培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的物理教學(xué)過程設(shè)計(jì)研究

馮新娥

摘 要：以高中物理必修2“動(dòng)能 動(dòng)能定理”的教學(xué)為例，遵從“課前準(zhǔn)備—新課引入—理論探究—升華應(yīng)用”的教學(xué)過程主線，設(shè)計(jì)出一個(gè)符合新課程改革理念，努力將物理學(xué)科核心素養(yǎng)理念有效地融入教學(xué)內(nèi)容的教學(xué)過程設(shè)計(jì)案例，以期對(duì)培養(yǎng)高中學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的課堂實(shí)踐教學(xué)提供借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng);教學(xué)設(shè)計(jì);高中物理;動(dòng)能和動(dòng)能定理

Abstract： Taking the section of “Kinetic Energy and Kinetic Energy Theorem” in the second compulsory physics in senior high school as an example， following the teaching main line of “Pre-class preparation - Introduction to new lessons - The theoretical exploration - Sublimation and application”. Designed a instructional design case which conforms to the new curriculum reform idea and effectively integrates the core literacy concept of physics into the teaching objective and content. With a view that providing reference for the classroom practice teaching of cultivating high school students’ core literacy of physics subject.

Key words： core literacy; instructional design; physics in senior high school; kinetic energy and kinetic energy theorem

1.研究背景

為進(jìn)一步深化基礎(chǔ)教育課程改革，2013年，教育部組織了260多名專家，開展了普通高中課程的修訂工作。本次修訂對(duì)21世紀(jì)以來中國(guó)普通高中課程改革十余年的寶貴經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了深入總結(jié)，并借鑒了國(guó)際科學(xué)教育的最新發(fā)展和課程改革的突出成果，共歷時(shí)4年完成了對(duì)普通高中課程方案和14門學(xué)科課程標(biāo)準(zhǔn)的修訂工作。2018年1月，教育部發(fā)布的《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡(jiǎn)稱課程標(biāo)準(zhǔn)）明確界定：學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)科育人價(jià)值的集中體現(xiàn)，是學(xué)生通過學(xué)科學(xué)習(xí)而逐步形成的正確價(jià)值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力。物理核心素養(yǎng)主要包括“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”四個(gè)方面。[1]課程標(biāo)準(zhǔn)的基本理念從雙基到三維目標(biāo)再到物理學(xué)科核心素養(yǎng)，充分體現(xiàn)了基礎(chǔ)教育課程和教學(xué)改革的基本思想已從知識(shí)本位到以人為本的轉(zhuǎn)變。高中物理教師也應(yīng)適應(yīng)核心素養(yǎng)發(fā)展的時(shí)代要求，及時(shí)轉(zhuǎn)變教學(xué)理念，努力將物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)貫穿于物理教學(xué)的全過程中。教學(xué)設(shè)計(jì)作為教學(xué)實(shí)踐的重要環(huán)節(jié)，在培養(yǎng)高中學(xué)生物理核心素養(yǎng)的過程中起著相當(dāng)重要的作用，對(duì)物理核心素養(yǎng)要求下教學(xué)設(shè)計(jì)的研究也具有了重要意義。[2]因此，筆者從培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的角度出發(fā)，對(duì)高中物理“動(dòng)能 動(dòng)能定理”一節(jié)進(jìn)行了教學(xué)過程設(shè)計(jì)研究與分析。

2.教學(xué)過程設(shè)計(jì)實(shí)例

2.1課前準(zhǔn)備

將學(xué)生分為4人一組，布置預(yù)習(xí)任務(wù)。通過查閱資料等方式調(diào)查：

1.汽車超載與超速行駛的危害有哪些？

2.什么叫汽車的剎車距離（制動(dòng)距離）？

學(xué)生將查到的結(jié)果在課前以書面報(bào)告的形式上交。

思考：為什么汽車超載或超速行駛能造成如此大的危害？

2.2新課引入

學(xué)生活動(dòng)1——小組討論：對(duì)汽車超載與超速行駛（不規(guī)范行駛）造成嚴(yán)重事故的感受及思考，并對(duì)思考中的問題進(jìn)行猜想。（教師引導(dǎo)學(xué)生從動(dòng)能、能量守恒的角度分析推理。）

學(xué)生活動(dòng)2——觀看“從物理學(xué)角度分析汽車超載與超速行駛的危害”動(dòng)畫視頻：我們已經(jīng)知道動(dòng)能的大小主要由物體的質(zhì)量和速度決定。當(dāng)汽車超載行駛時(shí)，就意味著汽車的質(zhì)量很大，質(zhì)量越大，慣性就越大，動(dòng)能也越大。同樣的道理，當(dāng)汽車超速行駛時(shí)，汽車的速度就很大，速度越大，動(dòng)能也越大。在剎車時(shí)，只有地面對(duì)車的滑動(dòng)摩擦力做負(fù)功，根據(jù)功能關(guān)系，汽車剎車時(shí)動(dòng)能越大，汽車的剎車距離就會(huì)延長(zhǎng)，在遇上緊急突發(fā)情況下，剎車來不及的話，車輛很容易會(huì)發(fā)生碰撞，從而造成嚴(yán)重的交通事故。學(xué)生在觀看視頻的同時(shí)，在作業(yè)紙上記錄并分析汽車超載與超重造成嚴(yán)重后果的主要原因，（教師引導(dǎo)學(xué)生從功能關(guān)系出發(fā)構(gòu)建簡(jiǎn)單的物理模型，并引導(dǎo)學(xué)生嘗試用物理表達(dá)式表示剎車過程中的功能關(guān)系。）并在組內(nèi)交流，提出需要深入研究的問題。

學(xué)生通過上述活動(dòng)，初步了解了汽車超載與超速造成交通事故的主要原因，初步構(gòu)建了汽車剎車過程中功能轉(zhuǎn)化的表達(dá)式，（“滑動(dòng)摩擦力做負(fù)功=車的動(dòng)能變化”即“-Fl=0-車的動(dòng)能”）并提出需要深入探究的核心問題：我們?nèi)绾斡梦锢矸?hào)表示的表達(dá)式來描述汽車的動(dòng)能進(jìn)而描述汽車剎車過程中摩擦力做的功與汽車動(dòng)能的轉(zhuǎn)化關(guān)系？

2.3理論探究

教師將學(xué)生分為3個(gè)大組。

問題1：動(dòng)能的變化是用什么力做的功來度量的呢？

師：我們很少直接去研究某個(gè)能量，往往是通過做功研究某種能量的變化進(jìn)而得出某種能量的具體形式，因?yàn)楣κ悄芰哭D(zhuǎn)化的量度。例如重力勢(shì)能的變化用重力做的功來量度，進(jìn)而定義了重力勢(shì)能的表達(dá)式，在汽車剎車過程中的動(dòng)能的變化用摩擦力做的功來量度，那在更一般的情況下，動(dòng)能的變化又用什么力做的功來度量，我們又該如何去構(gòu)建物理模型呢？

活動(dòng)1——小組討論：由對(duì)汽車剎車過程中功能轉(zhuǎn)化關(guān)系以及動(dòng)能的影響因素的分析，我們構(gòu)建的物理模型中應(yīng)該要有哪些物理量？

要求：同組同學(xué)之間討論交流觀點(diǎn)，不同小組的同學(xué)之間再相互討論發(fā)表見解。

活動(dòng)2——建構(gòu)物理模型

由活動(dòng)1的探究結(jié)果可知，我們構(gòu)建的物理模型中應(yīng)該包括描述功的物理量力（F）和位移量（l），以及描述動(dòng)能的物理量質(zhì)量（m）和速度（v），但又要使動(dòng)能發(fā)生變化，為了研究方便，我們應(yīng)該建立恒力和位移方向在同一直線上，且速度發(fā)生變化的直線運(yùn)動(dòng)物理模型。（教師引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建模型，并利用演繹推理的方法進(jìn)行理論探究。）

情境1：如圖2.1所示，質(zhì)量為m的物體沿著光滑水平面運(yùn)動(dòng)，并在與運(yùn)動(dòng)方向相同的恒力F的作用下發(fā)生一段位移l，速度從v1增加到v2，求用功描述的物體動(dòng)能變化的表達(dá)式。

情境2：如圖2.2所示，質(zhì)量為m的物體沿著粗糙水平面運(yùn)動(dòng)，并在摩擦力Ff的作用下發(fā)生一段位移l，速度從v1變化到v2，求用功描述的物體動(dòng)能變化的表達(dá)式。

情境3：如圖2.3所示，質(zhì)量m為的物體在與運(yùn)動(dòng)方向相同的恒力F的作用下，沿粗糙的水平面運(yùn)動(dòng)了一段位移l，受到的摩擦力為Ff，速度從v1變?yōu)関2，求用功描述的物體動(dòng)能變化的表達(dá)式。

活動(dòng)3——演繹推理

第1組同學(xué)完成情境1的探究任務(wù)。

第2組同學(xué)完成情境2的探究任務(wù)。

第3組同學(xué)完成情境3的探究任務(wù)。

要求：

①每位學(xué)生獨(dú)立完成該小組的探究任務(wù)。（教師可引導(dǎo)學(xué)生用牛頓第二定律和運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律來推導(dǎo)力做功與物體動(dòng)能的轉(zhuǎn)化關(guān)系。）

②同組同學(xué)對(duì)探究結(jié)果分析討論后，歸納探究結(jié)論。

③每組派1位代表講解本組理論探究過程中用到的方法、物理規(guī)律等，并總結(jié)本組理論探究的結(jié)論。

④根據(jù)自己組與其他組的理論探究匯報(bào)成果，先完成表2.1中EK的物理表達(dá)式，再完成表2.1探究1～4。

⑤如果用EK2表示一個(gè)過程中的末動(dòng)能，用EK1表示這個(gè)過程的初動(dòng)能，用W表示這個(gè)過程中合外力做的功，完成表2.1探究5。

教師也可增加“活動(dòng)5——演示實(shí)驗(yàn)”來通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證動(dòng)能定理，使同學(xué)們更深入的體會(huì)動(dòng)能定理的正確性。關(guān)于演示實(shí)驗(yàn)部分，教師可以自由發(fā)揮，選擇適合實(shí)際教學(xué)情況的實(shí)驗(yàn)方案。

2.4升華應(yīng)用

例1：一輛重1500kg的小轎車在平直的公路上以10m/s的速度行駛，忽然發(fā)現(xiàn)前方20m處有一靜止的大貨車，司機(jī)立刻剎車制動(dòng)，司機(jī)的反應(yīng)時(shí)間為0.5s，小轎車與地面的摩擦因數(shù)為0.5，請(qǐng)問，小轎車會(huì)不會(huì)與大貨車發(fā)生碰撞？

要求：分別使用動(dòng)能定理和牛頓第二定律兩種方法進(jìn)行解答。并討論哪種方法更簡(jiǎn)便。

師：在我們理論探究中，動(dòng)能定理是在物體受恒力作用，并且做直線運(yùn)動(dòng)的情況下得到的，當(dāng)物體受變力作用，或物體做曲線運(yùn)動(dòng)時(shí)，大家可以采用過去的“微元法”，把變力或曲線過程分解為許多小段，可認(rèn)為物體在每小段運(yùn)動(dòng)中受到的是恒力，且運(yùn)動(dòng)的軌跡是直線，從而能得到更一般情況下的動(dòng)能定理，我們將在下節(jié)課的習(xí)題課中進(jìn)行理論證明，有興趣的同學(xué)可以先查閱相關(guān)資料進(jìn)行證明。正因?yàn)閯?dòng)能定理適用于變力做功和曲線運(yùn)動(dòng)的情況，所以在解決一些實(shí)際力學(xué)問題時(shí)，它得到了比牛頓第二定律更廣泛的應(yīng)用。

3.教學(xué)過程設(shè)計(jì)的解釋和說明

本節(jié)課的教學(xué)通過精心設(shè)計(jì)的活動(dòng)、問題、表格等很好的促進(jìn)了學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的全面發(fā)展。課前準(zhǔn)備以汽車超載與超速行駛為情景素材，并讓學(xué)生調(diào)查汽車超載與超速行駛的危害以及原因，以書面報(bào)告形式展現(xiàn)調(diào)查結(jié)果，密切聯(lián)系學(xué)生實(shí)際生活，很好的培養(yǎng)了學(xué)生的數(shù)據(jù)收集能力和調(diào)查能力。教師緊接著用電影《流浪地球》的經(jīng)典臺(tái)詞引入新課，通過小組討論交流，發(fā)表自己對(duì)汽車超載與超速行駛的感受，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)和社會(huì)責(zé)任感。接著通過觀看“從物理學(xué)角度分析汽車超載與超速行駛的危害”動(dòng)畫視頻，并在紙上記錄主要數(shù)據(jù)，培養(yǎng)學(xué)生通過觀看視頻獲取有用信息的能力，進(jìn)而提出需要探究的核心問題。

理論探究過程以“功是能量轉(zhuǎn)化的量度”作為切入點(diǎn)，主要圍繞著“根據(jù)核心問題的需要如何建構(gòu)物理模型以及建構(gòu)怎樣的物理模型”展開。主要培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維能力。在分組探究中，除了探究過程中主要運(yùn)用到的演繹推理法培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)思維能力，還主要培養(yǎng)了學(xué)生探究時(shí)交流合作的精神，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，主動(dòng)探索的意識(shí)。通過探究表格的完成過程，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)信息的綜合處理能力。最后，通過升華應(yīng)用的例題，培養(yǎng)學(xué)生將理論應(yīng)用于實(shí)踐的能力，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任感。

通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)了學(xué)生的運(yùn)動(dòng)觀念和本節(jié)課的核心物理觀念——能量的觀念。使學(xué)生理解動(dòng)能的概念，并通過運(yùn)動(dòng)與能量聯(lián)系觀念的深化，逐步掌握動(dòng)能定理，并學(xué)會(huì)使用動(dòng)能定理解決實(shí)際問題。可見，本節(jié)課的教學(xué)過程的設(shè)計(jì)重視理論探究，更符合新課程改革理念，切實(shí)做到了將物理學(xué)科核心素養(yǎng)理念有地融入教學(xué)目標(biāo)和課堂教學(xué)內(nèi)容各個(gè)方面，從而達(dá)到全面發(fā)展學(xué)生的物理學(xué)科素養(yǎng)的要求。

4.總結(jié)和展望

物理核心素養(yǎng)導(dǎo)向的教學(xué)是體現(xiàn)物理課程價(jià)值的必由之路，教師應(yīng)該轉(zhuǎn)變教學(xué)觀念，以學(xué)生核心素養(yǎng)提升為目標(biāo)，改革教學(xué)的方法和過程，關(guān)注學(xué)生個(gè)體知識(shí)的建構(gòu)和應(yīng)用，創(chuàng)設(shè)有利于能力發(fā)展的學(xué)習(xí)和現(xiàn)實(shí)情景，以身作則培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng)。[3]核心素養(yǎng)教育作為新提出的教育理念，有很大的進(jìn)步意義。為了更好的培養(yǎng)高中學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)，廣大的教育工作者有責(zé)任和義務(wù)，積極的探索物理學(xué)科核心素養(yǎng)導(dǎo)向下的教學(xué)設(shè)計(jì)研究，豐富物理學(xué)科核心素養(yǎng)導(dǎo)向下的物理教學(xué)設(shè)計(jì)案例，并努力將培養(yǎng)高中學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的教學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)用到不同類型的物理課中，包括概念課、規(guī)律課、實(shí)驗(yàn)課、習(xí)題課等。

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[3]林欽，陳峰，宋靜.關(guān)于核心素養(yǎng)導(dǎo)向的中學(xué)物理教學(xué)的思考[J].課程·教材·教法，2015，（12）：90-95.