測得．由平拋原理s∝v0,得到Ep∝s2,改變形變量x,從而研究Ep與x關(guān)系．

學(xué)生討論:

圖5

方案1理論可行,但實際操作中存在兩個問題:① 小球彈起過程中不能保證豎直② 小球上升到的最高點如何確定．改進(jìn)如圖5,彈簧下端固定在鐵架臺上,小球改為小環(huán),這樣可以保證小環(huán)在豎直方向上升,不足之處物體與豎直桿的摩擦有時比較大．關(guān)于小環(huán)上升到最高點位置的確定,可以參考平拋運動實驗中軌跡確定的方法,即用筆尖在小環(huán)可能到達(dá)的最高點等待．

圖6

方案3理論可行,暫時沒有想出改進(jìn)方案．

設(shè)計思想:著名教育家蘇霍姆林斯基說過:“在人的心靈深處,都有一種根深蒂固的需要,這就是希望自己是一個發(fā)現(xiàn)者、研究者、探索者,而在青少年的精神世界中,這種需要特別強(qiáng)烈．”所以教師在進(jìn)行實驗指導(dǎo)時,要擺脫以教師中心的束縛,將課堂的時間盡最大可能還給學(xué)生,只有在學(xué)生出現(xiàn)思維障礙時,方可給予指導(dǎo),真正做到“貴在引導(dǎo),要在轉(zhuǎn)化,妙在開竅”．教師要讓學(xué)生參與物理實驗的設(shè)計過程,多讓學(xué)生想想應(yīng)該怎么做,說說為什么這么做,以此打開學(xué)生的思路,啟迪學(xué)生的思維;教師要讓學(xué)生親歷物理問題的解決過程,多讓學(xué)生議議實驗方案中的問題,談?wù)勛约旱男乱娊?以此培養(yǎng)學(xué)生克服困難的堅強(qiáng)意志,體驗和享受合作的成果,在潛移默化中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力和鍥而不舍的創(chuàng)新精神．

(3) 學(xué)生實驗,分析論證.

提供器材:鐵架臺、粗細(xì)0.8 mm長12 cm內(nèi)徑的彈簧一根、粗細(xì)1.5 mm長12 cm內(nèi)徑的彈簧一根、PVC圓管兩個(長2.5 cm,外徑17 mm)、米尺

學(xué)生根據(jù)按照方案1的改進(jìn)方案分組實驗,教師巡視指導(dǎo),最終學(xué)生得到彈性勢能與勁度系數(shù)成正比,與形變量平方成正比的結(jié)論．

設(shè)計思想:“紙上得來終覺淺,絕知此事要躬行”,只有親身經(jīng)歷過的事情,印象才是最深刻的．通過分組實驗,讓學(xué)生深度參與實驗過程,親歷思維的發(fā)展歷程,不僅能培養(yǎng)學(xué)生的實驗動手能力與語言表達(dá)能力,增強(qiáng)學(xué)生的協(xié)同意識與合作精神,而且對學(xué)生形成嚴(yán)謹(jǐn)求實的科學(xué)態(tài)度,終身學(xué)習(xí)的意識等核心素養(yǎng)有著深遠(yuǎn)的意義．

(4) 理論探究,體驗邏輯力量.

問題9:請同學(xué)們回憶一下我們研究過的重力勢能與重力做功的關(guān)系?能否通過類比得出彈性勢能與彈性做功的關(guān)系呢?

問題10:再請同學(xué)們回憶一下,我們是怎樣得到重力勢能的表達(dá)式的?能否運用同樣的思路,來分析彈力做功的情況呢?

圖7

問題11:有一原長為x0,勁度系數(shù)為k的彈簧,一端固定．在外力F作用下,緩慢從O拉到A,伸長量為x,則此過程中彈簧彈力所做的功?

鋪墊1:彈簧彈力在拉伸過程中是否發(fā)生變化?

鋪墊2:變力做功可以怎么處理?我們以前有沒有學(xué)過類似的方法?

鋪墊3:重力勢能具有相對性,同樣彈性勢能也具有相對性,一般取原長處為彈性勢能零點．

學(xué)生思考,討論,交流.

方案1： 微元法

把彈簧從O到A的過程分成很多小段Δx,在每個小段Δx上,彈力可以看成恒力

W=W1+W2+…+WN=

-(kΔx·Δx+k2Δx·Δx+…+kNΔx·Δx)=

因為W=-ΔEp=-(Ep-Ep0)=-Ep.

方案2: 圖像法

圖8

類比遷移: 勻加速直線運動的位移:v-t圖像中應(yīng)用微元法; 外力F(變力)做的功:F-x圖像中應(yīng)用微元法

因為WF=ΔEp=Ep-Ep0=Ep-0，

設(shè)計思想:美國著名物理學(xué)家密立根說:“科學(xué)靠兩條腿走路,一是理論,一是實驗．有時這一條腿走在前面,有時另一條腿走在前面,但只有使用兩條腿走路才能前進(jìn)．”可見,理論探究與實驗探究相結(jié)合的方法才是最科學(xué)的研究方法,更具有嚴(yán)謹(jǐn)性和說服力．教師通過創(chuàng)設(shè)問題情境,引導(dǎo)學(xué)生重演物理規(guī)律發(fā)現(xiàn)的過程,加深學(xué)生對規(guī)律的認(rèn)識,體悟探究中運用科學(xué)方法．首先通過重力勢能表達(dá)式探究的過程類比確定彈性勢能表達(dá)式探究的方向,然后分析發(fā)現(xiàn)彈力是變力的問題,再通過借鑒勻變速運動中利用微元法化變?yōu)椴蛔兊乃枷?利用等差數(shù)列求和公式或圖像法解決問題．通過彈性勢能表達(dá)式的理論探究,滲透類比、微元、圖像等物理思想方法,培養(yǎng)學(xué)生運用數(shù)學(xué)知識解決物理問題的能力以及知識的遷移能力,最終達(dá)到發(fā)展智力,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力．

倡導(dǎo)基于核心素養(yǎng)的課堂教學(xué)是新時代教育的訴求,這種訴求說到底就在于實現(xiàn)課堂的轉(zhuǎn)型,即由“教堂”轉(zhuǎn)為“學(xué)堂”,由“知識為本的物理教學(xué)”轉(zhuǎn)為“培育核心素養(yǎng)為主的物理教育”．在此思想指引下,教師要突出學(xué)生學(xué)習(xí)的主體性,充分相信學(xué)生,讓學(xué)生在富有活力的課堂上自主探究．讓我們一起努力,使核心素養(yǎng)在物理課堂茁壯成長.