以“動能”為例談物理概念的探究式教學(xué)お

吳光超

“概念”是人們對事物進(jìn)行認(rèn)識的過程中，將某些認(rèn)識客體的共有特征抽象出來，并進(jìn)行加工形成的.學(xué)生在學(xué)習(xí)高中物理時，會涉及大量概念的認(rèn)識，他們的概念學(xué)習(xí)包括由感性到理性、由抽象到具體、由理解到應(yīng)用的過程.而在這一系列學(xué)習(xí)活動中，教師要引領(lǐng)學(xué)生認(rèn)識概念的產(chǎn)生背景和形成過程，以科學(xué)探究的方式引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)概念，同時培養(yǎng)學(xué)生的探究能力和科學(xué)思維.下面，筆者以“動能”的概念教學(xué)為例，談?wù)勅绾芜M(jìn)行概念的探究式教學(xué).

1教材與學(xué)情分析

動能是動力學(xué)問題中最為核心的一類能量，是學(xué)生學(xué)習(xí)動能定理以及能量守恒的基礎(chǔ)性內(nèi)容.動能在初中物理中已經(jīng)有所呈現(xiàn)，即動能與物體的質(zhì)量和速度有關(guān)，當(dāng)然這一認(rèn)識尚處于定性了解的層面.高中階段的動能學(xué)習(xí)，不僅需要學(xué)生知道動能的概念以及定量表達(dá)式，還需要學(xué)生結(jié)合功、運動學(xué)以及牛頓定律對概念的內(nèi)涵進(jìn)行深度挖掘.

從學(xué)生基礎(chǔ)來講，他們在前階段的學(xué)習(xí)中，已經(jīng)認(rèn)識了力、功、牛頓運動定律等概念，為動能學(xué)習(xí)奠定了一定的基礎(chǔ)；同時經(jīng)過一個學(xué)期多的高中物理學(xué)習(xí)，他們在教師的引導(dǎo)下能夠?qū)ξ锢韱栴}展開積極的探究，當(dāng)然由于個體差異的存在，探究學(xué)習(xí)的結(jié)果差別較大；不過，學(xué)生有著較好的團(tuán)隊協(xié)助意識，在小組合作探究中，他們彼此的交流和幫助能彌補上述差異；學(xué)生普遍對物理學(xué)習(xí)充滿興趣，并樂于參與探究活動，只是他們在課后鞏固環(huán)節(jié)自覺意識較差，尚需教師督促.

結(jié)合教材內(nèi)容和學(xué)生情況的具體分析，筆者以探究式教學(xué)的方法來進(jìn)行動能的教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生在實驗探究和理論探究兩個層面來逐步得出動能的表達(dá)式，同時積極關(guān)注學(xué)生在探究中的主體性和自覺性，并積極結(jié)合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，對學(xué)生的邏輯思維能力、問題分析能力以及探索發(fā)現(xiàn)能力進(jìn)行培養(yǎng)，引導(dǎo)學(xué)生對物理方法進(jìn)行領(lǐng)悟和總結(jié).

2具體教學(xué)流程

2.1創(chuàng)設(shè)情境、激發(fā)興趣

新課導(dǎo)入階段，筆者為學(xué)生播放衛(wèi)星相撞的視頻資料：2009年二月，隸屬于美國銥星公司的一顆衛(wèi)星“銥33”與俄羅斯的一顆已經(jīng)報廢的通信衛(wèi)星“宇宙2251”發(fā)生相撞.筆者同時也提供了兩顆衛(wèi)星的參數(shù)：“銥33”的質(zhì)量約為560 kg，“宇宙2251”質(zhì)量約為900 kg，相撞時它們的速度都在1500 m/s左右，相撞之后它們形成了成千上萬的衛(wèi)星殘片，撞擊過程威力之大，等同于一噸重TNT炸藥發(fā)生爆炸.結(jié)合上述情境的創(chuàng)設(shè)，筆者向?qū)W生提出問題：“這次撞擊過程為什么會有如此之大的威力？”在視頻播放的過程中，學(xué)生的興趣就已經(jīng)被充分激起，筆者所提供的問題事實上也是很多學(xué)生頭腦中的疑問，當(dāng)問題直接呈現(xiàn)出來時，他們的思維被充分激活，在分析問題的同時，相關(guān)機(jī)能已經(jīng)做好進(jìn)行探究的準(zhǔn)備.

2.2搭建支架、引導(dǎo)探究

筆者開始為學(xué)生介紹本節(jié)內(nèi)容所涉及的背景知識：物體做功的本領(lǐng)大小與它所具有的能量有關(guān)，并將在整節(jié)課中始終貫穿這一觀點.這是筆者為學(xué)生建立動能概念所搭建的支架，為學(xué)生積極進(jìn)行探究活動做一些鋪墊性的工作.

考慮到學(xué)生在初中已經(jīng)對動能有所認(rèn)識，筆者就讓學(xué)生從自己的認(rèn)識出發(fā)，以函數(shù)的形式將動能的表達(dá)式寫出來：Ek=f（m，v），并啟發(fā)學(xué)生進(jìn)一步在猜想中完善表達(dá)式，學(xué)生經(jīng)過思考和討論后，得出以下可能的動能計算式：Ek=kmv、Ek=kmv2、Ek=kmv3、……（k為常數(shù).）筆者將一系列表達(dá)式羅列在黑板上，鼓勵學(xué)生利用DIS實驗（裝置如圖1）來對相關(guān)猜想進(jìn)行驗證，從而形成概念.

[TP8GW52.TIF，BP#]

從學(xué)生的基礎(chǔ)來講，這里的DIS實驗存在這樣的認(rèn)知難點：“為什么確認(rèn)摩擦塊的滑動距離對應(yīng)小車的動能？”為了幫助學(xué)生解決這一難題，筆者通過一個實驗為學(xué)生搭建了支架，以“物塊從桌子一端滑到另外一端”為情境，提出問題：①物塊的運動屬于何種類型；②請分析其減速的原因；③從能量角度對物塊運動過程進(jìn)行描述.通過對這三個問題的分析，學(xué)生能明確，物塊的減速過程正是其克服阻力做功，動能消耗殆盡的過程，考慮到克服摩擦力做功有：W=fs，其中摩擦力為一恒定值，物塊在桌面的滑行距離則間接對應(yīng)物塊原本所具有的動能，結(jié)合這一支架，學(xué)生能接受滑行距離與動能之間的對應(yīng)關(guān)系.到此為止，DIS實驗“探究物體動能與哪些因素有關(guān)”的準(zhǔn)備工作基本結(jié)束.

筆者讓學(xué)生以小組為單位進(jìn)行實驗探究，并要求學(xué)生在實驗中積極協(xié)助、充分討論，最后讓小組推舉代表參與班級范圍的交流和研討.筆者巡查學(xué)生的實驗過程，并引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行交流，最后在匯總中發(fā)現(xiàn)各小組的實驗探究得出相同的結(jié)論——“動能與物體質(zhì)量成正比，與其速度的二次方成正比”.

2.3理論探究、整合認(rèn)知

為了促進(jìn)學(xué)生新舊認(rèn)知的整合，同時也為了讓學(xué)生得到更加精確的動能表達(dá)式，筆者繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行理論探究.相關(guān)活動圍繞以下情境展開：子彈的發(fā)射過程主要源于火藥爆炸所提供的推力，現(xiàn)在已知子彈的質(zhì)量為m，其在槍管中受到恒定的推力作用，最終獲得速度v，請運用所學(xué)表示出該子彈離開槍口的動能.

學(xué)生聯(lián)系到之前“物塊克服摩擦力做功導(dǎo)致其動能全部消耗”的情境，再對比現(xiàn)有情境，他們思維的遷移機(jī)制發(fā)生作用：子彈動能增加的原因就是因為推力的做功，具體一點，即推力做多少功，動能就增加多少.因此有

[JZ]W=Fs=ma·[SX（]v2[]2a[SX）]=[SX（]1[]2[SX）]mv2，

即[JZ]Ek=[SX（]1[]2[SX）]mv2.

2.4應(yīng)用概念、鞏固所學(xué)

經(jīng)過前面三個環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)，動能的概念以及表達(dá)式已經(jīng)被學(xué)生所接受，但是相關(guān)內(nèi)容還屬于陳述性知識，教師要促進(jìn)學(xué)生將新舊知識進(jìn)行融合，還需要組織學(xué)生在概念應(yīng)用中進(jìn)一步強化所學(xué).筆者將課堂導(dǎo)入階段的情境重新拿過來，讓學(xué)生回答這樣幾個問題：

（1）結(jié)合數(shù)據(jù)，計算“銥33”和“宇宙2251”的動能分別為多少？

（2）如果撞擊之后，恰好有兩塊殘片質(zhì)量相等，其速度大小之比為2∶1，它們的動能之比為多少？

（3）上述問題沒有明確速度的方向，是否影響動能的計算？

通過三個問題的解決，學(xué)生成功將新學(xué)概念遷移到其他情境中，并實現(xiàn)了問題的解決，基本達(dá)到舉一反三的目的，實現(xiàn)概念的掌握.

3設(shè)計思路總結(jié)

常規(guī)的物理概念教學(xué)一般分為三個步驟：概念引入、概念形成以及概念運用.本節(jié)內(nèi)容也是按照上述三個流程來引導(dǎo)學(xué)生在探究中完成概念的構(gòu)建.具體的教學(xué)工作中，筆者做了這樣幾項工作：

（1）教師分別從教材和學(xué)生兩個維度來分析教學(xué)任務(wù)，進(jìn)而明確教學(xué)的三維目標(biāo)，做到有的放矢；

（2）為了有效實現(xiàn)概念的引入，教師要為學(xué)生提供恰當(dāng)?shù)母行运夭模瑸樗麄兊恼J(rèn)知創(chuàng)造真實的情境，同時激起學(xué)生探究的興趣；

（3）概念形成階段是整個教學(xué)過程的核心，教師可以引導(dǎo)學(xué)生從實驗探究和理論探究兩個角度來實現(xiàn)概念的形成，同時認(rèn)識概念的內(nèi)涵和外延，這一階段，教師務(wù)必要結(jié)合學(xué)生的實際情況，為學(xué)生的探究提供思考和認(rèn)知的支架，指導(dǎo)學(xué)生如何提出問題、如何進(jìn)行猜想、如何搜集證據(jù)、如何合作交流等等，這些對他們探究能力的培養(yǎng)至關(guān)重要；

（4）在學(xué)生逐步認(rèn)識概念之后，教師要啟發(fā)學(xué)生搭建新舊知識間的聯(lián)系，同時也可以結(jié)合某些實例，激起學(xué)生的認(rèn)知沖突，從而讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)已有認(rèn)知中前概念的錯誤，進(jìn)而實現(xiàn)認(rèn)知體系的重構(gòu)；

（5）教師創(chuàng)設(shè)情境，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用概念來解決問題，從而促進(jìn)學(xué)生深化對概念的認(rèn)識，提升知識的遷移能力.

高中物理概念繁多，并不是所有概念都適合采用探究式教學(xué)，例如元電荷、黑體、質(zhì)點等描述性概念，其教學(xué)還是以講授法來實施為宜；對加速度、向心力、電場強度等概念，則需要教師結(jié)合情境引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探究，這樣的效果更好.此外，教師需明確，探究式概念教學(xué)不僅僅是組織學(xué)生學(xué)習(xí)概念，更是要通過學(xué)生對概念形成過程的體驗，來對他們的探究能力進(jìn)行歷練，對其思維能力和合作能力進(jìn)行培養(yǎng)，它是整個高中物理探究學(xué)習(xí)密不可分的重要組成.