基于物理核心素養優化規律課教學——以機械能守恒定律教學設計為例〔〕:

摘要：本文以機械能守恒定律為例，提出物理核心素養下規律課優化設計思路，以遵循學生認知開展為主線，采用探究式的教學方法，保證學生主體地位，理論探究機械能守恒，引導學生從整體化角度對規律進展探究，深化理解機械能守恒本質，培養轉化與守恒觀念，鍛煉思維才能，進步物理核心素養。

關鍵詞：機械能守恒定律；理論探究；物理核心素養

本文引用格式：馮亞儒.基于物理核心素養優化規律課教學以機械能守恒定律教學設計為例[J].教育現代化,2022,6(62):240-242.

新修訂的高中物理課程標準將之前的三維課程目的提煉與升華為物理核心素養。物理核心素養是指學生在承受物理教育過程中逐步形成的適應個人終身開展和社會開展需要的必備品格和關鍵才能，是學生通過物理學習內化的帶有物理學科特性的品質，是學生科學素養的重要構成【1】。物理核心素養主要由"物理觀念";"科學思維";"科學探究";"科學態度與責任";四個方面的要素構成。機械能守恒定律是學生在高中階段接觸的第一個具有守恒思想的定律，守恒思想在整個高中物理模塊中具有非常重要的作用。由于沒有認知根底，機械能守恒定律的設計更需要遵循學生認知開展規律，在理論探究中浸透物理觀念，培養科學思維、科學態度與責任，進而進步物理核心素養。

一教材分析

人教版?機械能守恒定律?一節，以單擺模型進展引入，接著列舉物體自由落體或沿光滑斜面滑下，指出動能與勢能互相轉化，接著定義機械能，并以物體沿光滑曲面滑下為例，理論探究機械能守恒，得出機械能守恒定律。

設置單擺運動情景時，小球受力復雜，動能、勢能的變化較為抽象，學生很難將二者建立轉化聯絡。但假設設置物體自由落體情景，速度、高度的變化是這一運動狀態的表觀現象，更容易引起學生對二者之間的轉化關系的猜測，倘假設學生可以從簡單的運動狀態背后覺察物理量之間的關聯，那么更加有利于學生建立物理觀念，鼓勵學生多觀察身邊事物，時刻從物理學角度觀察身邊事物，進步物理核心素養。

由觀察自由落體或光滑斜面下滑運動的物體，發現重力勢能減小，動能增大，直接得出重力勢能轉化為動能的觀點有些牽強，事實上，并沒有直接的證據可以說明這一轉化過程，因此，引導學生進展猜測，假設二者之間具有某種轉化關系，更加符合邏輯，也更適于學生的思維特點。

對于理論探究機械能守恒定律，教材中的推導過程未能表達守恒的本質，保守力做功是動能勢能互相轉化的根本原因。機械能本身并不守恒，只是系統不與外界進展能量交換，系統內部任意狀態下的機械能才守恒。

二學情分析

高一的學生之前已經對能量、功、動能定理有了一定的認識根底，因此用原有知識通過公式變換對機械能守恒進展理論探究符合學生的認知開展規律。高中學生尚處于由"形象思維和感性思維";向"抽象思維和理性思維";的過渡時期【2】，而機械能守恒過于抽象，守恒思想又是學生第一次接觸，但這一思想貫穿于整個高中的物理學習，對于學生物理程度的進步極為重要，學生學習難免有些吃力，因此，通過探究引導學生深化理解守恒的本質，建立"守恒";和"轉化";的觀念是本節學習的重點。

三教學目的

物理觀念：從能量的角度理解機械能守恒定律中能量的永久不變，深化理解機械能守恒的本質，可以從動能勢能等量轉化的角度理解機械能守恒，建立能量"守恒";和互相"轉化";的物理觀念。

科學思維：理解機械能可以守恒的原因，明白建立能量守恒定律的整個理論推導過程，可以運用整體思維對運動狀態進展分析。

科學探究：可以純熟運用動能定理、動能、勢能公式對機械能守恒定律進展理論探究。

科學態度和責任：進階地探究機械能守恒定律，培養學生嚴謹的科學研究態度，培養社會使命感。

四教學過程

〔一〕創設情境，引發認知沖突

"球碰鼻子";魔術：一位同學將擺球拉到教師鼻尖處，教師保持頭部不動，然后學生放手，擺球返回時最高點時剛好碰到鼻尖。

設計說明：通過創設魔術情境，將同學們帶入神奇的未知世界，與原有認知產生沖突，充分調動起學生對本節課的學習興趣，鼓勵學生積極探究，體會物理學習重要性。

〔二〕提出問題，引入新課

教師演示：小球從高處下落。

問：觀察到小球狀態有何變化〔速度變大，高度變小〕，速度與高度之間是否存在某種變換？假設存在交換，是等量代換還是差量代換？

設計說明：動能和勢能之間的轉換是極為抽象的，遠沒有速度和高度的變換來的直觀，高中階段的學生第一次接觸守恒知識，很難建立起動能勢能之間可以互相轉換的邏輯聯絡，而通過先將速度、高度這種表觀的物理量建立起聯絡，再進一步明確動能、勢能的互相轉化，更符合學生認知開展，增強定理可信度，培養學生縝密的思維，浸透物理觀念。

〔三〕驗證猜測，探究守恒

1.教師帶著下的理論探究

得出機械能守恒。

設計說明：首先，這個表達式直觀地說明了動能、勢能之間的轉化是等量的，即等速度換等高度，接著定義動能、勢能統稱為機械能，進而得到了機械能守恒。學生運用以前學習過的公式進展變換的過程是"同化";過程，定義機械能，學生承受新信息，完成"順應";過程，在"同化";與"順應";的交替之中完成機械能守恒定律知識構建【3】。這一過程也表達了邏輯推理的強大力量，幫助學生建立物理觀念，培養科學態度與責任。其次，從功能關系的角度來看，這一式子也說明了引起動能、勢能互相轉化的原因是重力做功，勢能包括重力勢能和彈性勢能，因此，在只有重力或彈力做功的物體系統內，動能、勢能互相轉化，機械能保持不變。也再次印證邏輯的力量，明確了"守恒";的本質，表達了"功是能量轉化的量度";。再次，強調理論推導所選取的狀態為任意的，使論證更具有說服力，定理更具有普遍性。由于學生首次進展動能、勢能的轉化，難免無從下手，教師帶著下對機械能守恒的理論推導很好地完成了學生認知的"被組織";過程，啟發學生接下來更好地完成機械能守恒定律的多情況推導。

2.學生分組理論探究。

科學探究不僅是指實驗探究，理論探究也是科學探究的一種非常重要的形式，讓學生運用所學的動能定理、動能、勢能表達式理論探究自由落體運動、平拋運動、圓周運動、光滑斜面上滑動這四種情形下的小球任意狀態下動能、勢能的等量轉化，由學生們去發現和總結只有在重力做功的情況下，動能和重力勢能的轉化才是等量的。

設計說明：建構物理模型，學生自行推導不同情形下的機械能守恒問題，發現規律，自主到達"平衡";過程。整個過程是"自組織";過程，鍛煉了學生自主探究才能，表達了學生的主體地位。通過比照鮮明的多種物理模型，更直觀地發現內部規律，學生親自完成科學探究過程，是培養核心素養的重要途徑，既保證了學生主體的地位，也表達了教師的主導作用。

〔四〕拓展探究，完善定律

機械能守恒定律不僅包含只有重力做功這一條件，還包含只有彈力做功或重力、彈力都做功的條件。教師引導下學生自主地從理論上對程度放置的彈簧〔僅彈力做功〕，豎直放置的彈簧〔彈力、重力均做功〕在恢復原來狀態過程中任意兩處的機械能進展探究，建立完好的定律體系。

〔五〕梳理知識，建構完好體系

教師提問機械能守恒定律的內容、條件、表達式，對本節知識進展梳理，并對重點知識進展強調，以教師為主導，以學生為主體，幫助學生建構完好的守恒體系，鍛煉學生思維和表達概括才能，建構物理觀念。

〔六〕解答課前疑問

教師提問，學生經過考慮，從能量守恒角度破解魔術奧秘。

設計說明：在對整節知識進展梳理后，學生已經在腦海中構建了完好的機械能守恒的知識體系，理論根底扎實，在此根底上對課前疑問進展答疑，是對機械能守恒定律的穩固和深化。

五總結與啟示

〔一〕遵循學生認知開展規律，進階式地進展科學探究

教師在對某節課進展處理和構思前，要全面的理解授課對象的認知根底，在全面掌握學生認知情況的根底之上，對教材的不合理之處進展大膽的變化和調整，設計出真正貼合學生思維的教學內容。根據皮亞杰認知開展理論，認知才能的提升需要經歷四個階段，圖示同化順應平衡，對于一個新知識點的學習，學生是陌生的，承受起來難免有困難，教師假設可以準確找到新舊知識之間的聯絡，巧妙地引導學生建立這種聯絡，以學生為主體，循序漸進地，進階地幫助學生實現前概念與新信息的平衡過程，就可以輕松地實現知識程度的提升，起到事半功倍的效果。

〔二〕建構簡單的物理模型，開掘潛藏物理規律

簡單的事物中往往蘊藏許多復雜規律。建立簡單的經典物理模型，不僅有利于學生對物體更直觀的分析，將探究過程簡化，而且通過這種"以小見大";的過程，誘導學生學會用物理的角度觀察事物，時刻用發現的眼睛尋找真理，有利于浸透物理觀念，培養科學態度與責任，潛移默化中進步/