核心素養(yǎng)導(dǎo)向下的“機(jī)械能守恒定律”教學(xué)設(shè)計(jì)

(上海市莘莊中學(xué),上海 201199)

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)，教師應(yīng)在核心素養(yǎng)的導(dǎo)向下進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境，組織教學(xué)活動(dòng)。本文以滬科版高中物理教材中“機(jī)械能守恒定律”的教學(xué)為例，探討在課堂教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的設(shè)計(jì)思路。

1 設(shè)計(jì)意圖

“機(jī)械能守恒定律”(第一課時(shí))是學(xué)習(xí)各種形式能量轉(zhuǎn)化規(guī)律的起點(diǎn)，亦是力學(xué)的重要組成部分，是認(rèn)識(shí)自然、掌握自然規(guī)律的重要“工具”，是建立正確能量觀的重要載體。在本節(jié)課的學(xué)習(xí)中，學(xué)生需經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)探究與理論探究相結(jié)合的學(xué)習(xí)過程，通過功和能量變化關(guān)系的學(xué)習(xí)感受物質(zhì)世界的不斷變化與緊密聯(lián)系，從而建立能量觀念，感悟“守恒量”在物理研究中的重要意義。

2 培養(yǎng)目標(biāo)

物理核心素養(yǎng)是由物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四方面組成。

物理觀念是關(guān)于物質(zhì)觀念、運(yùn)動(dòng)與相互作用、能量等的基本認(rèn)識(shí)，是物理概念和規(guī)律等在頭腦中的提煉與升華。本節(jié)主要涉及以下物理觀念：(1) 運(yùn)動(dòng)觀。機(jī)械能守恒定律的建立必須依托相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)模型，教學(xué)中利用擺的運(yùn)動(dòng)、自由落體運(yùn)動(dòng)、光滑斜面小車的運(yùn)動(dòng)等來(lái)探究機(jī)械能守恒定律。(2) 能量觀。本節(jié)課先從理論上分析自由落體運(yùn)動(dòng)中的機(jī)械能守恒，再針對(duì)三種不同類型的運(yùn)動(dòng)，通過實(shí)驗(yàn)探究機(jī)械能守恒，從而幫助學(xué)生建立正確的能量觀。

科學(xué)思維主要包括分析、模型建構(gòu)、質(zhì)疑、推理、論證等要素。本節(jié)主要涉及以下要素：(1) 模型建構(gòu)。引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)自由落體運(yùn)動(dòng)模型，對(duì)機(jī)械能守恒定律開展理論分析。(2) 科學(xué)推理。運(yùn)用科學(xué)推理，將機(jī)械能守恒從自由落體運(yùn)動(dòng)這一特殊的運(yùn)動(dòng)形式推廣到一般的運(yùn)動(dòng)形式。

科學(xué)探究是指提出物理問題、形成猜想和假設(shè)、制訂探究方案、獲取處理信息、基于證據(jù)得出結(jié)論、交流、反思等。本節(jié)課主要解決以下兩個(gè)問題：(1) 機(jī)械能守恒定律是什么？(2) 在什么情況下機(jī)械能守恒？在理論推導(dǎo)的基礎(chǔ)上，借助DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究與論證，從而解決本節(jié)課的教學(xué)重難點(diǎn)。

科學(xué)態(tài)度與責(zé)任是在認(rèn)識(shí)科學(xué)本質(zhì)，理解科學(xué)·技術(shù)·社會(huì)·環(huán)境(STSE)的關(guān)系基礎(chǔ)上逐漸形成的對(duì)科學(xué)和技術(shù)應(yīng)有的正確態(tài)度以及責(zé)任感。教學(xué)中通過三組不同的運(yùn)動(dòng)過程的實(shí)驗(yàn)探究，歸納總結(jié)出機(jī)械能守恒定律。希望學(xué)生通過嚴(yán)謹(jǐn)、細(xì)致、耐心的實(shí)驗(yàn)，分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，小組之間討論與交流，體會(huì)科學(xué)探究中的守恒思想，養(yǎng)成正確的科學(xué)態(tài)度。

3 教學(xué)實(shí)施

3.1 創(chuàng)設(shè)情境，發(fā)現(xiàn)問題，初具能量觀念

情境導(dǎo)入：課堂以綜藝節(jié)目——“加油向未來(lái)”的一段視頻來(lái)引入，小撒坐在擺球中被拉到距離地面8m高的空中，張騰躍則坐到和擺球完全對(duì)稱的位置上。在擺球完成擺動(dòng)的過程中，兩人在8m的高空嘗試擊掌。

師:小撒坐在大擺球中能否與張騰躍在空中擊掌成功，本節(jié)課的學(xué)習(xí)將為我們揭開謎底。

師:請(qǐng)說(shuō)說(shuō)視頻中蘊(yùn)含了有關(guān)功和能的哪些信息？在小撒的運(yùn)動(dòng)過程中，動(dòng)能、重力勢(shì)能發(fā)生了怎樣的變化？

師:以下擺過程為例，高度越來(lái)越低，重力勢(shì)能越來(lái)越小，重力勢(shì)能到哪里去了？

生：下擺過程中小撒的高度越來(lái)越低，他的速度卻越來(lái)越大，因此，重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。做功過程中，動(dòng)能和勢(shì)能發(fā)生相互轉(zhuǎn)化。

師:不僅重力勢(shì)能和動(dòng)能之間可以相互轉(zhuǎn)化，彈性勢(shì)能和動(dòng)能之間也可以相互轉(zhuǎn)化。

通過對(duì)視頻中所涉及的動(dòng)能、重力勢(shì)能進(jìn)行分析，引入機(jī)械能的概念。

3.2 問題引領(lǐng)，設(shè)計(jì)方案，培養(yǎng)科學(xué)思維

師:我們首先分析了在自由落體運(yùn)動(dòng)中動(dòng)能和重力勢(shì)能，機(jī)械能的變化又如何呢？

生：機(jī)械能是動(dòng)能與勢(shì)能的總和，在自由落體運(yùn)動(dòng)中，我們需要選擇運(yùn)動(dòng)過程中的兩個(gè)位置1和2，分別求出這兩個(gè)位置的動(dòng)能和重力勢(shì)能之后，進(jìn)而推導(dǎo)出機(jī)械能是否守恒。

學(xué)生分小組進(jìn)行理論探究，通過交流，總結(jié)得出結(jié)論：做自由落體運(yùn)動(dòng)的物體機(jī)械能守恒。

圖1

3.3 任務(wù)驅(qū)動(dòng)，實(shí)驗(yàn)探究，提升探究能力

師:除了豎直方向的自由落體運(yùn)動(dòng)，還有什么運(yùn)動(dòng)形式也可以用來(lái)研究機(jī)械能守恒的問題呢？如果讓你通過實(shí)驗(yàn)探究的方式去進(jìn)行研究，你會(huì)如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案？請(qǐng)根據(jù)已有的實(shí)驗(yàn)器材在組內(nèi)討論并完成實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)。

學(xué)生以小組為單位進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)并匯報(bào)。

甲組：我們組是在前面理論分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步通過實(shí)驗(yàn)的方法去研究自由落體運(yùn)動(dòng)(如圖1)，實(shí)驗(yàn)步驟如下：

(1) 將兩個(gè)光電門傳感器依次在固定鐵架臺(tái)上，并連接到數(shù)據(jù)采集器。

(2) 打開DIS通用軟件，點(diǎn)擊“開始”按鈕，讓物體從高處下落依次通過兩光電門，則物體通過兩只光電門時(shí)的擋光時(shí)間t1、t2會(huì)記錄在屏幕上。

(3) 利用光電門測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得出物體在h1處的速度v1、h2處的速度v2。通過數(shù)據(jù)計(jì)算，比較兩處的機(jī)械能大小。

乙組：結(jié)合課本“自主活動(dòng)”欄目，我們組研究是斜面上小車的機(jī)械能守恒情況(如圖2)，實(shí)驗(yàn)步驟如下：

圖2

(1) 將光電門傳感器固定在力學(xué)軌道上，并連接到數(shù)據(jù)采集器。

(2) 將軌道一端抬高，小車上安裝寬度為0.02m的擋光片，使小車及擋光片能夠順利通過并擋光。

(3) 打開DIS通用軟件，點(diǎn)擊“開始”按鈕，讓小車從軌道的高端下滑，使擋光片依次通過兩光電門，則擋光片通過兩只光電門的時(shí)間t1、t2會(huì)記錄在屏幕上。

(4) 利用光電門測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得出小車在h1處的速度v1、h2處的速度v2。通過數(shù)據(jù)計(jì)算，比較兩處的機(jī)械能大小。

丙組：研究擺錘在擺動(dòng)過程中的機(jī)械能情況(如圖3)，實(shí)驗(yàn)步驟如下：

圖3

(1) 架設(shè)好DIS機(jī)械能守恒實(shí)驗(yàn)器，光電門傳感器接入數(shù)據(jù)采集器，將磁鐵夾固定在機(jī)械能守恒實(shí)驗(yàn)器的A點(diǎn)。

(2) 點(diǎn)擊教材專用軟件主界面上的實(shí)驗(yàn)條目“研究機(jī)械能守恒定律”，打開該軟件。

(3) 將擺錘直徑0.0070m以及質(zhì)量0.0080kg輸入表格中。

(4) 點(diǎn)擊“開始記錄”按鈕，在A點(diǎn)釋放擺錘，擺錘通過光電門傳感器的速度就會(huì)顯示在表格中。

(5) 依次將光電門固定在B、C點(diǎn)，得到光電門在B、C位置的數(shù)據(jù)。

(6) 點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)計(jì)算”，得到擺錘通過A、B、C各點(diǎn)的動(dòng)能、勢(shì)能和機(jī)械能。

師:各組方案都比較成熟，下面的時(shí)間就交給同學(xué)們，根據(jù)制定的實(shí)驗(yàn)方案，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后我們以小組為單位進(jìn)行交流。

學(xué)生合作完成實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行交流展示。

甲組交流：我們對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了研究，下落物體擋光的寬度為1.2cm，設(shè)物體質(zhì)量為mkg，獲得的數(shù)據(jù)如表1。對(duì)實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后發(fā)現(xiàn)：在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi)，物體在自由落體過程中兩點(diǎn)的機(jī)械能大小相等。

表1

乙組：我們對(duì)斜面上小車的運(yùn)動(dòng)展開研究，實(shí)驗(yàn)中所用擋光片寬度為2cm,設(shè)小車質(zhì)量為mkg,獲得的數(shù)據(jù)如表2。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，得出結(jié)論：在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi)，運(yùn)動(dòng)的小車在斜面上兩點(diǎn)間的機(jī)械能相等。

表2

丙組：數(shù)據(jù)分析，基于擺錘擺動(dòng)過程進(jìn)行研究。根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析，擺錘從某處擺下總是可以到達(dá)對(duì)面等高的位置，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3，該組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知：在擺錘擺動(dòng)過程中機(jī)械能守恒。

表3

綜合以上三組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，我們可知在只有重力做功的情況下，物體的動(dòng)能和重力勢(shì)能發(fā)生相互轉(zhuǎn)化，但機(jī)械能總量保持不變，這個(gè)規(guī)律叫做機(jī)械能守恒定律。

3.4 前后呼應(yīng)，聯(lián)系實(shí)際

師:學(xué)過機(jī)械能守恒定律后，我們來(lái)揭開視頻的謎底，小撒和張騰躍能否在空中擊掌？為什么他們不能在空中擊掌成功？

生：如果不考慮一切阻力，機(jī)械能守恒，他們還有可能成功。因?yàn)橛凶枇Φ拇嬖?，機(jī)械能有損失，所以碰不到。

師:這位同學(xué)總結(jié)得很好。也就是說(shuō)，不是任何情況下機(jī)械能都是守恒的，機(jī)械能守恒是有條件的。

師:本節(jié)課我們分別通過理論分析和實(shí)驗(yàn)探究、論證、歸納的方法去研究了機(jī)械能守恒定律，理解了機(jī)械能守恒定律的內(nèi)容和定律成立的條件。在學(xué)習(xí)過程中我們用到了很多方法，希望同學(xué)們?cè)诮窈蟮膶W(xué)習(xí)中，除了關(guān)注所學(xué)的知識(shí)本身，也要多關(guān)注思維方法、實(shí)驗(yàn)探究的方法，這些對(duì)我們的終身發(fā)展更有意義。

4 課后反思

(1) 在教學(xué)中用綜藝節(jié)目的視頻引入，激發(fā)了學(xué)生的興趣。視頻震撼，學(xué)生仿佛身臨其境，將學(xué)生的注意力迅速聚焦到本節(jié)課的研究課題上。在新課引入時(shí)，只播放了視頻的前半段，并提出問題：“小撒和張騰躍能否空中擊掌成功？”給本節(jié)課的學(xué)習(xí)留下一個(gè)懸念，激發(fā)學(xué)生探索的欲望。在學(xué)完機(jī)械能守恒定律之后，播放了視頻的后半段，讓學(xué)生用學(xué)到的知識(shí)對(duì)視頻結(jié)果進(jìn)行解釋，理解機(jī)械能守恒定律的成立條件。將視頻與教學(xué)內(nèi)容充分整合，將教學(xué)資源的作用發(fā)揮到最大。

(2) 建立自由落體運(yùn)動(dòng)模型，對(duì)機(jī)械能守恒進(jìn)行理論推導(dǎo)，一方面是幫助學(xué)生初步建立能量守恒觀，另一方面也為后面的實(shí)驗(yàn)探究提供理論支撐。同時(shí)，該過程也是學(xué)生科學(xué)思維、提升的過程，在推導(dǎo)過程中涉及動(dòng)能、重力勢(shì)能以及功和能量變化的關(guān)系等相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，對(duì)學(xué)生知識(shí)應(yīng)用的能力提出了較高的要求。在課堂教學(xué)中，還需關(guān)注學(xué)困生，多加指導(dǎo)。

(3) 實(shí)驗(yàn)中的三種典型的運(yùn)動(dòng)形式均來(lái)源于教材中，學(xué)生在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案時(shí)普遍感到難度不大。在實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，各小組對(duì)實(shí)驗(yàn)過程、觀察到的現(xiàn)象以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了展示，最后全班同學(xué)將實(shí)驗(yàn)結(jié)論進(jìn)行歸納。使得機(jī)械能守恒定律的內(nèi)容在學(xué)生們的相互協(xié)作中應(yīng)運(yùn)而生，實(shí)現(xiàn)了“做”中學(xué)。通過實(shí)驗(yàn)探究，學(xué)生能清晰地理解實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)機(jī)械能守恒“不和諧”的原因：有除了重力之外的力在做功。

在課堂教學(xué)中，教師要去指導(dǎo)全班學(xué)生進(jìn)行三種分組實(shí)驗(yàn)，顯然分身乏術(shù)。針對(duì)每種實(shí)驗(yàn)，教師在課前準(zhǔn)備了相應(yīng)的工作單，學(xué)生可以根據(jù)工作單上的提示，完成相應(yīng)的設(shè)計(jì)，展開實(shí)驗(yàn)。但是在實(shí)際教學(xué)過程中依然出現(xiàn)了個(gè)別小組對(duì)課桌上的一堆實(shí)驗(yàn)器材無(wú)從下手的情況，也有些小組在最后的數(shù)據(jù)處理上出現(xiàn)問題，所以提升學(xué)生的科學(xué)探究能力任重而道遠(yuǎn)。