基于“三教”理念的物理规律有效教学设计与分析
——以“机械能守恒定律”为例

邱智彬 李 川 代清平 谢 博

(1. 兴义民族师范学院物理与工程技术学院,贵州 兴义 562400;2. 贵州师范大学物理与电子科学学院,贵州 贵阳 550025;3. 兴义一中,贵州 兴义 562400)

如窦国兴先生的评价所言:“物理教学的中心任务,是引导学生了解物理规律.”[1]物理规律的猜想、探究、验证与应用等多个过程都充分体现出物理规律教学对物理学科核心素养培养的重要性.随着知识体系的迭代,当代中学生被要求以更短的时间理解更多的知识、解决更复杂的难题.同时在“双减”政策的辐射下,高中教育被要求进一步提质增效.因此,在物理规律课堂教学这个关键环节上,有效教学变得十分重要.

国内外有不少关于“有效教学”的讨论和研究,其含义的主流观点可理解为:“有效教学”指具有高的课堂效率、优质的教学效果和实在的课程效用,促进学生知识学习与能力发展的教学.[2]课堂教学既要在时间上做到高效,又要使学生理解吸收知识与方法并转化为应用的能力,实现理想的课程效用并非易事.在此期待下,学者们对物理规律有效教学框架进行了探讨和构建,并总结出以下关于物理规律有效教学的5条标准,包括:学习唤醒、学习内容、学习方式、教学过程和学习环境,以及其下的26条细则,为实现物理规律有效教学提供了较为细致的参考标准.[3]然而,应该以何种教学理念指导物理规律教学并达成有效教学的标准,仍然是一个值得探索研究的课题.

其中,“教思考、教体验、教表达”(简称“三教”)理念旨在教学生“积极思考、自主体验、善于表达”,[4]在指导物理规律教学与培养学科核心素养上具备一定的适配性.一方面,“三教”理念以“情境-问题”为主导,有助于学生思维能力的培养;同时关注学生对知识的体验过程,尝试多手段、多模型诠释物理规律的内涵和外延;尤其鼓励学生加强交流和课堂表达,通过培养学生物理语言表达能力来强化物理思维能力,[5]另外在课堂上多参与表达也有利于学生综合素养的培养与教师对学生学习情况进行查漏补缺.以“三教”理念指导物理规律教学,无论在知识构建,还是关键能力和综合素质提升的过程,都展现出了充分的优越性以及实现有效教学的可行性,契合物理规律一般教学过程.例如在“教思考”中创设情境、提出问题;在“教体验”中演示实验、推理模型;在“教表达”中理解规律、多维表达、应用规律等.[6]因此,笔者基于“三教”理念的特点,以高一人教版必修2物理规律课“机械能守恒定律”一节为教学内容完成教学设计,对“三教”理念指导物理规律的有效教学展开分析与研究.

1 基于“三教”理念的“机械能守恒定律”教学目标

(1) 物理观念:认识机械能的概念,初步建立能量观念、体会守恒思想,深化“功是能量转化的量度”的认识.

(2) 科学思维:对简单模型构建与科学推理,清楚其中动能与势能之间的相互转化.通过对不同模型的受力分析进行对比、归纳总结,理解并体验机械能守恒定律的守恒条件.

(3) 科学探究:通过演示实验简单验证机械能守恒定律,为学生提供感性材料与模型推理合理性的证据,培养学生科学探究能力.

(4) 科学态度与责任:学会以能量观念和守恒思想看待生产生活的现象,理解其中能量转化的关系和能量损耗的必然性,提高节约能源意识.

2 基于“三教”理念的“机械能守恒定律”教学过程

2.1 教思考

2.1.1 思考知识联系与学习意义

让学生明确本节知识与先前所学知识的联系以及所学内容的意义是开展教学的重要一步.

教师行为:简单复习力、功与能的知识及其关系,引导学生尝试猜测新的未知关系并进一步思考的同时,提出新的未知关系的现实意义,如图1所示.强调从已有知识在不同角度的联系中获得新知识的认知方式,培养学生元认知.提问:“学了功与能,我们知道重力(弹力)做功会引起系统重力(弹性)势能的变化,合外力做功则会引起系统动能发生改变.两类能量的变化都是以功来实现并体现在公式上,那么是否存在一个物理规律,能够直接表示动能与势能的转化关系,使我们更加方便地实现动能与势能相互转化的计算?”

图1 力、功与能间关系逻辑图

2.1.2 思考情境创设中的“守恒”现象

创设情境1:如图2(甲)所示,3个轻弹簧悬挂在天花板上,自然下垂,其中弹簧a下端无悬挂小球;弹簧b下端悬挂小球并处于静止;弹簧c下端悬挂相同的小球并给予一定初速度,使其上下做往返运动.情境2:教科书问题栏目中给出的伽利略斜面实验,一小球在A、B两个具有不同倾角的斜劈间运动,如图2(乙)所示.两情境均为理想模型,忽略摩擦阻力.

图2 甲图为“3个弹簧”情景,乙图为伽利略斜面实验情境

教师提问1:如图2(甲)所示的3个弹簧,请问它们都分别具备哪种形式的能量?借由“3个弹簧”情境,在学生成功判断出重力势能、弹性势能和动能3种形式能量后,介绍机械能的概念.根据弹簧c中小球在某一平衡位点上下往返,并结合伽利略的斜面实验中小球在斜劈A、B上所到达高度相同的现象,来引起学生对其中的“守恒”进行思考.提问2:“仔细观察弹簧c中小球的往返运动以及伽利略斜面实验中小球从A斜劈释放运动到B斜劈等高位置的过程,请思考它们的运动规律中存在着怎样的‘守恒’关系.”

2.2 教体验

2.2.1 体验“守恒”关系

通过运用动能定理分析自由落体模型中重力势能与动能的转化关系,并根据打点计时器得到的自由落体运动纸带,对重力势能向动能的转化进行定量分析,并与理论模型分析过程相对应.

教师行为:作图并用动能定理分析自由落体运动模型中重力势能与动能的转化关系,如图3(甲),然后演示自由落体实验,从打点计时器中获得相应纸带并定量分析重力势能与动能变化,体验并对演示过程中的实验操作及误差分析进行充分讲解.

图3 (甲)(乙)(丙)(丁)图分别为自由落体运动、单摆运动、光滑曲面下滑和水平弹簧往返运动模型

2.2.2 体验“守恒”关系的成立条件

只根据自由落体运动模型体验机械能守恒定律是不充分的,应结合更多常见的运动模型进行差异分析,如单摆模型、光滑曲面下滑模型和水平弹簧模型等,[7]如图3(乙)(丙)和(丁),引入除重力以外的如绳子拉力、空气阻力、斜面支持力和弹力来体验不同力对“守恒”关系的影响,让学生对机械能守恒定律的成立条件有一个具体的认识,同时对“守恒”关系进行总结.

教师行为:推导单摆模型中重力势能与动能转化关系,不忽略空气阻力,同时引入单摆碰鼻实验视频(如图4左图),观察忽略空气阻力与否的影响;随后推导光滑曲面下滑运动模型重力势能与动能转化关系时忽略空气阻力和斜面摩擦力;最后推导水平弹簧模型中小车弹性势能与动能相互转化关系,并通过观看实验视频(如图4右图),体验弹力做功的情况.期间注重引导学生体验单摆模型中绳子拉力和空气阻力、光滑曲面模型中斜面支持力以及水平弹簧的弹力对“守恒”关系的影响,并对力的种类、力的做功情况和“守恒”关系成立与否等进行归纳总结.

图4 实验视频片段:单摆碰鼻实验(左图);气垫导轨上物块两端悬挂弹簧探究弹性势能与动能相互转化的实验(右图)

2.3 教表达

2.3.1 文字表达机械能守恒定律

根据模型的讨论与归纳总结,对“守恒”关系进行标准的表达,即机械能守恒定律的教材描述,并注重对表述中关键字眼的思考.

教师先进行提问:“我们知道这个‘守恒’关系就是机械能守恒定律,抛开书本表述,根据前面的分析以及个人认知,同学们认为机械能守恒定律应该如何进行文字表达比较准确?”在听取部分同学的观点后,给出教科书对机械能守恒定律的标准表述,即在只有重力或弹力做功的物体系统内,动能与势能可以相互转化,而总的机械能保持不变.引导学生对物理规律表述中的关键字眼在课后自主思考,进一步提问:“请同学们思考一下,除重力或弹力以外的力做功,但代数和为0的话,是否仍可以满足机械能守恒?”

2.3.2 公式表达机械能守恒定律

用公式体会并表达机械能守恒定律,并理解机械能守恒定律的其他表达方式.

教师提问1:“根据文字表述,满足机械能守恒定律的物体系统初始状态与末状态的机械能总量保持不变,那么我们应该如何用公式来表示机械能守恒定律?”提问2:“书本给出的机械能守恒公式(公式1:Ek1+Ep1=Ek2+Ep2)是从单一物体系统的初状态1与末状态2守恒的角度得来的,然而有时候在实际应用中,我们可能更关注动能与势能转化的量,或是机械能从物体A到物体B转移的量,用此公式并不能让我们十分便利地获得想要的结果.那么从动能与势能转化的角度,以及物体间能量转移角度,我们应该如何表达机械能守恒定律呢?”引导学生学会从动能与势能转化角度(公式2:Ep1-Ep2=Ek2-Ek1)和物体间能量转移角度(公式3:ΔEA=-ΔEB)理解并表达机械能守恒定律.

2.3.3 表达动能定理与机械能守恒定律的差异

动能定理与机械能守恒定律同为功能关系中极其重要的物理规律,对它们作准确的区分是利于学生深化知识理解的有效方式,更重要的是引导学生表达其中的差异(如表1所示).

表1 动能定理与机械能守恒定律的差异

教师提问:“关于动能定理与机械能守恒定律,同学们能说出它们在公式表达、适用条件、行为与结果上有什么差异吗?请说说你的理解.”

2.3.4 机械能守恒的条件及运用效果

课内习题是考查学生对物理规律理解情况和应用能力的有效媒介.合理运用教科书习题,引导学生多参与课堂表达,加深知识记忆的同时锻炼学生表达能力.

教师行为:以教师提问方式,选用2019年人教版高中物理必修2第8章机械能守恒定律“练习与应用”的习题1,考查学生对机械能守恒与否的判断.选用习题3的斜抛运动模型,让学生用多种物理规律解决问题,如运动学公式、动能定理和机械能守恒定律.提问:“在分别尝试运用运动学公式和功能关系(动能定理和机械能守恒定律)来求解的过程中,哪种方法比较便捷高效?另外,动能定理和机械能守恒定律在求解的过程中需要注意什么?”让学生体验不同物理规律在解决同一问题中的差异,如功能关系相对于运动学公式而言不需要计算加速度、分速度等物理量而更加便利,机械能守恒相较于动能定理则需要假定零势能面以简化计算等.鼓励他们积极表达个人观点,并在最后完成对课堂总结.

3 “三教”理念指导“机械能守恒定律”教学设计的有效教学分析

参考前面提及的物理规律有效教学5大标准与26条细则,[2]笔者对该“三教”理念指导的“机械能守恒定律”物理规律教学设计进行如下有效教学分析.

(1) 唤醒学习.借助旧知识的复习与关系归纳,提出未知新关系的猜想及其研究意义,有效激发学生学习动机;突出新知识的获取途径涉及元认知的培养,有利于学生长远的物理学习.

(2) 学习内容.从机械能的概念、到“守恒”现象得出物理规律、到机械能守恒定律满足条件、再到与运动学公式和动能定理的区别讨论,环环相扣,逻辑思路清晰,由易到难,符合学生认知特点;教学材料与学生原有认知结构的知识具备联系,且经过教师加工、丰富,模型讨论充分,有利于学生认知形成与发展.

(3) 学习方式.教思考、教体验、教表达分别对应了物理规律的感知与领会、完善与巩固以及深化与拓展阶段,包含丰富的学习方式,例如质疑与猜想、情境创设、实验演示与理论推理的探究过程、自主思考与合作交流归纳总结以及促进社会化参与的课堂表达等.

(4) 教学过程.明确教学目标执行教学过程;把学生的旧规律作为新规律的生长点,例如用动能定理推导多个运动模型中机械能守恒的环节;遵循教师主导、学生主体的基本原则,多创设情境、列举模型,以丰富的素材与巧设问题引导学生自主思考核心知识;物理规律形成与应用训练课堂分配合理,内容丰富、教学有序.

(5) 学习环境.教师提问与学生表达课堂比重大,师生交流密切,课堂关系和谐;实验器材与演示视频容易实现,教学设施等物质条件具备;物理概念学习情境创设合理等.

4 小结

基于以上教学设计与有效教学的综合分析,笔者认为,“三教”理念中的“教思考、教体验、教表达”的思想能够很好地融入“机械能守恒定律”的物理规律教学过程,在引例体验与课堂表达的过程中有助于学生深化对所学物理规律的认知,培养物理学科核心素养与综合能力.基于“三教”理念的物理规律教学设计也十分契合物理规律有效教学的多项要求,并实现较好的教学效果.[8]