例析物理規(guī)律的建構(gòu):基于“動(dòng)能定理”教學(xué)反思

潘文杰,范鐘潤(rùn),羅元輝

(1.黔南民族師范學(xué)院物理與電子科學(xué)學(xué)院,貴州都勻,558000;2.黔南布依族苗族自治州三都水族自治縣第二中學(xué),貴州黔南,558100;3.貴州省都勻二中,貴州都勻,558000)

一、引言

二、真實(shí)案例切入

筆者觀摩所在地區(qū)2022年高中物理優(yōu)質(zhì)課比賽發(fā)現(xiàn),有4位教師以人教版必修第三冊(cè)“帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)”為例,設(shè)計(jì)了如圖1所示的情境:真空中兩平行金屬板之間的距離為d,兩板加上恒定電壓為U,有一個(gè)質(zhì)量為m帶正電荷q的粒子,在靜電力作用下由靜止開始從正極板向負(fù)極板運(yùn)動(dòng),求帶電粒子到達(dá)負(fù)極板時(shí)速度v的大小是多少?(g取10m/s2)

圖1 “帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)”教學(xué)情境

分析帶電粒子加速的問題,常常有以下兩種思路。

觀摩發(fā)現(xiàn),這四個(gè)班的學(xué)生選擇思路一解決問題的占半數(shù)以上。筆者結(jié)合自己的教學(xué)經(jīng)歷進(jìn)行反思,這可能與動(dòng)能定理的新課教學(xué)有關(guān)。

三、動(dòng)能定理教學(xué)的突出問題

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》對(duì)動(dòng)能定理內(nèi)容的要求是:理解動(dòng)能和動(dòng)能定理,能用動(dòng)能定理解釋生產(chǎn)生活中的現(xiàn)象。［2］課程標(biāo)準(zhǔn)提供的教學(xué)提示是根據(jù)牛頓第二定律推導(dǎo)出動(dòng)能定理。根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn),教材編寫教學(xué)邏輯如圖2所示。

圖2 教材編寫教學(xué)邏輯

觀摩“動(dòng)能和動(dòng)能定理”的幾節(jié)新課教學(xué)發(fā)現(xiàn),用人教版教材的教師多是按上述內(nèi)容和邏輯教學(xué)的,這樣的教學(xué)設(shè)計(jì)容易出現(xiàn)兩個(gè)突出問題。

(一)簡(jiǎn)化物理規(guī)律的建構(gòu)過程

物理規(guī)律是構(gòu)成物理學(xué)科體系的核心內(nèi)容,是人們以觀察和實(shí)驗(yàn)所得到的事實(shí)為依據(jù),運(yùn)用邏輯推理,剔除無關(guān)因素,忽略次要因素,確定本質(zhì)要素,并創(chuàng)造性地建構(gòu)能夠解釋和預(yù)測(cè)相關(guān)現(xiàn)象的種種關(guān)系模型,揭示物質(zhì)結(jié)構(gòu)和物質(zhì)運(yùn)動(dòng)所遵循的規(guī)律。［3］從方法論的視角看,物理規(guī)律是在觀察和實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,運(yùn)用模型建構(gòu)的方法建立的關(guān)系模型,不僅體現(xiàn)在具體的物質(zhì)模型、狀態(tài)模型、過程模型的建構(gòu)上,而且體現(xiàn)在物理概念、物理規(guī)律的建構(gòu)上。雖然動(dòng)能定理在經(jīng)典力學(xué)范圍內(nèi)沒有條件限制,但根據(jù)普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)“注重體現(xiàn)物理學(xué)科本質(zhì),培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)”的理念,如按照教材“僅僅通過物體在光滑的水平面上,受恒力作用這種特殊運(yùn)動(dòng)情境推導(dǎo)得出動(dòng)能定理”,顯然這樣的邏輯推理不嚴(yán)密,不利于學(xué)生理解和體會(huì)物理學(xué)理論推導(dǎo)的科學(xué)方法。［4］教師簡(jiǎn)化動(dòng)能定理的建構(gòu)過程,告知學(xué)生多力做功、變力做功等,使學(xué)生很難達(dá)到理解動(dòng)能定理的要求。學(xué)生大部分仍停留在“知其然”的層面,這可能是學(xué)生習(xí)慣用牛頓第二定律結(jié)合運(yùn)動(dòng)學(xué)公式解決動(dòng)力學(xué)問題的主要原因。

(二)淺教深練,課時(shí)膨脹

由于動(dòng)能定理適用范圍廣泛,解決問題時(shí)比用牛頓運(yùn)動(dòng)定律和勻變速直線運(yùn)動(dòng)規(guī)律結(jié)合的方式更簡(jiǎn)潔方便,因此動(dòng)能定理一直是高考考查的重點(diǎn)。縱觀歷年的物理高考試卷,動(dòng)能定理內(nèi)容的考查形式靈活、難度層次多樣、綜合性強(qiáng),需要學(xué)生真正深入理解動(dòng)能定理、熟練運(yùn)用規(guī)律。教師要通過大量的習(xí)題教學(xué)幫助學(xué)生理解動(dòng)能定理,期望學(xué)生達(dá)到熟練運(yùn)用的目的。因此,“動(dòng)能和動(dòng)能定理”教學(xué)一般會(huì)用3—5個(gè)課時(shí)。其中,新課教學(xué)1個(gè)課時(shí),對(duì)應(yīng)的習(xí)題教學(xué)2—4個(gè)課時(shí)。但在很多新課教學(xué)中,關(guān)于動(dòng)能定理的建構(gòu),教師一般只用25鐘左右,剩余時(shí)間是例題講解,以例題進(jìn)一步完善和鞏固學(xué)生對(duì)動(dòng)能定理的理解?？偟膩砜?動(dòng)能定理的新課教學(xué)存在淺教深練、課時(shí)膨脹、缺乏深度的情況,沒有充分體現(xiàn)建構(gòu)主義教學(xué)思想。觀察發(fā)現(xiàn),演繹推理過程幾乎都是教師推導(dǎo)學(xué)生看,學(xué)生被動(dòng)接受知識(shí),沒有充分參與知識(shí)的構(gòu)建,沒有通過完整、深入的學(xué)習(xí)活動(dòng)自主內(nèi)化物理規(guī)律。

四、剖析動(dòng)能定理的育人價(jià)值

(一)深化功能關(guān)系,加深對(duì)運(yùn)動(dòng)與相互作用、能量觀念的理解

通過初中物理的學(xué)習(xí),學(xué)生能列舉能量轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的實(shí)例,知道做功的過程就是能量轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程,形成初步的能量觀念,并能運(yùn)用能量轉(zhuǎn)化與守恒的觀點(diǎn)解釋常見的自然現(xiàn)象,解決日常生活中的有關(guān)問題。高中物理要進(jìn)一步通過實(shí)驗(yàn)及理論推導(dǎo)等方法,讓學(xué)生理解各種功能關(guān)系,理解能量本質(zhì)、能量形式、能量轉(zhuǎn)化、能量守恒等,形成物理學(xué)科的能量觀念。［5］

動(dòng)能定理通過探究物體動(dòng)能的變化與力對(duì)物體做功的關(guān)系,分析力對(duì)物體做功使動(dòng)能發(fā)生變化,得到物體所受合外力對(duì)物體所做的功等于物體動(dòng)能的改變量。教師需要幫助學(xué)生理解能量的變化,可通過求力對(duì)物體所做功來確定,深化學(xué)生對(duì)功與能關(guān)系及對(duì)能量本質(zhì)的認(rèn)識(shí)——“能量是物質(zhì)的表現(xiàn)形式之一,表征物體做功的本領(lǐng)”［6］,從而幫助學(xué)生逐步理解運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念、能量觀念,促進(jìn)學(xué)生物理觀念素養(yǎng)的形成。

納入標(biāo)準(zhǔn)：均符合妊娠期糖尿病的診斷標(biāo)準(zhǔn)；所有產(chǎn)婦均宮內(nèi)單胎；臨床資料均全面；均自愿參與研究并簽署知情同意書；可進(jìn)行有效溝通；該次研究的排除標(biāo)準(zhǔn)：存在精神疾病孕婦；妊娠伴有高血壓、心臟病、嚴(yán)重肝腎功能不全等疾病孕婦；溝通存在障礙孕婦；存在早產(chǎn)或先兆流產(chǎn)的孕婦；臨床資料不全面孕婦。

(二)物理思想和方法的運(yùn)用,發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》在課程性質(zhì)中明確指出:物理學(xué)基于觀察與實(shí)驗(yàn),建構(gòu)物理模型,應(yīng)用數(shù)學(xué)等工具,通過科學(xué)推理和論證,形成系統(tǒng)的研究方法和理論體系。［2］動(dòng)能定理對(duì)變力和曲線運(yùn)動(dòng)的適用性推導(dǎo),應(yīng)用了“微元”和“化曲為直”科學(xué)思想和方法。這兩種方法是重要的物理思想方法。教師應(yīng)創(chuàng)設(shè)相應(yīng)的問題情境,引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用這些方法分析問題、解決問題,學(xué)習(xí)和體會(huì)物理學(xué)科的研究方法,培養(yǎng)良好的思維和科學(xué)思維素養(yǎng)。

(三)演繹推理建構(gòu)物理規(guī)律,拓展學(xué)生科學(xué)探究的意識(shí)和能力

科學(xué)探究主要包括問題、證據(jù)、解釋、交流等要素。從物理學(xué)方法論的角度看,科學(xué)探究不僅指通過實(shí)驗(yàn)和觀察的探究,而且包括通過演繹推理的探究。演繹推理的探究同樣包括問題、證據(jù)、解釋、交流等要素。［2］實(shí)驗(yàn)探究側(cè)重于通過實(shí)驗(yàn)獲得證據(jù),是對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng);演繹推理的探究側(cè)重于通過理論推導(dǎo)獲得證據(jù),是對(duì)學(xué)生科學(xué)推理和科學(xué)論證能力的培養(yǎng)。學(xué)生根據(jù)初中時(shí)的學(xué)習(xí)基礎(chǔ),已知功能關(guān)系、牛頓第二定律和勻變速直線運(yùn)動(dòng)規(guī)律等,經(jīng)過理論推導(dǎo)得出恒力做功與物體動(dòng)能的關(guān)系,然后進(jìn)一步探究變力做功和曲線運(yùn)動(dòng)的情況,最后歸納總結(jié)得出“物體所受合外力對(duì)物體所做的功等于物體動(dòng)能的改變量”。這樣的演繹推理在高中物理教學(xué)中較常見。例如,萬有引力定律、機(jī)械能守恒定律和動(dòng)量守恒定律等的建構(gòu)過程都應(yīng)用了演繹推理,其在有效增強(qiáng)學(xué)生科學(xué)探究的意識(shí)和能力,培養(yǎng)學(xué)生演繹推理和科學(xué)論證的思維品質(zhì)方面意義非凡。

五、動(dòng)能定理建構(gòu)的教學(xué)策略

(一)創(chuàng)設(shè)豐富的問題情境,啟發(fā)學(xué)生思維

情境是人們進(jìn)行思維加工的原材料,問題是人們進(jìn)行學(xué)習(xí)的真正動(dòng)因。教師在教學(xué)中創(chuàng)設(shè)豐富的問題情境,不斷揭示內(nèi)部規(guī)律,可讓學(xué)生產(chǎn)生認(rèn)知的期待。使學(xué)生思維處于主動(dòng)思考的狀態(tài),是啟發(fā)性教學(xué)的主要特征。因此,教師可以設(shè)計(jì)“初始問題—深化問題”的情境問題鏈,以問題鏈推動(dòng)動(dòng)能定理本質(zhì)規(guī)律的建構(gòu),突顯演繹推理的科學(xué)方法,滲透科學(xué)思維的培養(yǎng)。［7］

初始問題:如圖3所示,物體受恒力F作用在光滑水平面上運(yùn)動(dòng),求力F對(duì)物體所做的功。

圖3 初始問題情境

深化問題一:如果上述情境接觸面不光滑,情況又會(huì)怎樣?如圖4所示,物體受恒力F作用在粗糙的水平面上運(yùn)動(dòng),物體與地面之間的摩擦力為f,求物體的速度從v1增加到v2的過程中,物體所受合外力對(duì)物體所做的功。

圖4 深化問題一情境

深化問題二:物體受到變力作用和做曲線運(yùn)動(dòng)是否遵循相同的規(guī)律呢?如圖5所示,物體受變力F作用在光滑的水平面上運(yùn)動(dòng),求物體的速度從v1增加到v2的過程中變力F對(duì)物體所做的功。

圖5 深化問題二情境1

變力對(duì)物體所作的功不能直接用W=Fl計(jì)算,需利用微元法把整個(gè)過程分成許多小段,每一小段受到的力可看成恒力處理。通過“化變?yōu)楹恪?問題可以得到解決。經(jīng)過的距離分別為AB、BC、CD,……那么每一小段力對(duì)物體做的功同樣可以根據(jù)牛頓第二定律結(jié)合運(yùn)動(dòng)學(xué)公式求解。

將每一段的功加起來,整個(gè)過程變力F所做的功為:

如圖6所示,質(zhì)量為m的小球由靜止開始沿光滑的曲面滑下,經(jīng)過A點(diǎn)到B點(diǎn)速度由v1增加到v2,求該過程中合外力對(duì)小球所做的功。

圖6 深化問題二情境2

可見,不管是直線運(yùn)動(dòng)還是曲線運(yùn)動(dòng),變力做功還是恒力做功,合外力對(duì)物體所做的功都等于物體動(dòng)能變化,動(dòng)能定理的適用范圍廣泛。上述演繹推理的過程,不僅讓學(xué)生建構(gòu)了動(dòng)能定理的結(jié)論,而且建構(gòu)了動(dòng)能定理的適用范圍。通過“延遲判斷”建構(gòu)起來的動(dòng)能定理,讓學(xué)生知其然也知其所以然。

(二)引導(dǎo)學(xué)生自主獲取證據(jù),建構(gòu)規(guī)律

建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論認(rèn)為,學(xué)生學(xué)習(xí)不是簡(jiǎn)單被動(dòng)地接受信息,而是主動(dòng)地建構(gòu)知識(shí)。知識(shí)只有真正通過學(xué)生大腦的自主構(gòu)建,才能印象深刻,理解透徹。［7］上述的三個(gè)問題情境,經(jīng)教師引導(dǎo)后,要讓學(xué)生親自推導(dǎo),經(jīng)歷科學(xué)探索過程,實(shí)現(xiàn)規(guī)律的真正建構(gòu)。

(三)學(xué)以致用,完善規(guī)律的建構(gòu)

掌握物理規(guī)律的目的在于運(yùn)用它們分析問題和解決問題。相應(yīng)的習(xí)題教學(xué)不僅可以鞏固、深化對(duì)規(guī)律的理解,而且可以進(jìn)一步完善對(duì)規(guī)律的建構(gòu),使學(xué)生加深對(duì)物理規(guī)律內(nèi)涵和外延的認(rèn)識(shí)。在動(dòng)能定理建構(gòu)起來后,教師可再設(shè)計(jì)以下兩類習(xí)題。

題型一: 如圖7所示,裝置由多段軌道組成,軌道交接處均由很小的圓弧平滑連接,使小滑塊自A點(diǎn)由靜止釋放。已知小滑塊與軌道間的動(dòng)摩擦因素μ,分別求出小滑塊第一次到達(dá)C和到達(dá)D點(diǎn)的速度大小為多少。

圖7 題型一情境

有的學(xué)生仍用牛頓第二定律結(jié)合運(yùn)動(dòng)學(xué)公式解答,有的則直接用動(dòng)能定理解答。對(duì)此,教師選取運(yùn)用不同方法解答的學(xué)生代表呈現(xiàn)他們的解題過程,讓學(xué)生體會(huì)運(yùn)用動(dòng)能定理解決問題的優(yōu)越性,同時(shí)拓展動(dòng)能定理的適用范圍:動(dòng)能定理可分段研究,也可全程研究;力可以是分段作用,也可以是全程作用。

圖8 題型二情境

物體的運(yùn)動(dòng)過程比較復(fù)雜,在圓弧軌道上受到的摩擦力并非恒力,這給求摩擦力做功帶來了困難。因此,題型二反映出,運(yùn)用牛頓第二定律結(jié)合運(yùn)動(dòng)學(xué)公式不能解決這一類問題,但運(yùn)用動(dòng)能定理可以。這樣,學(xué)生可更進(jìn)一步體會(huì)到動(dòng)能定理的優(yōu)越性。

通過以上兩類型習(xí)題,學(xué)生能完善對(duì)動(dòng)能定理的建構(gòu),結(jié)合不同的解法深刻體會(huì)到動(dòng)能定理適用范圍之廣。運(yùn)用牛頓運(yùn)動(dòng)定律解決問題需要涉及整個(gè)過程的力,在實(shí)際過程中,不僅會(huì)涉及多個(gè)力,而且這些力隨時(shí)間變化的規(guī)律也可能很復(fù)雜,使問題難以求解。［8］但是,動(dòng)能定理只涉及過程始末兩個(gè)狀態(tài),不考慮中間過程,將問題化繁為簡(jiǎn)。

六、結(jié)語

在物理規(guī)律教學(xué)中,教師要堅(jiān)持“延遲判斷、深度學(xué)習(xí)”,就是要給學(xué)生足夠的思維時(shí)間和空間,讓學(xué)生經(jīng)歷知識(shí)的發(fā)展過程,體驗(yàn)物理思想和科學(xué)家的研究歷程。［9］物理規(guī)律是觀察、實(shí)驗(yàn)和思維相結(jié)合的產(chǎn)物,知識(shí)之間是有邏輯可循的。物理規(guī)律教學(xué)的探究是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的重要途徑,因此要注重推理邏輯的嚴(yán)密性。學(xué)生只有真正領(lǐng)悟知識(shí)內(nèi)涵,掌握學(xué)科本質(zhì),核心素養(yǎng)目標(biāo)才能真正實(shí)現(xiàn)。