基于課程標(biāo)準(zhǔn)的“機(jī)械能及其轉(zhuǎn)化”的教學(xué)設(shè)計(jì)

邸傳迪 李新鄉(xiāng)

（曲阜師范大學(xué)物理工程學(xué)院，山東 曲阜 273165）

實(shí)施基于課程標(biāo)準(zhǔn)的教學(xué)，基礎(chǔ)性的工作是基于課程標(biāo)準(zhǔn)的教學(xué)設(shè)計(jì).威金斯和邁克泰提出的“逆向設(shè)計(jì)模式”主張：在教學(xué)設(shè)計(jì)中首先明確源于課程標(biāo)準(zhǔn)的學(xué)習(xí)目標(biāo)；然后先于教與學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)檢測學(xué)習(xí)目標(biāo)是否達(dá)到的評價(jià)活動(dòng)；最后設(shè)計(jì)教與學(xué)的活動(dòng).實(shí)施逆向設(shè)計(jì)，可以使教師帶著問題思考教學(xué)，確保學(xué)習(xí)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)；確保實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)、教學(xué)與評價(jià)的一致性.

1 教學(xué)任務(wù)分析

“能量的轉(zhuǎn)化和守恒”是自然界最普遍、最重要的基本定律之一，它反映了物質(zhì)運(yùn)動(dòng)和相互作用的本質(zhì)，不僅貫穿在聲現(xiàn)象、熱現(xiàn)象、力現(xiàn)象、電磁現(xiàn)象等整個(gè)物理教學(xué)過程中，而且廣泛滲透在各門學(xué)科中，并和各種產(chǎn)業(yè)及日常社會息息相關(guān).機(jī)械能是最常見的一種能量，轉(zhuǎn)化是最基本的科學(xué)思想.通過動(dòng)能、勢能和機(jī)械能及其轉(zhuǎn)化的內(nèi)容，使學(xué)生加深認(rèn)識功和能的關(guān)系，同時(shí)向?qū)W生滲透轉(zhuǎn)化的思想，對今后的學(xué)習(xí)具有基礎(chǔ)性的意義.

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》對該內(nèi)容的相關(guān)要求是“知道動(dòng)能、勢能和機(jī)械能.通過實(shí)驗(yàn)，了解動(dòng)能和勢能的相互轉(zhuǎn)化.舉例說明機(jī)械能和其他形式能量的相互轉(zhuǎn)化.例如，用蕩秋千的過程定性說明動(dòng)能和勢能的轉(zhuǎn)化情況”.其中，“知道”、“了解”、“舉例說明”是知識與技能維度的要求，“通過實(shí)驗(yàn)”是過程性要求.

2012年新版物理教材將其安排在8年級第11章“功和機(jī)械能”，其中“機(jī)械能及其轉(zhuǎn)化”是第11章的第4節(jié)內(nèi)容.它既是前面所學(xué)“動(dòng)能和勢能”的延伸，又為后面學(xué)習(xí)“能量的轉(zhuǎn)化和守恒”奠定基礎(chǔ)，起到了承上啟下的作用.教材內(nèi)容由“機(jī)械能及其轉(zhuǎn)化”和“水能和風(fēng)能的利用”兩個(gè)板塊組成，包括兩個(gè)“想想做做”、一個(gè)“科學(xué)世界”，圖文并茂，符合學(xué)生認(rèn)知規(guī)律.雖然本節(jié)內(nèi)容與生活實(shí)際密切相關(guān)，但所涉及的物理知識比較抽象，因此給教師對教材的處理、整合、發(fā)揮留下了足夠的空間.

綜上所述，動(dòng)能和勢能的相互轉(zhuǎn)化是本節(jié)課的教學(xué)重點(diǎn).

2 學(xué)情分析

在前面的學(xué)習(xí)中，學(xué)生已經(jīng)學(xué)過動(dòng)能和勢能的概念，定性地了解影響動(dòng)能和勢能大小的因素，對動(dòng)能和勢能有初步的認(rèn)識.同時(shí)學(xué)生在生活中見到過很多動(dòng)能和勢能相互轉(zhuǎn)化的實(shí)例，但不會也不可能從動(dòng)能和勢能的轉(zhuǎn)化對其進(jìn)行分析，無法由動(dòng)能和勢能的變化聯(lián)系到兩者之間的相互轉(zhuǎn)化，從而形成教學(xué)難點(diǎn).

3 教學(xué)目標(biāo)

依據(jù)基于課程標(biāo)準(zhǔn)的教學(xué)理念和上述兩項(xiàng)分析，設(shè)計(jì)出源于課程標(biāo)準(zhǔn)的學(xué)習(xí)目標(biāo).

知識與技能：① 知道機(jī)械能的概念.

② 了解動(dòng)能和勢能的相互轉(zhuǎn)化.

③舉例說明機(jī)械能和其他形式能量的相互轉(zhuǎn)化.

過程與方法：④ 經(jīng)歷歸納建立機(jī)械能轉(zhuǎn)化規(guī)律的過程，提高分析和歸納能力.

情感態(tài)度與價(jià)值觀：⑤ 體會機(jī)械能轉(zhuǎn)化在生產(chǎn)生活及科學(xué)中的應(yīng)用.

4 評價(jià)設(shè)計(jì)

基于課程標(biāo)準(zhǔn)的教學(xué)設(shè)計(jì)要求評價(jià)活動(dòng)設(shè)計(jì)先于教學(xué)活動(dòng)的設(shè)計(jì)，為檢測教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成，設(shè)計(jì)了“上滾瓶”原理分析等2個(gè)題目.

（1）通過問題1～3及練習(xí)題（1）檢測教學(xué)目標(biāo)①的達(dá)成.

（2）通過問題4～10及練習(xí)題（1）、（2）檢測教學(xué)目標(biāo)②和④的達(dá)成.

（3）通過問題11、12檢測教學(xué)目標(biāo)③和⑤的達(dá)成.

5 教學(xué)媒體設(shè)計(jì)

5.1 上滾瓶

制作方法：上滾瓶的外部是由兩個(gè)剪掉瓶底的塑料瓶粘在一起構(gòu)成，兩端的瓶蓋上打兩個(gè)孔，固定橡皮筋；內(nèi)部是一塊小木板和一節(jié)干電池固定，兩條橡皮筋穿過木板和電池的連接處，將其拉緊懸空在塑料瓶的內(nèi)部.具體的制作如圖1所示.

圖1

操作方法：讓“上滾瓶”從不太陡的斜面滾下.

設(shè)計(jì)意圖：“上滾瓶”蘊(yùn)含動(dòng)能、重力勢能和彈性勢能三者之間的轉(zhuǎn)化，其神奇之處在于下滾后會沿斜面自動(dòng)向上爬坡，這一現(xiàn)象與學(xué)生以往的認(rèn)知沖突，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.

5.2 彈簧滾擺

制作方法：將輕質(zhì)彈簧一端固定在支架下方中間，另一端固定在橫桿上，橫桿連接滾擺，滾擺固定在支架上，如圖2所示.

操作方法：手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)滾擺，拉伸彈簧后松開滾擺.

設(shè)計(jì)意圖：課程標(biāo)準(zhǔn)要求通過實(shí)驗(yàn)理解動(dòng)能和勢能的相互轉(zhuǎn)化，而教材中并沒有動(dòng)能和彈性勢能轉(zhuǎn)化的實(shí)驗(yàn)，且大多數(shù)利用彈簧所做的實(shí)驗(yàn)并不利于學(xué)生的觀察，因此在滾擺實(shí)驗(yàn)裝置的基礎(chǔ)上改裝成彈簧滾擺，既不存在重力勢能的干擾，又使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象清晰呈現(xiàn)在學(xué)生眼前，讓學(xué)生了解不僅動(dòng)能和重力勢能可以互相轉(zhuǎn)化，而且動(dòng)能和彈性勢能也可以互相轉(zhuǎn)化.

圖2

6 教與學(xué)的活動(dòng)設(shè)計(jì)

6.1 利用趣味實(shí)驗(yàn)創(chuàng)設(shè)情境，導(dǎo)入新課

教師活動(dòng)1：講授新課前，教師將提前準(zhǔn)備好的“上滾瓶”展現(xiàn)給學(xué)生，然后將其放在具有一定傾斜程度的木板上，讓瓶子沿木板下滾.

學(xué)生活動(dòng)1：仔細(xì)觀察“上滾瓶”的神奇之處.描述現(xiàn)象：瓶子下滾后自動(dòng)向上滾動(dòng).

設(shè)計(jì)意圖：一開始上課，教師就利用自制的“上滾瓶”，演示學(xué)生從未見過新奇有趣的現(xiàn)象，創(chuàng)設(shè)引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突的物理情境，激發(fā)學(xué)生的好奇心和求知欲，引起物理學(xué)習(xí)的興趣.

6.2 利用問題驅(qū)動(dòng)法，形成機(jī)械能的概念

教師活動(dòng)2：利用多媒體展示動(dòng)態(tài)圖片，依次提出問題鏈，并適當(dāng)點(diǎn)撥、明確概念.

問題1：水平公路上行駛的汽車、懸掛在天花板的吊燈、被拉開的彈弓具有動(dòng)能還是勢能？為什么？

問題2：空中飛行的飛機(jī)具有動(dòng)能還是勢能？為什么？

問題3：高空中物體下落過程，物體的動(dòng)能和勢能如何變化？為什么動(dòng)能和勢能同時(shí)發(fā)生不同的變化？

學(xué)生活動(dòng)2：獨(dú)立思考，同桌交流，依次回答問題，建構(gòu)知識.

設(shè)計(jì)意圖：物理課程標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)調(diào)“從生活走向物理”，利用生活中常見的現(xiàn)象既能拉近學(xué)生與物理的關(guān)系，又可以溫故知新.問題鏈的設(shè)置層層遞進(jìn)，既明確了機(jī)械能的概念，又為建立動(dòng)能和勢能的轉(zhuǎn)化規(guī)律提出了探究問題.

6.3 利用任務(wù)驅(qū)動(dòng)法，建立動(dòng)能和重力勢能轉(zhuǎn)化的規(guī)律

實(shí)驗(yàn)1：學(xué)生分組進(jìn)行滾擺實(shí)驗(yàn).

圖3

教師活動(dòng)3：教師出示滾擺裝置（如圖3所示），并簡單介紹滾擺的構(gòu)造、實(shí)驗(yàn)的做法，讓學(xué)生分組實(shí)驗(yàn).

問題4：擺輪上升或下降過程中運(yùn)動(dòng)快慢如何？

問題5：擺輪上升或下降過程中動(dòng)能和重力勢能如何變化？

學(xué)生活動(dòng)3：根據(jù)教師的指導(dǎo)分組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，觀察擺輪的運(yùn)動(dòng)情況，并分析擺輪運(yùn)動(dòng)過程中動(dòng)能和重力勢能的變化.

描述并分析現(xiàn)象：開始釋放擺輪時(shí)，擺輪在最高點(diǎn)處于靜止?fàn)顟B(tài)只有重力勢能，沒有動(dòng)能；擺輪下降過程中，高度減小，速度增加，重力勢能逐漸減小，動(dòng)能逐漸增大；在最低點(diǎn)時(shí)速度最大，擺輪的重力勢能最小，動(dòng)能最大.上升過程重力勢能逐漸增大，動(dòng)能逐漸減小，在最高點(diǎn)時(shí)只有重力勢能，沒有動(dòng)能.

教師活動(dòng)4：提出問題，引導(dǎo)學(xué)生將動(dòng)能和重力勢能的變化聯(lián)系到二者的相互轉(zhuǎn)化.

問題6：以擺輪下降過程為例，減小的重力勢能去哪里了？增加的動(dòng)能從何而來？

問題7：為什么擺輪最終會停下來？如果動(dòng)能和重力勢能之間完全相互轉(zhuǎn)化，擺輪將會出現(xiàn)什么情況？

學(xué)生活動(dòng)4：思考、交流，建構(gòu)動(dòng)能和重力勢能相互轉(zhuǎn)化的規(guī)律.

總結(jié)規(guī)律：擺輪上升過程中，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為重力勢能；擺輪下降過程中，重力勢能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能.

設(shè)計(jì)意圖：滾擺實(shí)驗(yàn)是教材“想想做做”中動(dòng)能和重力勢能轉(zhuǎn)化的實(shí)驗(yàn)之一，通過學(xué)生的分組實(shí)驗(yàn)既能培養(yǎng)觀察能力，又能為學(xué)習(xí)動(dòng)能和重力勢能的轉(zhuǎn)化提供支持.問題6能夠引導(dǎo)學(xué)生將動(dòng)能和重力勢能的變化聯(lián)系到兩者的相互轉(zhuǎn)化，問題7在于引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識到因?yàn)椤白枇Α钡拇嬖谑沟脛?dòng)能和重力勢能并不能完全轉(zhuǎn)化，為以后學(xué)習(xí)機(jī)械能守恒做鋪墊.

6.4 利用方法遷移，建立動(dòng)能和彈性勢能轉(zhuǎn)化的規(guī)律

實(shí)驗(yàn)2：教師演示“彈簧滾擺”實(shí)驗(yàn).

教師活動(dòng)5：教師簡單分析、講解圖2所示“彈簧滾擺”的制作和特點(diǎn)，然后進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生利用建立動(dòng)能和重力勢能相互轉(zhuǎn)化規(guī)律的分析方法，觀察現(xiàn)象、分析現(xiàn)象、建立規(guī)律.

問題8：彈簧收縮或拉伸過程中，擺輪的運(yùn)動(dòng)快慢如何？

問題9：彈簧收縮或拉伸過程中，擺輪的動(dòng)能和彈性勢能如何變化？

問題10：為什么擺輪最終會停下來？如果動(dòng)能和彈性勢能之間完全相互轉(zhuǎn)化，擺輪將會出現(xiàn)什么情況？

學(xué)生活動(dòng)5：觀察彈簧與擺輪的運(yùn)動(dòng)情況，通過合作學(xué)習(xí)，分析動(dòng)能和彈性勢能的變化，建立動(dòng)能和彈性勢能的轉(zhuǎn)化規(guī)律.

描述并分析現(xiàn)象：（以彈簧拉伸的過程為例）開始時(shí)彈簧處于壓縮狀態(tài)，彈性勢能最大，擺輪靜止，沒有動(dòng)能；彈簧逐漸恢復(fù)，彈性勢能減小，擺輪的動(dòng)能逐漸增大；彈簧恢復(fù)原狀時(shí)，彈簧沒有彈性勢能，擺輪的動(dòng)能最大.

建立規(guī)律：彈簧拉伸的過程中，彈簧的彈性勢能轉(zhuǎn)化為擺輪的動(dòng)能；彈簧壓縮過程中，擺輪的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為彈簧的彈性勢能.

設(shè)計(jì)意圖：依據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)要求，合理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，通過小組合作學(xué)習(xí)，學(xué)生經(jīng)歷建立規(guī)律的過程，提高分析和歸納能力，體會轉(zhuǎn)化思想的應(yīng)用.

6.5 自主學(xué)習(xí)，了解機(jī)械能和其他形式能量的轉(zhuǎn)化

教師活動(dòng)6：提出任務(wù)要求，留給學(xué)生適當(dāng)時(shí)間.

問題11：機(jī)械能轉(zhuǎn)化在生活中有哪些應(yīng)用？與其他形式能量之間如何轉(zhuǎn)化？

問題12：你還能列舉出哪些機(jī)械能與其他形式能量轉(zhuǎn)化的實(shí)例？并說明其中的能量轉(zhuǎn)化.

學(xué)生活動(dòng)6：自主閱讀“水能和風(fēng)能的應(yīng)用”和“科學(xué)世界”兩部分，思考、交流.

設(shè)計(jì)意圖：教材中所涉及的部分與生活、科技密切相關(guān)，通過閱讀讓學(xué)生認(rèn)識到機(jī)械能的廣泛應(yīng)用，了解機(jī)械能和其他形式能量之間的轉(zhuǎn)化.

6.6 課堂練習(xí)，內(nèi)化新知

教師活動(dòng)7：利用多媒體出示練習(xí)題（1），學(xué)生完成后檢測結(jié)果.

圖4

（1）如圖4所示，使單擺偏離原來靜止位置到A1.當(dāng)擺球從A1向下擺動(dòng)時(shí)，它的速度越來越快，當(dāng)擺球到最低點(diǎn)O1時(shí)，它的動(dòng)能最______、勢能最________.此后，擺球又向B1的位置運(yùn)動(dòng)，隨著擺球的上升，它的動(dòng)能逐漸轉(zhuǎn)變成_______能；小球擺動(dòng)起來后，它在O1處的機(jī)械能比在O2處的機(jī)械能________（選填“大”、“小”）.

學(xué)生活動(dòng)7：獨(dú)立思考，完成練習(xí)，并將結(jié)果反饋給教師.

教師活動(dòng)8：再次演示“上滾瓶”，講解制作流程，引導(dǎo)學(xué)生利用動(dòng)能和勢能的轉(zhuǎn)化分析原理.

（2）讓學(xué)生運(yùn)用本節(jié)課所學(xué)的知識討論并分析“上滾瓶”的原理.

學(xué)生活動(dòng)8：小組合作討論，個(gè)別學(xué)生說明分析結(jié)果，其他學(xué)生補(bǔ)充.

設(shè)計(jì)意圖：針對本節(jié)課教學(xué)重難點(diǎn)和所學(xué)知識，有計(jì)劃、有目的地設(shè)計(jì)上述練習(xí)，目的是檢測動(dòng)能和勢能的相互轉(zhuǎn)化以及機(jī)械能守恒等知識的掌握情況，內(nèi)化新知.

6.7 課堂小結(jié)，升華提高

教師活動(dòng)9：引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)這節(jié)課運(yùn)用什么方法、學(xué)到哪些知識？除此之外還有何收獲？

學(xué)生活動(dòng)9：先自己思考，后小組討論，然后全班交流.

（1）機(jī)械能的概念.

（2）動(dòng)能和勢能的相互轉(zhuǎn)化.

（3）機(jī)械能和其他形式能量的轉(zhuǎn)化.

接著教師結(jié)合三維教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行點(diǎn)評與歸納總結(jié).

設(shè)計(jì)意圖：在教師引導(dǎo)下，學(xué)生從知識、方法、情感3個(gè)方面談本節(jié)課的收獲和體會，既是對本節(jié)內(nèi)容的總結(jié)升華，又緊扣教學(xué)目標(biāo)，保持課程標(biāo)準(zhǔn)與課堂教學(xué)的一致性.

6.8 布置作業(yè)，復(fù)習(xí)鞏固

（1）分析一下小時(shí)候玩的游戲——“旋轉(zhuǎn)鈕扣”的原理.

（2）近年來不斷出現(xiàn)行人被高空墜物砸傷的事件，大到鐵板，小到螺絲釘，運(yùn)用所學(xué)知識分析一下螺絲釘成為“兇器”的原因.

（3）開動(dòng)腦筋，運(yùn)用身邊的物品，設(shè)計(jì)并制作一個(gè)動(dòng)能和勢能相互轉(zhuǎn)化的小實(shí)驗(yàn)裝置.

設(shè)計(jì)意圖：作業(yè)內(nèi)容力爭做到既能深化對知識的理解，又能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，突出以興趣引導(dǎo)學(xué)習(xí)的理念.學(xué)生通過獨(dú)立完成作業(yè)，能夠達(dá)到對機(jī)械能轉(zhuǎn)化的復(fù)習(xí)鞏固.

基于課程標(biāo)準(zhǔn)的“機(jī)械能及其轉(zhuǎn)化”的教學(xué)設(shè)計(jì)在解讀課程標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)機(jī)械能轉(zhuǎn)化的特點(diǎn)，以“目標(biāo)——評價(jià)——教學(xué)”的模式為指導(dǎo)，設(shè)計(jì)出了本節(jié)課的5條教學(xué)目標(biāo)；圍繞教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)了由12個(gè)問題、3個(gè)作業(yè)題組成的評價(jià)活動(dòng)；利用問題引導(dǎo)和任務(wù)驅(qū)動(dòng)等教學(xué)法設(shè)計(jì)了9項(xiàng)教師活動(dòng)與學(xué)生的活動(dòng).利用自制的教具“上滾瓶”與“彈簧滾擺”設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，有效地突破了教學(xué)難點(diǎn).

1 中華人民共和國教育部.義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)［M］.北京：北京師范大學(xué)出版社，2012.

2 彭前程.義務(wù)教育教科書物理八年級下冊［M］.北京：人民教育出版社，2012.

3 李新鄉(xiāng)，張軍朋.物理教學(xué)論［M］.北京：科學(xué)出版社，2009.