基于魔術(shù)實(shí)驗(yàn)的初中物理遞進(jìn)式問(wèn)題教學(xué)設(shè)計(jì)

李少帶

【摘要】以人教版初中物理第十一章第四節(jié)機(jī)械能及其轉(zhuǎn)化為例，進(jìn)行基于魔術(shù)實(shí)驗(yàn)的遞進(jìn)式問(wèn)題教學(xué)設(shè)計(jì)，導(dǎo)入魔術(shù)實(shí)驗(yàn)，引發(fā)認(rèn)知沖突，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，開(kāi)展遞進(jìn)式問(wèn)題教學(xué)，推動(dòng)學(xué)生認(rèn)知過(guò)程維度從低階向高階過(guò)渡。

【關(guān)鍵詞】初中物理;魔術(shù)實(shí)驗(yàn);遞進(jìn)式問(wèn)題;機(jī)械能及其轉(zhuǎn)化;科學(xué)思維

培養(yǎng)和提高中學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)是我國(guó)新課程標(biāo)準(zhǔn)的基本理念，也是廣大物理教學(xué)工作者的主要教學(xué)目標(biāo)。物理學(xué)科核心素養(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。

筆者以人教版初中物理第十一章第四節(jié)機(jī)械能及其轉(zhuǎn)化為例，進(jìn)行基于魔術(shù)實(shí)驗(yàn)的遞進(jìn)式問(wèn)題教學(xué)設(shè)計(jì)。本教學(xué)設(shè)計(jì)通過(guò)引入魔術(shù)實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)和提升科學(xué)思維，達(dá)成新知識(shí)的建構(gòu)，提高學(xué)生核心素養(yǎng)。

一、教學(xué)內(nèi)容及目標(biāo)

（一）教材解讀

機(jī)械能及其轉(zhuǎn)化是第十一章“功和機(jī)械能”的最后一節(jié)內(nèi)容，是對(duì)前一節(jié)知識(shí)的概括與延伸。

（二）教學(xué)目標(biāo)

二、學(xué)情分析

根據(jù)初中生學(xué)習(xí)心理特點(diǎn)，具體、形象、感性的知識(shí)比抽象的知識(shí)更易于被學(xué)生接受。另外，遞進(jìn)式問(wèn)題教學(xué)設(shè)計(jì)能適合各個(gè)層次學(xué)生的學(xué)習(xí)需要，給予他們成功體驗(yàn)，利于提高他們的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，促進(jìn)他們完成對(duì)新知識(shí)的建構(gòu)。

三、教學(xué)過(guò)程

（一）導(dǎo)入魔術(shù)實(shí)驗(yàn)，引發(fā)認(rèn)知沖突，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

教師準(zhǔn)備一個(gè)傾斜角度為20度的斜面和一個(gè)外觀普通的圓筒（圖1）。

教師提出問(wèn)題：如果將圓筒從斜面的最高處釋放，圓筒會(huì)怎樣？

學(xué)生提出猜想：圓筒會(huì)沿著斜面滾下去，到達(dá)水平面后繼續(xù)往前滾動(dòng)一段距離后，最終停下來(lái)。

教師演示實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證學(xué)生的猜想。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2、3、4所示：

圓筒從最高點(diǎn)a處釋放，沿斜面滾落經(jīng)過(guò)b、c 處，到達(dá)d處后并未停止（圖2），反而向左邊回滾，滾上斜面到達(dá)e處（圖3），然后向下滾落至f處，再?gòu)膄 處滾上斜面（圖4）。如此反復(fù)幾次，最終圓筒停止在水平面上。

（二）開(kāi)展遞進(jìn)式問(wèn)題教學(xué)，推動(dòng)學(xué)生認(rèn)知維度從低階向高階過(guò)渡，培養(yǎng)和提升科學(xué)思維，達(dá)成新知識(shí)建構(gòu)

問(wèn)題1：圓筒從斜面滾下的原因是？

回答1：圓筒受重力作用。

問(wèn)題2：圓筒到達(dá)c處后，為什么繼續(xù)向前滾？

回答2：圓筒具有慣性。

問(wèn)題3：圓筒為何最終停下來(lái)？

回答3：圓筒在水平面滾動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生摩擦力，阻礙圓筒繼續(xù)滾動(dòng)。

問(wèn)題4：圓筒從a到達(dá)c處， 發(fā)生怎樣的能量轉(zhuǎn)化？

回答4：重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。

問(wèn)題5：兩者的大小關(guān)系怎樣？你的依據(jù)是什么？

回答5：重力勢(shì)能減小，動(dòng)能增大。依據(jù)是圓筒從a處到達(dá)c處，質(zhì)量不變，高度減小，所以勢(shì)能減小。又因?yàn)閳A筒的速度增大，所以動(dòng)能增大。

問(wèn)題6：在水平方向，圓筒并未受到任何的外力作用。圓筒向左回滾到斜面。說(shuō)明是靠圓筒的內(nèi)部力量。這個(gè)力量如何來(lái)的呢？

教師撕掉圓筒的外包裝，向?qū)W生展示圓筒內(nèi)部結(jié)構(gòu)。教師重新演示魔術(shù)實(shí)驗(yàn)。

問(wèn)題7：圓筒從a滾到c處，從c處滾到d處，從d處滾到e處的過(guò)程中，分別是什么能量的轉(zhuǎn)化？

回答7：圓筒從a滾到c處的過(guò)程是重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能和彈性勢(shì)能。圓筒從c處滾到d處的過(guò)程是動(dòng)能轉(zhuǎn)化為彈性勢(shì)能。圓筒從d處滾到e處是彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能和重力勢(shì)能。

問(wèn)題8：圓筒在滾動(dòng)的過(guò)程中，動(dòng)能和勢(shì)能之間是完全相互轉(zhuǎn)化嗎？

回答8：圓筒在滾動(dòng)的過(guò)程中，由于阻力的存在，圓筒克服阻力做功，能量消耗，所以動(dòng)能和勢(shì)能之間并不是完全相互轉(zhuǎn)化。

問(wèn)題9：什么是機(jī)械能？

回答9：動(dòng)能，重力勢(shì)能和彈性勢(shì)能統(tǒng)稱(chēng)機(jī)械能。

問(wèn)題10：什么是機(jī)械能守恒？

回答10：只有動(dòng)能和勢(shì)能相互轉(zhuǎn)化，機(jī)械能總和不變，機(jī)械能守恒。

問(wèn)題11：圓筒在滾動(dòng)的過(guò)程中，機(jī)械能守恒嗎？比較圓筒在a、b、c、 d、e、f處機(jī)械能的大小關(guān)系。

回答11：圓筒在滾動(dòng)的過(guò)程中，動(dòng)能和勢(shì)能之間并不是完全相互轉(zhuǎn)化，所以機(jī)械能不守恒。從a到f處，機(jī)械能逐漸減小。

問(wèn)題12：請(qǐng)結(jié)合機(jī)械能守恒知識(shí)，解釋為何圓筒在水平面向右滾動(dòng)的距離，一次比一次近？在斜面向上滾動(dòng)的高度，一次比一次低？

回答12：由于阻力的存在，圓筒在往返滾動(dòng)的過(guò)程中，都需要克服阻力做功，能量消耗，機(jī)械能逐漸減小，機(jī)械能不守恒。圓筒在水平面滾動(dòng)時(shí)，動(dòng)能一次比一次小，所以運(yùn)動(dòng)距離減小;圓筒在斜面向上滾動(dòng)時(shí)，重力勢(shì)能一次比一次小，所以運(yùn)動(dòng)距離高度減小。

問(wèn)題13：列舉日常生活中有關(guān)動(dòng)能和勢(shì)能相互轉(zhuǎn)化的其他例子，并判斷機(jī)械能是否守恒。

回答13：蕩秋千、蹦蹦床、過(guò)山車(chē)、拍皮球、單擺、滾擺、人造地球衛(wèi)星……

繼而，教師介紹有關(guān)大灣區(qū)海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)以及白鶴灘水電站建設(shè)的新聞報(bào)道。

問(wèn)題14：風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電過(guò)程是什么能量轉(zhuǎn)化？ 水電站發(fā)電過(guò)程是什么能量轉(zhuǎn)化？

回答14：風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電過(guò)程風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能再轉(zhuǎn)化為電能，水電站發(fā)電過(guò)程水能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能再轉(zhuǎn)化為電能。

問(wèn)題15：列舉日常生活中機(jī)械能和其他形式能量相互轉(zhuǎn)化的其他例子。

回答15：電風(fēng)扇、汽車(chē)……

通過(guò)時(shí)事新聞的報(bào)道，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到物理源于生活，服務(wù)于生活，現(xiàn)代科技發(fā)展離不開(kāi)物理知識(shí)，使學(xué)生充分認(rèn)識(shí)到科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)和環(huán)境（STSE）之間的關(guān)系，培養(yǎng)學(xué)生的社會(huì)參與意識(shí)和社會(huì)責(zé)任感。同時(shí)達(dá)成新知識(shí)的構(gòu)建3：機(jī)械能和其他形式的能量之間相互轉(zhuǎn)化。

問(wèn)題16：整合前面一節(jié)和這一節(jié)課的內(nèi)容，完成以機(jī)械能核心知識(shí)的思維導(dǎo)圖。如此，筆者通過(guò)整合單元知識(shí)，構(gòu)建知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，達(dá)成認(rèn)知高階思維要求。

四、總結(jié)與反思

基于魔術(shù)實(shí)驗(yàn)的遞進(jìn)式問(wèn)題教學(xué)設(shè)計(jì)是以生動(dòng)有趣的魔術(shù)實(shí)驗(yàn)為導(dǎo)入，創(chuàng)設(shè)良好的認(rèn)知沖突情境，極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)，再通過(guò)遞進(jìn)式問(wèn)題的設(shè)置，推動(dòng)各層次的學(xué)生認(rèn)知思維從低階到高階的過(guò)渡，培養(yǎng)和提高學(xué)生的科學(xué)思維，并幫助學(xué)生完成新知識(shí)的構(gòu)建，是一種培養(yǎng)和提高中學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的有效的教學(xué)設(shè)計(jì)方式。

【本文系廣州市白云區(qū)教育教研小型課題“魔術(shù)實(shí)驗(yàn)”的后續(xù)開(kāi)發(fā)——遞進(jìn)式問(wèn)題教學(xué)模式的研究（課題編號(hào)2021XKT041）】

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（責(zé)任編輯：洪冬梅）