大概念理念下的“勢(shì)能”教學(xué)設(shè)計(jì)

吳愛(ài)兄

(陳經(jīng)綸中學(xué) 北京 100037)

隨著“核心素養(yǎng)”的提出和發(fā)展，近幾年物理高考越來(lái)越注重在真實(shí)情境中考查學(xué)生對(duì)物理核心概念的深入理解，注重在解決問(wèn)題的過(guò)程中考查學(xué)生對(duì)核心方法的靈活應(yīng)用.高三物理教學(xué)不僅要幫助學(xué)生喚醒和重組知識(shí)，更重要的是提升學(xué)生的建構(gòu)能力.使其更加深入地理解高中階段的核心概念，領(lǐng)悟?qū)W科思想，提升學(xué)科素養(yǎng)，促進(jìn)學(xué)生的深度學(xué)習(xí).基于大概念理念的教學(xué)主張圍繞一些大概念把比較零散的知識(shí)進(jìn)行整合，既是提高教學(xué)質(zhì)量和課堂教學(xué)效率的關(guān)鍵，也是提高學(xué)生物理核心素養(yǎng)的基本要求.

1 基于大概念理念的教學(xué)設(shè)計(jì)思路

大概念包括共通概念和學(xué)科核心概念.共通概念側(cè)重于跨學(xué)科內(nèi)容的組織，而核心概念多用來(lái)整合某一學(xué)科內(nèi)的知識(shí).學(xué)科核心概念是組織整合某一個(gè)學(xué)科自身內(nèi)容的少數(shù)關(guān)鍵概念.

圍繞大概念進(jìn)行學(xué)習(xí)，就是要把握住學(xué)科的核心概念，圍繞學(xué)科的核心概念來(lái)建構(gòu)關(guān)鍵物理概念.傳統(tǒng)的高三課堂教學(xué)迫于升學(xué)壓力只關(guān)注具體知識(shí)點(diǎn)的要求，而不關(guān)注知識(shí)的整體結(jié)構(gòu)，只關(guān)注試題的選擇，而不關(guān)注物理概念規(guī)律的重構(gòu).學(xué)生只依靠不斷練習(xí)去糾正錯(cuò)誤，使得大多數(shù)學(xué)生的物理學(xué)習(xí)是線性化、碎片化以及功利化；并沒(méi)有形成學(xué)科的核心概念和認(rèn)知結(jié)構(gòu).大概念理念下的學(xué)科核心概念超越了那些孤立而散亂存在的事實(shí)或技能，對(duì)減輕學(xué)生的認(rèn)知負(fù)擔(dān)、促進(jìn)學(xué)生形成對(duì)自然界的整體認(rèn)識(shí)具有重要作用；能有效促進(jìn)學(xué)生理解學(xué)科認(rèn)知、構(gòu)建學(xué)科體系.

大概念下的高三物理教學(xué)主張通過(guò)對(duì)物理概念的深入討論和有效整合，幫助學(xué)生建構(gòu)物理概念的知識(shí)體系，形成學(xué)科核心概念，促進(jìn)學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)化，認(rèn)知深入化.

以“勢(shì)能”這一核心概念為例.按照大概念---核心概念---物理概念的層次來(lái)建構(gòu)的話，其概念層次如圖1所示.

圖1 勢(shì)能概念層次圖

從核心概念的知識(shí)結(jié)構(gòu)中不難發(fā)現(xiàn)重力勢(shì)能是勢(shì)能概念的重要組成部分，勢(shì)能概念是能量觀念中重要的分支.能量概念和功的概念是密不可分的兩個(gè)概念，共同支撐功是能量轉(zhuǎn)化的量度這一能量觀念.我們對(duì)重力勢(shì)能的深入理解不但可以幫助我們并聯(lián)建構(gòu)其他勢(shì)能概念，也可以促進(jìn)學(xué)生理解勢(shì)能這一核心概念.而對(duì)勢(shì)能核心概念深入理解則有助于我們挖掘不同勢(shì)能的共同特征.

2 以“大概念”理念進(jìn)行“勢(shì)能”教學(xué)設(shè)計(jì)的實(shí)施

2.1 教學(xué)內(nèi)容和目標(biāo)的確定：強(qiáng)調(diào)整合與建構(gòu)

(1)整合不同形式勢(shì)能

勢(shì)能作為一種重要的能量形式貫穿于高中物理的力學(xué)、電學(xué)和熱學(xué)不同知識(shí)模塊、不同學(xué)段的不同章節(jié)中.涉及到的能量有重力勢(shì)能、彈性勢(shì)能、引力勢(shì)能、分子勢(shì)能、電勢(shì)能等.不同的勢(shì)能在高考說(shuō)明和課程標(biāo)準(zhǔn)中的要求也不同.(見(jiàn)表1、表2)

表1 課標(biāo)要求(新課標(biāo)對(duì)勢(shì)能的要求)

表2 2017年高考說(shuō)明對(duì)高中階段所學(xué)勢(shì)能的要求

對(duì)勢(shì)能的學(xué)習(xí)認(rèn)知途徑如圖2所示.

圖2 功能認(rèn)知途徑

重力勢(shì)能是學(xué)生最先接觸的勢(shì)能概念，較之其他形式的勢(shì)能，重力勢(shì)能與生活聯(lián)系最緊密，最便于學(xué)生理解.對(duì)重力勢(shì)能這個(gè)概念形成過(guò)程的深入研究和對(duì)重力勢(shì)能特點(diǎn)的深入討論有助于學(xué)生加深對(duì)重力勢(shì)能本身的理解，有助于學(xué)生遷移理解其他勢(shì)能概念.而對(duì)于不同勢(shì)能的比較分析則有助于學(xué)生整體把握勢(shì)能這個(gè)大概念.

(2)建構(gòu)勢(shì)能的認(rèn)知結(jié)構(gòu)

通過(guò)對(duì)重力勢(shì)能的深入分析并聯(lián)建構(gòu)其他勢(shì)能概念，形成勢(shì)能核心概念的教學(xué)整合，其功能和價(jià)值有以下幾點(diǎn).

從知識(shí)上看，可以讓學(xué)生進(jìn)一步明確重力做功的特點(diǎn)，了解重力做功與勢(shì)能的關(guān)系，理解重力勢(shì)能、彈性勢(shì)能、分子勢(shì)能、引力勢(shì)能等概念.

從方法上看，通過(guò)對(duì)重力勢(shì)能與其他形式勢(shì)能類比分析的復(fù)習(xí)，可以讓學(xué)生學(xué)會(huì)通過(guò)類比、歸納進(jìn)行復(fù)習(xí)的方法，在幫助學(xué)生建立物理大概念體系的同時(shí)形成學(xué)生自己的物理知識(shí)體系，找到自己高三復(fù)習(xí)的方法.

從學(xué)科素養(yǎng)上看，通過(guò)對(duì)勢(shì)能逐層深入分析可以幫助學(xué)生建立能量的觀念，提升學(xué)生的科學(xué)思維水平.

2.2 教學(xué)方法的選擇 強(qiáng)調(diào)聯(lián)系實(shí)際 閱讀教材 類比分析 思維互動(dòng)

(1)通過(guò)創(chuàng)設(shè)聯(lián)系實(shí)際的生活情境，引導(dǎo)學(xué)生從實(shí)際問(wèn)題中提煉物理問(wèn)題

應(yīng)用物理知識(shí)分析生活中的常見(jiàn)現(xiàn)象，可以使物理學(xué)習(xí)更加有趣和深入.學(xué)習(xí)物理就要用心觀察生活.在課堂引入環(huán)節(jié)，教師演示了一個(gè)有趣的兒童玩具“彈跳精靈”，如圖3所示，將小精靈放在桌面上向下按壓精靈，它會(huì)向上跳起.引導(dǎo)學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，提出物理問(wèn)題.結(jié)合學(xué)生提出來(lái)的問(wèn)題引導(dǎo)學(xué)生從力和運(yùn)動(dòng)的角度、動(dòng)量和沖量的角度、功和能的角度，對(duì)一個(gè)物理現(xiàn)象進(jìn)行深入分析.并就能量問(wèn)題進(jìn)行深入討論思考：有幾種形式的能，每一種能量是如何變化的，能量變化的判斷依據(jù)有哪些.

圖3 彈跳精靈

設(shè)計(jì)意圖：

通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生從物理學(xué)的3個(gè)不同角度對(duì)生活實(shí)際情境的深入分析，可以使學(xué)生對(duì)物理學(xué)科方法有更深入的理解，有意識(shí)地引導(dǎo)學(xué)生從物理的視角觀察生活，分析現(xiàn)象.培養(yǎng)學(xué)生的物理建模能力和用物理知識(shí)解決實(shí)際生活問(wèn)題的能力.

通過(guò)對(duì)能量變化的深入分析可以加深學(xué)生對(duì)功能關(guān)系的理解，加強(qiáng)學(xué)生從做功的角度來(lái)衡量能量變化的意識(shí)，為后續(xù)教學(xué)做好鋪墊.

(2)通過(guò)閱讀教材內(nèi)容，喚醒知識(shí)內(nèi)容，重溫概念形成過(guò)程

通過(guò)前面的復(fù)習(xí)學(xué)生已經(jīng)比較清晰的概念規(guī)律有：功是能量轉(zhuǎn)化的量度，重力做功與路徑無(wú)關(guān)，重力勢(shì)能變化可以通過(guò)重力做功來(lái)衡量.但是，對(duì)于這些知識(shí)的認(rèn)識(shí)僅停留在表面認(rèn)知階段，對(duì)于知識(shí)的形成過(guò)程沒(méi)有系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)和深入的思考，不能做到有效的遷移.所以本節(jié)設(shè)計(jì)了閱讀教材，完成表格與練習(xí)的教學(xué)環(huán)節(jié).表3和練習(xí)如下.

表3 重力勢(shì)能與彈性勢(shì)能的梳理表

【練習(xí)一】(題目來(lái)源人教版教材P62)判斷下列說(shuō)法是否正確并說(shuō)明理由( )

A.物體受拉力作用向上運(yùn)動(dòng)，拉力做功1 J，重力勢(shì)能增加量不一定是1 J

B.物體受拉力作用向上勻速運(yùn)動(dòng)，拉力做功1 J，重力勢(shì)能增加量不一定是1 J

C.物體運(yùn)動(dòng)，重力做功-1 J，重力勢(shì)能增加量不一定是1 J

D.沒(méi)有摩擦?xí)r物體由A沿直線運(yùn)動(dòng)到B，克服重力做的功是1 J，有摩擦?xí)r物體由A沿直線運(yùn)動(dòng)到B重力勢(shì)能增加量不一定是1 J

【練習(xí)二】(根據(jù)人教版教材題目改編)下列關(guān)于重力勢(shì)能的說(shuō)法中正確的是( )

①重力勢(shì)能是物體和地球共同具有的，而不是物體單獨(dú)具有的

②在同一高度，將同一物體以v0向不同方向拋出，落地時(shí)物體減少的重力勢(shì)能一定相等

③重力勢(shì)能等于零的物體，不可能對(duì)別的物體做功

④在地面上的物體，它的重力勢(shì)能一定為零

A．①② B．③④ C．①③ D．②④

設(shè)計(jì)意圖：

通過(guò)引領(lǐng)學(xué)生回歸教材，通過(guò)閱讀教材喚醒需要知識(shí)，這樣的教學(xué)設(shè)計(jì)一方面可以培養(yǎng)學(xué)生的閱讀能力，另一方面也可以引導(dǎo)學(xué)生回憶概念最初的形成過(guò)程.再結(jié)合教材題目的分析引發(fā)學(xué)生對(duì)重力勢(shì)能這一概念的深入思考.

(3)通過(guò)類比分析，深入理解核心概念，建構(gòu)勢(shì)能的認(rèn)識(shí)結(jié)構(gòu)

重力勢(shì)能、彈性勢(shì)能、電勢(shì)能、分子勢(shì)能是學(xué)生在不同學(xué)段學(xué)習(xí)的內(nèi)容.其中重力勢(shì)能和彈性勢(shì)都是力學(xué)中學(xué)習(xí)的勢(shì)能，學(xué)生有一定類比分析的基礎(chǔ).而電勢(shì)能、分子勢(shì)能的相差較遠(yuǎn).本節(jié)課主要采取類比分析的方法幫助學(xué)生重新建構(gòu)勢(shì)能概念.主要分為4個(gè)方面.

1)類比分析理解勢(shì)能變化與對(duì)應(yīng)力做功的關(guān)系

學(xué)生活動(dòng)1：交流討論(練習(xí)一)并闡述判斷依據(jù).

學(xué)生活動(dòng)2：在教師的引導(dǎo)下逐步明確重力勢(shì)能變化量與重力做功的關(guān)系.明確重力做功的特點(diǎn).深入思考類比分析彈性勢(shì)能與彈力做功的關(guān)系，分析彈力做功的特點(diǎn).

學(xué)生活動(dòng)3：交流討論其他勢(shì)能與對(duì)應(yīng)力做功的關(guān)系，分析教材中的問(wèn)題.

問(wèn)題一:

如果重力做功與路徑有關(guān)，即對(duì)應(yīng)于同樣的起點(diǎn)和終點(diǎn)，重力對(duì)同一物體所做的功，隨物體運(yùn)動(dòng)路徑的不同而不同，我們還能把mgh叫做物體的重力勢(shì)能嗎？

問(wèn)題二:

摩擦力和重力一樣，也可以對(duì)物體做正功或負(fù)功.為什么不引進(jìn)“摩擦勢(shì)能”的概念.

2)類比分析理解勢(shì)能的系統(tǒng)性

教師活動(dòng)：分析(練習(xí)二)引導(dǎo)學(xué)生從教材中尋找答案.

學(xué)生活動(dòng)：交流討論明確勢(shì)能的系統(tǒng)性，從教材中尋找答案.

3)類比分析理解勢(shì)能的相對(duì)性

教師活動(dòng)1：結(jié)合教材情境提出問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)新規(guī)律，從重力做功的角度來(lái)定義重力勢(shì)能的大小并進(jìn)行理論分析.

教材問(wèn)題:

重力勢(shì)能零點(diǎn)的選擇不同，同一位置重力勢(shì)能大小相同嗎？

重力勢(shì)能零點(diǎn)的選擇不同，同一過(guò)程重力勢(shì)能變化相同嗎？重力做功相同嗎？

重力做功與重力勢(shì)能有著怎樣的關(guān)系？如何定義重力勢(shì)能？

教師活動(dòng)2：引導(dǎo)學(xué)生討論彈性勢(shì)能表達(dá)式的得出過(guò)程，設(shè)計(jì)系列問(wèn)題完成對(duì)彈性勢(shì)能相對(duì)性的討論.

4)列表類比完善對(duì)電勢(shì)能、分子勢(shì)能、引力勢(shì)能的認(rèn)識(shí)

通過(guò)前三方面的類比分析,學(xué)生對(duì)勢(shì)能有了一定的認(rèn)識(shí)，但是還是缺少系統(tǒng)性.本環(huán)節(jié)的教學(xué)設(shè)計(jì)是讓學(xué)生通過(guò)歸納類比、自主梳理進(jìn)一步完善對(duì)勢(shì)能的認(rèn)識(shí)，形成自我的認(rèn)知結(jié)構(gòu).同時(shí)提升了學(xué)生的發(fā)散思維水平和歸納總結(jié)能力.

設(shè)計(jì)意圖：教師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)重力勢(shì)能和彈性勢(shì)能進(jìn)行有效類比從而建立勢(shì)能的概念，再讓學(xué)生通過(guò)自主類比完善對(duì)電勢(shì)能、分子勢(shì)能、引力勢(shì)能的認(rèn)識(shí)，加深對(duì)勢(shì)能這一核心概念的理解.這種先歸納再演繹的復(fù)習(xí)策略有利于加深知識(shí)之間的橫向、縱向聯(lián)系，有助于完成知識(shí)的重組與構(gòu)建.

(4)通過(guò)交流討論、推理質(zhì)疑提升學(xué)科思維水平

引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷物理概念的建構(gòu)過(guò)程和物理規(guī)律的形成過(guò)程，這是發(fā)展科學(xué)思維的重要途徑.

在勢(shì)能這一概念中，學(xué)生存在著很多迷思概念，對(duì)于這些概念的深入討論就是很好的思維提升點(diǎn).比如在討論彈性勢(shì)能(圖4)零點(diǎn)的選擇，彈性勢(shì)能可不可以為負(fù)的教學(xué)環(huán)節(jié)中，筆者主要設(shè)計(jì)了這樣的問(wèn)題串.

圖4 教材彈性勢(shì)能圖

問(wèn)題1:思考彈性勢(shì)能的表達(dá)式是什么？你是如何得到的？

問(wèn)題2:彈性勢(shì)能的零點(diǎn)選在哪里了？

問(wèn)題3:以原長(zhǎng)點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，畫出彈性勢(shì)能隨彈簧長(zhǎng)度變化的曲線.

問(wèn)題4:選擇其他位置為勢(shì)能零點(diǎn)，彈性勢(shì)能的大小可以為負(fù)值嗎？

問(wèn)題5:若彈簧的勁度系數(shù)為k，以彈簧原長(zhǎng)為原點(diǎn)，以彈簧伸長(zhǎng)量x1為勢(shì)能零點(diǎn)，求彈簧伸長(zhǎng)量為x2時(shí)的彈性勢(shì)能的大?。?x1>x2)思考如果此位置為勢(shì)能原點(diǎn)，畫出此時(shí)彈性勢(shì)能與彈簧長(zhǎng)度變化的曲線？

問(wèn)題6:結(jié)合圖像分析哪些位置彈性勢(shì)能為正，哪些位置彈性勢(shì)能負(fù)？哪一位置彈性勢(shì)能最小？

問(wèn)題7:選擇不同位置為彈性勢(shì)能零點(diǎn)時(shí)，同一位置的彈性勢(shì)能大小是否相同？勢(shì)能變化是否相同？彈力做功是否相同？

學(xué)生在回答和思考這些內(nèi)容的過(guò)程中真正體會(huì)到了勢(shì)能的大小與勢(shì)能零點(diǎn)的選取有關(guān)，而勢(shì)能變化與勢(shì)能零點(diǎn)的選取無(wú)關(guān)這一辯證關(guān)系.理解了勢(shì)能相對(duì)性的特點(diǎn).在解決問(wèn)題的過(guò)程中學(xué)會(huì)了圖像分析法、推理論證法等科學(xué)方法，提升了學(xué)生的推理論證、質(zhì)疑創(chuàng)新和語(yǔ)言表達(dá)能力.

再比如，在引導(dǎo)學(xué)生列表完善對(duì)電勢(shì)能、分子勢(shì)能、引力勢(shì)能認(rèn)識(shí)的教學(xué)環(huán)節(jié)中，學(xué)生通過(guò)類比分析自發(fā)地提出了許多新的問(wèn)題.如“如何從做功的角度來(lái)定義引力勢(shì)能的大小？”“如果選分子力為零的位置為勢(shì)能零點(diǎn)，分子勢(shì)能與分子間距離圖像應(yīng)該如何畫？”“重力勢(shì)能和引力勢(shì)能有怎樣的差別與聯(lián)系？”這些問(wèn)題的提出正是學(xué)生發(fā)散思維和質(zhì)疑能力的體現(xiàn).學(xué)生在質(zhì)疑分析、交流討論、推理論證過(guò)程中提高了研究學(xué)習(xí)能力，提升了思維水平.

3 大概念理念下的教學(xué)反思

傳統(tǒng)應(yīng)試教育理念下的高三物理教學(xué)缺乏圍繞學(xué)科核心概念對(duì)知識(shí)的合理的組織，影響學(xué)生應(yīng)用知識(shí)解決問(wèn)題的能力提升.學(xué)科核心概念的理解與學(xué)生科學(xué)探究能力密切相關(guān)，圍繞學(xué)科核心概念建構(gòu)物理概念的教學(xué)整合，一方面可以促進(jìn)學(xué)科核心概念的學(xué)習(xí)進(jìn)階，另一方面也有助于學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)的建構(gòu).

本節(jié)課主要滲透的物理方法就是從做功的角度來(lái)定義勢(shì)能，讓學(xué)生通過(guò)分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的過(guò)程來(lái)進(jìn)一步理解“功是能量轉(zhuǎn)化的量度”這一核心方法，功能關(guān)系是物理學(xué)習(xí)的重要物理觀念，學(xué)生對(duì)這一問(wèn)題的認(rèn)識(shí)是一個(gè)不斷深化發(fā)展的過(guò)程，在后續(xù)教學(xué)中要不斷滲透.

大概念教學(xué)的主要目的就是給學(xué)生一個(gè)整體的物理框架，讓學(xué)生對(duì)物理有一個(gè)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí).這里完成建構(gòu)的主體是學(xué)生，所以在教學(xué)中要給學(xué)生更多的空間，讓學(xué)生自主建構(gòu)，自我梳理.