運(yùn)用PCK理論優(yōu)化教學(xué)

徐超

摘 要：本文運(yùn)用PCK理論系統(tǒng)分析機(jī)械能守恒定律的地位、價(jià)值、難點(diǎn)和教學(xué)策略，將學(xué)科知識(shí)進(jìn)行組織、調(diào)整與呈現(xiàn)，以進(jìn)行有效教學(xué)，使知識(shí)主線更加明晰，教學(xué)策略更加科學(xué)高效。

關(guān)鍵詞：機(jī)械能；PCK；守恒；條件

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2018）7-0028-2

機(jī)械能守恒定律是高中物理中非常重要的定律，也是教學(xué)及考查的重點(diǎn)，然而，學(xué)生很難理解抽象的能量總量不變。PCK與其說(shuō)是一種知識(shí)，不如說(shuō)是教師特有的“轉(zhuǎn)化”的智能，即將學(xué)科知識(shí)“轉(zhuǎn)化”成學(xué)生有效獲得知識(shí)的學(xué)科教學(xué)智能。教師先通過(guò)教學(xué)設(shè)計(jì)，將學(xué)科的知識(shí)轉(zhuǎn)化成教學(xué)的知識(shí)，再通過(guò)課堂教學(xué)，使教學(xué)的知識(shí)轉(zhuǎn)化為學(xué)生的知識(shí)。在兩次轉(zhuǎn)化中，要考慮下面4個(gè)方面問(wèn)題。

1 “機(jī)械能守恒定律”的內(nèi)容及其教育價(jià)值

機(jī)械能守恒定律的內(nèi)容：在只有重力或彈力做功的物體系統(tǒng)內(nèi)，動(dòng)能與勢(shì)能可以相互轉(zhuǎn)化，而總的機(jī)械能保持不變。

教育價(jià)值：它是能量守恒定律在機(jī)械能中的具體體現(xiàn)，是理解“守恒”這一重要思想的重要契機(jī)，對(duì)今后學(xué)習(xí)其他守恒定律有非常大的幫助。

2 “機(jī)械能守恒定律”與其他教學(xué)內(nèi)容的聯(lián)系

學(xué)生知道重力做功會(huì)引起重力勢(shì)能的變化，彈力做功將使彈性勢(shì)能發(fā)生變化，合外力的功將引起物體動(dòng)能的變化。機(jī)械能守恒定律可以看作前面所學(xué)動(dòng)能定理在只有重力和彈力做功情形下的特殊形式，同時(shí)也是能量守恒的特殊形式，為后面全面學(xué)習(xí)能量守恒定律奠定基礎(chǔ)。學(xué)好這一定律對(duì)學(xué)生全面理解“守恒”這一重要的物理思想有很重要的意義。

3 學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)械能守恒定律時(shí)可能的困難

能量是看不見(jiàn)摸不著的，雖然能量的變化很好體會(huì)，但量的確定比較困難，尤其是總量不變更加難以界定，所以對(duì)守恒的建立過(guò)程有很大的難度。其次，機(jī)械能守恒定律是有條件的守恒，對(duì)條件中只有重力或彈力做功的理解，也是學(xué)生經(jīng)常理解不到位的地方。

4 幫助學(xué)生理解機(jī)械能守恒定律的教學(xué)策略

策略一：運(yùn)用實(shí)驗(yàn)化抽象為形象，進(jìn)行“預(yù)測(cè)—觀察—解釋”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

實(shí)驗(yàn)加對(duì)比：釋放一個(gè)大鐵球在最低點(diǎn)撞玻璃板（碎）， 在最高點(diǎn)撞紙（不破）。

誘思：擺球?yàn)槭裁磿?huì)撞破玻璃，動(dòng)能來(lái)自哪里？擺回過(guò)程中，動(dòng)能到哪里去了？

在微阻力的情況下，彈簧振子（如圖1）動(dòng)能和勢(shì)能相互轉(zhuǎn)化，可以長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)動(dòng)。

對(duì)比時(shí)可以關(guān)掉氣泵，彈簧振子很快停下來(lái)。學(xué)生很好理解只有彈力做功，機(jī)械能也是守恒的。阻力的作用會(huì)使機(jī)械能損失。

策略二：運(yùn)用DIS將隱藏的能量顯現(xiàn)出來(lái)。

擺球能夠擺動(dòng)到原來(lái)的高度，說(shuō)明擺動(dòng)過(guò)程中，重力勢(shì)能的變化和動(dòng)能的變化有什么關(guān)系？

猜想：可能相等。怎么樣確定是否相等呢？

驗(yàn)證：動(dòng)能和勢(shì)能的總和是否變化。

擺球?qū)嶒?yàn)：如圖2所示，4個(gè)光電門測(cè)時(shí)間，已知擺球直徑d=0.01 m，可以計(jì)算出經(jīng)過(guò)每一個(gè)光電門時(shí)的速度。

策略三：理論探究。重力勢(shì)能的減少量和動(dòng)能的增加量近似相等，是一種偶然嗎？怎樣證明？

實(shí)驗(yàn)是一種思路，想嚴(yán)密還需進(jìn)行理論探究。為了更好地證明，我們繼續(xù)對(duì)擺球進(jìn)行分析，僅僅圍繞引入的擺球運(yùn)動(dòng)，不用轉(zhuǎn)換研究對(duì)象。

情景：如圖3所示，擺球擺動(dòng)過(guò)程中，經(jīng)過(guò)離地面高度為h1的A點(diǎn)時(shí)速度為v1，下落到高度為h2的B點(diǎn)時(shí)速度為v2，試寫出物體在A點(diǎn)時(shí)的機(jī)械能和在B點(diǎn)時(shí)的機(jī)械能，試判斷物體在A點(diǎn)的機(jī)械能E1和在B點(diǎn)的機(jī)械能E2的關(guān)系。

利用實(shí)驗(yàn)，通過(guò)理論推導(dǎo)，讓學(xué)生更加全面地理解機(jī)械能守恒定律。

策略四：直接講機(jī)械能守恒的條件，學(xué)生不容易理解，讓學(xué)生反過(guò)來(lái)思考擺球?yàn)槭裁磿?huì)停下來(lái)，發(fā)現(xiàn)是阻力的作用將機(jī)械能轉(zhuǎn)變成其他形式的能量，進(jìn)而理解為什么只能是重力（或彈力）做功。

拓展：舉出你認(rèn)為機(jī)械能守恒的例子并從簡(jiǎn)單到復(fù)雜進(jìn)行分類。

（1）只受重力或彈力。

（2）除重力或彈力外還受其他力，但其他力不做功。

蕩秋千慢慢停下來(lái)的過(guò)程中，機(jī)械能守恒嗎？為什么不？怎樣可以擺到原來(lái)的高度？展示電動(dòng)秋千，如果及時(shí)補(bǔ)充因阻力做功損失的機(jī)械能，那么就可以保持機(jī)械能守恒。

（3） 除了重力或彈力做功外，其他力也做功，但是其他力做的功為零。

策略五：反思拓展。得到機(jī)械能守恒定律是在只有重力做功的情況下，我們通過(guò)引導(dǎo)還可以發(fā)現(xiàn)彈力做功也有類似的規(guī)律，于是進(jìn)一步拓展形式和條件，推廣機(jī)械能守恒定律的使用范圍。

第二種：△Ek=-△EP，從轉(zhuǎn)化的角度，動(dòng)能增加量等于勢(shì)能減小量。

策略六：生活化的例題。

【例題】 在下列實(shí)例中運(yùn)動(dòng)的物體，不計(jì)空氣阻力，機(jī)械能不守恒的是（ ）

A.物體做平拋運(yùn)動(dòng)

B.在豎直平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)山車

C.沿滑梯下滑的你

D.起重機(jī)勻速吊起貨物

結(jié)語(yǔ)：運(yùn)用PCK理論可以讓我們更加清楚地知道傳授物理知識(shí)的重要作用和教學(xué)難點(diǎn)，引導(dǎo)我們綜合運(yùn)用多種手段降低教學(xué)難點(diǎn)，優(yōu)化教學(xué)流程，培養(yǎng)學(xué)生的物理思維，提高核心素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱連云.小學(xué)數(shù)學(xué)新手和專家教師PCK比較的個(gè)案研究——青浦實(shí)驗(yàn)的新世紀(jì)行動(dòng)之四[J].上海教育科研，2007（10）：47-50.

（欄目編輯 鄧 磊）