基于物理核心素養(yǎng)的動能定理教學(xué)設(shè)計(jì)

李杰 邢紅軍

摘 要：在深入分析現(xiàn)行高中物理“動能定理”一節(jié)教材編寫的基礎(chǔ)上，依據(jù)物理核心素養(yǎng)和原始物理問題教學(xué)理論，分別從抽象問題、畫出圖象、設(shè)置變量、運(yùn)用規(guī)律、選取方法和數(shù)學(xué)變換等方面，展開了基于物理核心素養(yǎng)的動能定理教學(xué)設(shè)計(jì).最后，提出物理教學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)實(shí)施生態(tài)化的物理教學(xué)、顯化物理教學(xué)中的科學(xué)方法、注重物理思想的滲透.

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng); 動能定理; 原始物理問題

研究方向：物理課程與教學(xué)論.? 動能定理作為高中物理教學(xué)的重要一節(jié)，是連接功和能關(guān)系的重要樞紐.深入挖掘本節(jié)課教學(xué)過程中蘊(yùn)含的豐富內(nèi)涵，既有助于學(xué)生建構(gòu)功能關(guān)系的知識框架，把握動能定理的物理學(xué)本質(zhì)，又對提升學(xué)生的物理核心素養(yǎng)大有裨益.由此，筆者展開了基于物理核心素養(yǎng)的動能定理教學(xué)設(shè)計(jì).

1 現(xiàn)行教材中動能定理的編寫分析

現(xiàn)行人教版高中物理教科書在“動能和動能定理”一節(jié)單獨(dú)設(shè)置了“實(shí)驗(yàn)：探究功與速度變化的關(guān)系”，之后再進(jìn)行動能定理表達(dá)式的推導(dǎo)，旨在引導(dǎo)教師采用探究式教學(xué)，從而培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究精神.

通過上一節(jié)的實(shí)驗(yàn)探究，學(xué)生已經(jīng)初步得到提示“物體動能的表達(dá)式中可能包含v2這個(gè)因子.”隨后，教材具體分析了“物體在恒力作用下在光滑地面發(fā)生了一段位移”這一物理過程，首先設(shè)置物理量：物體的質(zhì)量為m，與物體運(yùn)動方向相同的恒力F、位移l、初速度v1及末速度v2，運(yùn)動過程中F做的功為W=Fl，進(jìn)而根據(jù)動力學(xué)知識、運(yùn)動學(xué)知識以及功和能的關(guān)系，通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)得到了動能定理的表達(dá)式，并結(jié)合上節(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)論，定義動能的表達(dá)式：Ek=12mv2[1].

由于學(xué)生首次接觸動能概念的定量表達(dá)，缺乏對概念本質(zhì)的認(rèn)識與理解.因此，僅采用教材中的理論推導(dǎo)，對于學(xué)生理解動能定理的本質(zhì)是有一定難度的.分析發(fā)現(xiàn)，造成學(xué)生理解困難的原因有二：首先，從教學(xué)流程的安排看，教材中安排的教學(xué)過程沒有涉及科學(xué)方法以及其中蘊(yùn)含的物理思想.教學(xué)過程僅是為了得出動能定理的表達(dá)式而設(shè)計(jì)的知識教學(xué)，這其實(shí)是舍本逐末的做法.其次，從動能定理的推導(dǎo)過程看，教材中并未對推導(dǎo)過程需要用到的物理量進(jìn)行清晰的說明.即為什么要設(shè)置物理量？如何設(shè)置物理量？應(yīng)該設(shè)置哪些物理量？根據(jù)所設(shè)物理量，還需要設(shè)置哪些中間變量？加速度（中間變量）為什么沒有設(shè)置？這些看似無足輕重的細(xì)節(jié)，其實(shí)對教學(xué)邏輯具有舉足輕重的影響，它的缺失必然導(dǎo)致整個(gè)推導(dǎo)過程邏輯混亂.因此，這樣的教學(xué)設(shè)計(jì)就不利于學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展與科學(xué)探究能力的形成.

針對上述問題，結(jié)合動能定理一節(jié)的教學(xué)特點(diǎn)，我們提出以物理核心素養(yǎng)作為理論指導(dǎo)，以原始物理問題解決為主線的教學(xué)設(shè)計(jì).

2 基于核心素養(yǎng)的動能定理教學(xué)設(shè)計(jì)

核心素養(yǎng)是個(gè)體在面對復(fù)雜的、不確定的現(xiàn)實(shí)問題時(shí)，能夠發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的綜合品質(zhì)[2]，提倡在具體情境中分析和解決問題.而原始物理問題是從物理現(xiàn)象出發(fā)，學(xué)生根據(jù)需要自行設(shè)置物理量，并經(jīng)過抽象表征、圖象表征、賦值表征、物理表征、方法表征、數(shù)學(xué)表征等六個(gè)步驟方可解決的一種真實(shí)問題，它與核心素養(yǎng)的內(nèi)涵不謀而合.

事實(shí)上，對動能定理教學(xué)最通俗的解釋就是：一個(gè)講臺桌上的粉筆盒被擊打后在桌面上移動一段距離，問：這個(gè)現(xiàn)象中蘊(yùn)含了什么樣的物理規(guī)律？怎樣把這個(gè)規(guī)律推導(dǎo)出來.顯然，這就把動能定理的教學(xué)過程轉(zhuǎn)化為了原始物理問題的解決過程.在這樣的教學(xué)過程中，需要教師帶領(lǐng)學(xué)生明確問題研究的方向、通過建模、作圖、賦值、列方程、運(yùn)用科學(xué)方法、最終通過數(shù)學(xué)計(jì)算得出動能定理[3].

在教學(xué)引入環(huán)節(jié)，教師重演生活中司空見慣的物理現(xiàn)象：用手沿水平方向快速擊打講臺上的粉筆盒，發(fā)現(xiàn)粉筆盒運(yùn)動一段距離后靜止了.接著，請學(xué)生思考：粉筆盒停下來的原因及其背后可能蘊(yùn)含的物理規(guī)律.在此基礎(chǔ)上，教師帶領(lǐng)學(xué)生展開動能定理的教學(xué).

2.1 抽象問題：動能定理教學(xué)的第一步

為了研究粉筆盒在水平桌面上的運(yùn)動過程，可以忽略粉筆盒的大小、形狀等因素，將粉筆盒抽象為一個(gè)質(zhì)點(diǎn).此外，為了更好地把握問題的本質(zhì)，應(yīng)該忽略運(yùn)動過程中的次要因素，保留主要因素.分析可知，粉筆盒在水平方向的運(yùn)動過程中，會受到桌面的摩擦力及空氣阻力，由于空氣阻力遠(yuǎn)小于摩擦力，可將空氣阻力忽略.由此可見，通過將粉筆盒抽象成質(zhì)點(diǎn)，將空氣阻力忽略，幫助學(xué)生在頭腦中初步建立起質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動模型.

2.2 畫出圖象：動能定理教學(xué)的第二步

畫出圖象，有利于學(xué)生對問題產(chǎn)生更加清楚的認(rèn)識和理解.在上述抽象中，將粉筆盒抽象成質(zhì)點(diǎn)，但是在畫圖的過程中，若將粉筆盒看作一個(gè)點(diǎn)，會使得物理情景不夠直觀、形象.因此，在畫圖時(shí)，粉筆盒可以適當(dāng)呈現(xiàn)一定的形狀，但質(zhì)量均集中在重心上，在后續(xù)進(jìn)行受力分析時(shí)，仍需將其看做質(zhì)點(diǎn)，如圖1所示.

2.3 設(shè)置變量：動能定理教學(xué)的第三步

為了推導(dǎo)出動能定理，需要設(shè)置相關(guān)的物理量.具體來說，設(shè)粉筆盒質(zhì)量為m，初速度為v1，末速度為v2，位移為l，所受摩擦力為f，加速度為a，并將其標(biāo)在圖象上，如圖2所示.

在動能定理教學(xué)中，教師應(yīng)特別注意引導(dǎo)學(xué)生思考：為什么要設(shè)置物理量？如何設(shè)置物理量和設(shè)置哪些物理量，這也是基于物理核心素養(yǎng)的動能定理教學(xué)設(shè)計(jì)和傳統(tǒng)教學(xué)設(shè)計(jì)的重要區(qū)別.在以往的教學(xué)設(shè)計(jì)中，物理量的設(shè)置在很多情況下被認(rèn)為是理所當(dāng)然的，很少有人思考過設(shè)置物理量的意義和價(jià)值.思考這一環(huán)節(jié)在動能定理推導(dǎo)過程中的承上啟下作用.這種情況與我國中學(xué)物理的習(xí)題教學(xué)有著密切的關(guān)系.因?yàn)樵诹?xí)題教學(xué)中，習(xí)題中的物理量往往已被命題人員設(shè)置了.

2.4 運(yùn)用規(guī)律：動能定理教學(xué)的第四步

這一環(huán)節(jié)要求學(xué)生將動能定理的推導(dǎo)與物理規(guī)律聯(lián)系起來，確定與問題相關(guān)的概念、規(guī)律以及公式.

如何選擇恰當(dāng)?shù)奈锢硪?guī)律與物理公式？首先需要對研究對象的運(yùn)動過程進(jìn)行分析.擊打粉筆盒的過程即對粉筆盒施加了力，使得粉筆盒沿水平方向發(fā)生了一段位移.因?yàn)榇嬖诹Φ淖饔?，粉筆盒做加速運(yùn)動，因此具有加速度，速度將會增大.功是能量轉(zhuǎn)化的量度，為了研究動能，就需要對這一過程的合外力做功進(jìn)行分析.因此，在擊打粉筆盒這一物理情境中，包含合外力與加速度的關(guān)系（牛頓第二運(yùn)動定律），運(yùn)動學(xué)關(guān)系，以及合外力做功.

由此可知，動能定理得出需要用到的物理規(guī)律包括：牛頓第二定律F=ma、運(yùn)動學(xué)方程v22-v21=2al，以及功的公式W=fl.

2.5 選取方法：動能定理教學(xué)的第五步

如何將所選取的物理知識運(yùn)用于動能定理的推導(dǎo)，這就需要借助科學(xué)方法.就本節(jié)課的理論推導(dǎo)而言，所采用的科學(xué)方法是演繹推理法.這種方法是以人們已知的客觀規(guī)律為依據(jù)，通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)，推出未知規(guī)律的方法.顯而易見，已知的客觀規(guī)律包括功的定義式、牛頓第二定律方程以及運(yùn)動學(xué)方程，而未知的規(guī)律就是動能定理的表達(dá)式.

2.6 數(shù)學(xué)變換：動能定理教學(xué)的第六步

因此，由上述六步過程，按部就班地推導(dǎo)出了動能定理的表達(dá)式，也就是力在一個(gè)過程中對物體做的功，等于物體在這個(gè)過程中動能的變化.在模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證的過程中，有效地提升了學(xué)生的物理核心素養(yǎng).此外，值得一提的是，在理論推導(dǎo)完成之后，教師應(yīng)對合外力做功這一概念進(jìn)行深入解釋，W=fl不僅僅是合外力做功，更是力在空間的累積效應(yīng)，而這一“累積”物理思想是教師應(yīng)該在教學(xué)中顯化并強(qiáng)調(diào)的.

當(dāng)順利推導(dǎo)出動能定理的表達(dá)式后，教師可以向?qū)W生呈現(xiàn)一個(gè)全新的物理情境，如圖3所示.小球沿著半徑為R的光滑圓弧從A點(diǎn)由靜止運(yùn)動至最低點(diǎn)O，教師鼓勵(lì)學(xué)生運(yùn)用動能定理求出小球到達(dá)O點(diǎn)時(shí)的速度大小，讓學(xué)生在研究過程中體會新情境與舊情境的區(qū)別.對于舊情境——擊打粉筆盒，主要是在水平直線軌跡上研究動能定理，即一維空間.然而，對于新情境——沿圓弧運(yùn)動下落，卻是在曲線軌跡上運(yùn)用動能定理，即二維空間.學(xué)生在知識遷移的過程中，可以更加深刻地體會到動能定理的普遍適用性，進(jìn)一步加深對于動能定理的理解和認(rèn)識，從而發(fā)展自己的物理核心素養(yǎng).

3 基于核心素養(yǎng)的動能定理教學(xué)設(shè)計(jì)啟示

正是在物理核心素養(yǎng)和原始物理問題教學(xué)理論的指引下，使得動能定理的教學(xué)設(shè)計(jì)展現(xiàn)出了新的視角.因此，通過本節(jié)課教學(xué)設(shè)計(jì)的研究，我們得到了以下啟示.

3.1 實(shí)施生態(tài)化的物理教學(xué)

在本節(jié)教學(xué)中，教師快速擊打粉筆盒，粉筆盒運(yùn)動一段距離后最終停下來，這一物理現(xiàn)象的呈現(xiàn)，是動能定理教學(xué)得以“破題”并順利展開的前提.

筆者認(rèn)為，動能定理教學(xué)的關(guān)鍵是應(yīng)當(dāng)注重教學(xué)的生態(tài)化，幫助學(xué)生在真實(shí)的情境中研究問題，從而促進(jìn)學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展.在本節(jié)課中，由快速擊打粉筆盒這一物理現(xiàn)象為切入點(diǎn)，提出開放性問題：這個(gè)現(xiàn)象中蘊(yùn)含了什么樣的物理規(guī)律？引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)已有的物理知識，賦值、畫圖、列式、計(jì)算……從而得到最終的物理規(guī)律.這樣生態(tài)化的物理教學(xué)相比于傳統(tǒng)教學(xué)而言，更能幫助學(xué)生學(xué)習(xí)與理解動能定理的本質(zhì).同時(shí)，也最大化地訓(xùn)練、提升了學(xué)生的物理思維，促進(jìn)了學(xué)生物理核心素養(yǎng)的發(fā)展.

3.2 顯化物理教學(xué)中的科學(xué)方法

科學(xué)方法既是教學(xué)邏輯的主線，也是獲取物理知識的主要途徑.目前的物理教學(xué)雖然已經(jīng)加強(qiáng)了科學(xué)方法教育，但仍需進(jìn)一步將科學(xué)方法加以顯化.按照科學(xué)方法中的物理學(xué)認(rèn)知結(jié)構(gòu)理論，物理概念、規(guī)律需要借助科學(xué)方法才能形成.因此，物理教學(xué)應(yīng)顯化科學(xué)方法.

在推導(dǎo)動能定理時(shí)，所使用的科學(xué)方法是演繹推理法.即教師引導(dǎo)學(xué)生從快速擊打粉筆盒這一物理現(xiàn)象出發(fā)，分析粉筆盒的受力情況、加速度變化、速度變化、位移變化等，并由此確定相關(guān)的物理規(guī)律，進(jìn)而列出準(zhǔn)確的物理表達(dá)式，推導(dǎo)物理規(guī)律，最后向?qū)W生著重講解演繹推理的相關(guān)邏輯知識.

由于科學(xué)方法是物理知識的脈絡(luò)，借助科學(xué)方法就能迅速抓住動能定理推導(dǎo)的關(guān)鍵，并有助于學(xué)生真正掌握動能定理.此外，演繹推理法在學(xué)生的學(xué)習(xí)和生活中會無意識地經(jīng)常用到，因此，顯化并強(qiáng)調(diào)該方法就更顯得尤為重要.

3.3 注重物理思想的滲透

物理教學(xué)要體現(xiàn)從物理知識教育到物理方法教育，再到物理思想形成的過程[4]，同時(shí)達(dá)成教學(xué)邏輯與學(xué)生心理邏輯的統(tǒng)一.而物理思想是在創(chuàng)立和發(fā)展物理科學(xué)理論的過程中，對知識和方法概括而形成的一種科學(xué)認(rèn)識，廣泛貫穿于整個(gè)物理教學(xué)中[5].

就本節(jié)課而言，不僅僅是合外力做功，更是力在空間的累積效應(yīng)，而這種累積效應(yīng)不僅適用于恒力做功，對于變力做功也同樣適用.只有領(lǐng)會這一物理思想，才能對動能定理中的合外力做功有本質(zhì)的認(rèn)識與理解.

“累積”的物理思想，在后續(xù)的物理學(xué)習(xí)中，也同樣有著重要的應(yīng)用.例如在學(xué)習(xí)沖量概念時(shí)，就是力在時(shí)間上的累積.只要學(xué)生在本節(jié)課充分理解并掌握了這一物理思想，就可以更加輕松、準(zhǔn)確地理解功、沖量等概念的物理本質(zhì)，并在滲透物理思想的過程中發(fā)展物理核心素養(yǎng).

參考文獻(xiàn)：

[1]人民教育出版社課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心. 物理（必修2）[M]. 北京：人民教育出版社，2010.

[2]林崇德.21世紀(jì)學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)研究[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，2016.

[3]邢紅軍，石堯. 原始物理問題教學(xué)：一個(gè)本土化教學(xué)理論的創(chuàng)生[J].教育學(xué)術(shù)月刊，2016（09）：83-90.

[4]邢紅軍，張抗抗. 論物理思想的教育價(jià)值及其啟示[J].教育科學(xué)研究，2016（08）：61-68.

[5]邢利華.淺談中學(xué)物理教學(xué)中如何滲透物理思想[J].知識經(jīng)濟(jì)，2013（12）：134.