新課標(biāo)背景下《動(dòng)能和動(dòng)能定理》教學(xué)設(shè)計(jì)概述

吝歡歡 任新成

[摘 ? 要]以《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡(jiǎn)稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）為依據(jù)，遵循中學(xué)生認(rèn)知發(fā)展規(guī)律，借助原始物理問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用邏輯方法和數(shù)學(xué)知識(shí)通過(guò)科學(xué)推理得出動(dòng)能概念和動(dòng)能定理，以提高學(xué)生的自學(xué)能力、建模能力和科學(xué)推理能力，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)和邏輯思維，最終培養(yǎng)中學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。主要從教學(xué)分析、教學(xué)模式、教學(xué)過(guò)程等方面討論《動(dòng)能和動(dòng)能定理》一課的教學(xué)設(shè)計(jì)。

[關(guān)鍵詞]教學(xué)設(shè)計(jì);動(dòng)能和動(dòng)能定理;原始物理問(wèn)題;科學(xué)推理

[中圖分類號(hào)] ? ?G633.7 ? ? ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] ? ?A ? ? ? ?[文章編號(hào)] ? ?1674-6058（2019）26-0042-03

教學(xué)設(shè)計(jì)是教學(xué)工作最重要的環(huán)節(jié)之一，是教師依據(jù)教學(xué)目標(biāo)、內(nèi)容和學(xué)生特點(diǎn)，綜合把握教學(xué)中各方面因素，運(yùn)用系統(tǒng)科學(xué)的方法精心編制教學(xué)方案。它體現(xiàn)了一個(gè)教師的教育理念和教學(xué)認(rèn)知。同時(shí)，科學(xué)優(yōu)化的教學(xué)設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)高效課堂的前提和保證。因此，一名合格的物理教師應(yīng)該根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)要求，在進(jìn)行科學(xué)準(zhǔn)確的教學(xué)分析基礎(chǔ)上，合理確定教學(xué)目標(biāo)，選擇有效的教學(xué)模式、策略、方法以及評(píng)價(jià)方式，最終形成具體的教學(xué)流程和操作方案[1]。同時(shí)，按照新課程理念，教學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)該重視教學(xué)過(guò)程的邏輯順序以及科學(xué)方法的顯化。

對(duì)于《動(dòng)能和動(dòng)能定理》一課的教學(xué)，首先應(yīng)明確：定理是根據(jù)公理或其他已被證明了的命題在邏輯限制的條件下運(yùn)用演繹推理的方法得出的，它不同于其他需要用實(shí)驗(yàn)證據(jù)來(lái)支撐的科學(xué)理論，所以我們可以根據(jù)已學(xué)規(guī)律運(yùn)用演繹的方法推導(dǎo)得出。但需要注意在推理的過(guò)程中對(duì)學(xué)生的啟發(fā)引導(dǎo)。其次，我們?cè)谝龑?dǎo)學(xué)生推理得出動(dòng)能概念和動(dòng)能定理的過(guò)程中，是在“功是能量轉(zhuǎn)化的量度”的前提下，參照重力勢(shì)能（或彈性勢(shì)能）的推導(dǎo)過(guò)程運(yùn)用類比方法完成的，但需要注意后者是一個(gè)力做功的結(jié)果，而前者涉及合外力，所以需要設(shè)置合理的情境，避免產(chǎn)生思維混淆和認(rèn)識(shí)誤區(qū)。

一、教學(xué)分析

根據(jù)《課程標(biāo)準(zhǔn)》中高中物理課程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，《動(dòng)能和動(dòng)能定理》處于必修2模塊，是全體學(xué)生必須學(xué)習(xí)的內(nèi)容，承擔(dān)著培養(yǎng)高中生科學(xué)素養(yǎng)的基礎(chǔ)性任務(wù)[2]。

1.教學(xué)目標(biāo)

依據(jù)《課程標(biāo)準(zhǔn)》的要求，下面分別從物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四個(gè)方面設(shè)計(jì)本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)。

（1）物理觀念：進(jìn)一步發(fā)展有關(guān)動(dòng)能的觀念：對(duì)動(dòng)能概念有更加深刻的認(rèn)識(shí)，理解動(dòng)能定理的物理內(nèi)涵;能從能量的視角解釋生產(chǎn)生活中的有關(guān)現(xiàn)象，能運(yùn)用動(dòng)能定理解決實(shí)際物理問(wèn)題。

（2）科學(xué)思維：能從原始物理問(wèn)題的情境中根據(jù)需要，選擇合適的模型，運(yùn)用邏輯方法和數(shù)學(xué)知識(shí)推導(dǎo)動(dòng)能定理，掌握有關(guān)科學(xué)方法;能運(yùn)用動(dòng)能定理對(duì)常見(jiàn)的物理問(wèn)題進(jìn)行分析和推理，獲得結(jié)論并做出解釋。

（3）科學(xué)探究：學(xué)會(huì)從物理學(xué)的角度分析有關(guān)現(xiàn)象，提出問(wèn)題，尋找規(guī)律，通過(guò)分析、抽象構(gòu)建物理模型，并通過(guò)演繹推理的探究過(guò)程得出動(dòng)能定理。

（4）科學(xué)態(tài)度與責(zé)任：具有較強(qiáng)的物理學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)和自主學(xué)習(xí)信念，養(yǎng)成獨(dú)立思考、交流合作的學(xué)習(xí)習(xí)慣。認(rèn)識(shí)到物理知識(shí)在現(xiàn)實(shí)生活中的巨大作用，充分認(rèn)識(shí)科學(xué)、技術(shù)與社會(huì)的關(guān)系。

2.教學(xué)重難點(diǎn)

（1）教學(xué)重點(diǎn)：動(dòng)能概念的引出和理解;動(dòng)能定理的物理意義及其應(yīng)用。

（2）教學(xué)難點(diǎn)：通過(guò)對(duì)原始物理問(wèn)題的分析，構(gòu)建物理模型，運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)和演繹推理得出動(dòng)能定理。

二、教學(xué)模式

教學(xué)模式是根據(jù)一定的教學(xué)思想和理論，在充分把握學(xué)生學(xué)習(xí)規(guī)律的基礎(chǔ)上建構(gòu)的既有利于提高教學(xué)質(zhì)量與效率，又符合學(xué)生思維模式的框架結(jié)構(gòu)和活動(dòng)程序，應(yīng)遵循反饋性、有序性和整體性原則[4]。在基本教學(xué)模式的基礎(chǔ)上，筆者提出翻轉(zhuǎn)課堂與BOPPPS相融合的教學(xué)模式，以下是基于該模式的本節(jié)課的教學(xué)流程。

現(xiàn)做簡(jiǎn)要說(shuō)明：在課前通過(guò)微課教學(xué)，及時(shí)檢測(cè)以及交流互動(dòng)，使學(xué)生復(fù)習(xí)鞏固相關(guān)原有知識(shí)，為新知識(shí)的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)，使課堂教學(xué)更加高效。其中包括初中有關(guān)動(dòng)能的知識(shí)，以及通過(guò)實(shí)驗(yàn)明確動(dòng)能的兩個(gè)影響因素;勻變速直線運(yùn)動(dòng)（包括速度位移公式）和牛頓第二定律的相關(guān)知識(shí)。課中引入“物體隨電梯上升”這一原始物理問(wèn)題并加以分析，通過(guò)構(gòu)建理想物理模型（對(duì)象模型和過(guò)程模型），對(duì)物體進(jìn)行受力分析（受到重力和支持力作用），進(jìn)而分析物體的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。運(yùn)用科學(xué)推理和類比思維得到動(dòng)能概念以及動(dòng)能定理，通過(guò)設(shè)置適當(dāng)?shù)膯?wèn)題推進(jìn)教學(xué)，使學(xué)生的思維由淺入深，學(xué)習(xí)循序漸進(jìn)。引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)動(dòng)能定理的應(yīng)用步驟，形成問(wèn)題解決的一般思路和方法。進(jìn)一步通過(guò)課堂習(xí)題的檢測(cè)、展示與講解，使學(xué)生學(xué)以致用，鞏固提高。通過(guò)比較分析，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到動(dòng)能定理與牛頓運(yùn)動(dòng)定律的不同，加深對(duì)動(dòng)能定理的理解。課后要求學(xué)生復(fù)習(xí)總結(jié)，通過(guò)繪制思維導(dǎo)圖，提高學(xué)生思維的可視性與知識(shí)學(xué)習(xí)的系統(tǒng)性。通過(guò)調(diào)查走訪，收集汽車剎車距離與車速的數(shù)據(jù)，并用動(dòng)能定理進(jìn)行解釋，提高學(xué)生的數(shù)據(jù)收集與分析能力，使學(xué)生充分認(rèn)識(shí)科學(xué)技術(shù)與社會(huì)的緊密聯(lián)系，積極貫徹新課程“從生活走向物理，從物理回歸社會(huì)”的理念，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

三、教學(xué)過(guò)程

中學(xué)物理教學(xué)過(guò)程是體現(xiàn)教師教學(xué)理念、達(dá)成課堂教學(xué)目標(biāo)的實(shí)踐環(huán)節(jié)，是中學(xué)生在物理教師創(chuàng)設(shè)的學(xué)習(xí)情境中，在原有認(rèn)知的基礎(chǔ)上，在教師的引導(dǎo)及教學(xué)資源的幫助下，經(jīng)歷科學(xué)探究過(guò)程，以建構(gòu)物理知識(shí)，掌握科學(xué)方法，提高基本技能，從而實(shí)現(xiàn)科學(xué)素養(yǎng)的全面發(fā)展。筆者認(rèn)為，物理教學(xué)除了應(yīng)依據(jù)基本的中學(xué)物理教學(xué)原則，遵循教學(xué)的一般規(guī)律，選擇適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)模式、方法以及策略以外，還應(yīng)重視教學(xué)過(guò)程的邏輯順序和科學(xué)方法的顯化。下面筆者從這兩方面對(duì)《動(dòng)能和動(dòng)能定理》一課進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.教學(xué)過(guò)程的邏輯順序

所謂教學(xué)過(guò)程的邏輯順序是指在教學(xué)過(guò)程中所應(yīng)遵循的一定的內(nèi)在邏輯關(guān)系和展開(kāi)順序。中學(xué)物理教學(xué)過(guò)程不僅應(yīng)依據(jù)中學(xué)物理學(xué)科內(nèi)容本身的邏輯性，還應(yīng)符合中學(xué)生學(xué)習(xí)物理的認(rèn)知發(fā)展特點(diǎn)，從而有層次、有條理地推進(jìn)教學(xué)。在本節(jié)課的教學(xué)過(guò)程中，首先在“功是能量轉(zhuǎn)化的量度”的前提下，通過(guò)在已經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)的重力勢(shì)能（或彈性勢(shì)能）的推導(dǎo)過(guò)程中重力（或彈力）做功引起重力勢(shì)能（或彈性勢(shì)能）的變化引出研究主題：動(dòng)能變化與外力做功的關(guān)系。然后按照由定性到定量、由特殊到一般的邏輯順序進(jìn)行展開(kāi)。具體如下：

（1）將物體隨電梯的上升過(guò)程分為勻加速、勻速和勻減速三個(gè)階段，畫(huà)出示意圖，分別進(jìn)行研究。分析三個(gè)運(yùn)動(dòng)階段物體的動(dòng)能變化特點(diǎn)以及重力、支持力和合外力做功的特點(diǎn)，找出其中的定性規(guī)律。

引導(dǎo)學(xué)生初步得出結(jié)論：在一個(gè)過(guò)程中合外力對(duì)物體做正功，物體的動(dòng)能增大;合外力做負(fù)功，動(dòng)能減小;合外力不做功，動(dòng)能不變。

（2）以勻加速直線運(yùn)動(dòng)為例進(jìn)行定量運(yùn)算，由勻變速直線運(yùn)動(dòng)速度位移公式及牛頓第二定律推導(dǎo)得出特殊條件下的“動(dòng)能定理”。

（3）考慮更一般的情形，在這一過(guò)程中物體受到若干恒力作用而做勻變速直線運(yùn)動(dòng)的情形。再進(jìn)一步推及物體做勻變速曲線運(yùn)動(dòng)（這里應(yīng)指明在推導(dǎo)中所使用的公式均是矢量式，我們就可以借助矢量的點(diǎn)乘運(yùn)算得出結(jié)論，即[F合·s=F合×scosθ]，其中[θ]是[F合]與[s]的夾角）以及受變力作用（微元法）的情形。由特殊到一般，得出普遍意義下的動(dòng)能定理。

（4）引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用動(dòng)能定理解釋電梯三個(gè)運(yùn)行階段物體動(dòng)能變化的原因，使教學(xué)前后呼應(yīng)，提高學(xué)生運(yùn)用物理知識(shí)解釋自然現(xiàn)象的能力。

2.科學(xué)方法的顯化教育

科學(xué)方法是指人們?cè)谡J(rèn)識(shí)和改造物質(zhì)世界的過(guò)程中所遵循或運(yùn)用的、符合一般科學(xué)原則的各種途徑和方式。與科學(xué)知識(shí)相比，科學(xué)方法具有更加穩(wěn)定和更加普適的特點(diǎn)，由科學(xué)現(xiàn)象形成科學(xué)理論（科學(xué)學(xué)習(xí)）以及由科學(xué)理論轉(zhuǎn)化為實(shí)踐（科學(xué)應(yīng)用）的過(guò)程都需要借助一定的科學(xué)方法[5]。在中學(xué)物理教學(xué)過(guò)程中，科學(xué)方法的教育顯得尤為重要，它是使學(xué)生在建構(gòu)物理知識(shí)、形成物理觀念，進(jìn)而應(yīng)用物理知識(shí)的過(guò)程中真正有效的思維工具。而相比于科學(xué)方法的“隱性”教育方式，對(duì)科學(xué)方法進(jìn)行顯化教育（即“打開(kāi)天窗說(shuō)亮話”）則更能夠使學(xué)生直接感受和真正習(xí)得有關(guān)科學(xué)方法的知識(shí)。本節(jié)課的教學(xué)過(guò)程中所涉及的科學(xué)方法有以下幾種。

（1）控制變量法：課前復(fù)習(xí)初中有關(guān)動(dòng)能的知識(shí)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)使學(xué)生明確：在探究動(dòng)能的兩個(gè)影響因素（物體的質(zhì)量和速度的大?。┑倪^(guò)程中，需要運(yùn)用控制變量法。

（2）理想化模型法：課中借助物體隨電梯上升這一原始物理問(wèn)題。為了簡(jiǎn)化問(wèn)題，首先需要忽略物體的大小、形狀等因素，把物體抽象為一個(gè)質(zhì)點(diǎn);其次將物體隨電梯的運(yùn)動(dòng)過(guò)程理想化為勻加速、勻速和勻減速這樣三個(gè)過(guò)程模型。

（3）演繹推理法：在根據(jù)勻變速直線運(yùn)動(dòng)及牛頓第二定律的知識(shí)推導(dǎo)得出動(dòng)能及動(dòng)能定理的過(guò)程中，需要運(yùn)用演繹推理法。而在推導(dǎo)時(shí)需要做適當(dāng)?shù)淖冃?，這就需要教師進(jìn)行合理的引導(dǎo)并給予學(xué)生充分的思考時(shí)間，使學(xué)生主動(dòng)探究發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律，增強(qiáng)物理學(xué)習(xí)的自主性。

（4）類比法：在引出研究主題及分析得出動(dòng)能表達(dá)式的過(guò)程中，均是在“功是能量轉(zhuǎn)化的量度”的前提下借助重力（或彈力）做功與重力勢(shì)能（或彈性勢(shì)能）變化的關(guān)系運(yùn)用類比法得出的。

教師在教學(xué)過(guò)程中應(yīng)該對(duì)上述科學(xué)方法予以顯化處理，以使學(xué)生明確、理解，進(jìn)而掌握和運(yùn)用所學(xué)方法。

[ ? 參 ? 考 ? 文 ? 獻(xiàn) ? ]

[1] ?閆金鐸，郭玉英.中學(xué)物理教學(xué)概論[M].3版.北京：高等教育出版社，2009：78.

[2] ?中華人民共和國(guó)教育部制定.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[3] ?封小超，王力邦.物理課程與教學(xué)論[M].北京：科學(xué)出版社，2005：76.

[4] ?查有梁.新教學(xué)模式之建構(gòu)[M].南寧：廣西教育出版社，2003：13-23.

[5] ?邢紅軍.物理科學(xué)方法顯化教育的理論與實(shí)踐研究[J].中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2011（24）：73-74+81.

（責(zé)任編輯 易志毅）