核心素養導向下的“機械能守恒定律”教學設計

(上海市莘莊中學,上海 201199)

《普通高中物理課程標準(2017年版)》強調培養學生的物理學科核心素養，教師應在核心素養的導向下進行教學設計，創設教學情境，組織教學活動。本文以滬科版高中物理教材中“機械能守恒定律”的教學為例，探討在課堂教學中培養學生物理學科核心素養的設計思路。

1 設計意圖

“機械能守恒定律”(第一課時)是學習各種形式能量轉化規律的起點，亦是力學的重要組成部分，是認識自然、掌握自然規律的重要“工具”，是建立正確能量觀的重要載體。在本節課的學習中，學生需經歷實驗探究與理論探究相結合的學習過程，通過功和能量變化關系的學習感受物質世界的不斷變化與緊密聯系，從而建立能量觀念，感悟“守恒量”在物理研究中的重要意義。

2 培養目標

物理核心素養是由物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任四方面組成。

物理觀念是關于物質觀念、運動與相互作用、能量等的基本認識，是物理概念和規律等在頭腦中的提煉與升華。本節主要涉及以下物理觀念：(1) 運動觀。機械能守恒定律的建立必須依托相應的運動模型，教學中利用擺的運動、自由落體運動、光滑斜面小車的運動等來探究機械能守恒定律。(2) 能量觀。本節課先從理論上分析自由落體運動中的機械能守恒，再針對三種不同類型的運動，通過實驗探究機械能守恒，從而幫助學生建立正確的能量觀。

科學思維主要包括分析、模型建構、質疑、推理、論證等要素。本節主要涉及以下要素：(1) 模型建構。引導學生建構自由落體運動模型，對機械能守恒定律開展理論分析。(2) 科學推理。運用科學推理，將機械能守恒從自由落體運動這一特殊的運動形式推廣到一般的運動形式。

科學探究是指提出物理問題、形成猜想和假設、制訂探究方案、獲取處理信息、基于證據得出結論、交流、反思等。本節課主要解決以下兩個問題：(1) 機械能守恒定律是什么？(2) 在什么情況下機械能守恒？在理論推導的基礎上，借助DIS實驗系統進行實驗探究與論證，從而解決本節課的教學重難點。

科學態度與責任是在認識科學本質，理解科學·技術·社會·環境(STSE)的關系基礎上逐漸形成的對科學和技術應有的正確態度以及責任感。教學中通過三組不同的運動過程的實驗探究，歸納總結出機械能守恒定律。希望學生通過嚴謹、細致、耐心的實驗，分析實驗數據，小組之間討論與交流，體會科學探究中的守恒思想，養成正確的科學態度。

3 教學實施

3.1 創設情境，發現問題，初具能量觀念

情境導入：課堂以綜藝節目——“加油向未來”的一段視頻來引入，小撒坐在擺球中被拉到距離地面8m高的空中，張騰躍則坐到和擺球完全對稱的位置上。在擺球完成擺動的過程中，兩人在8m的高空嘗試擊掌。

師:小撒坐在大擺球中能否與張騰躍在空中擊掌成功，本節課的學習將為我們揭開謎底。

師:請說說視頻中蘊含了有關功和能的哪些信息？在小撒的運動過程中，動能、重力勢能發生了怎樣的變化？

師:以下擺過程為例，高度越來越低，重力勢能越來越小，重力勢能到哪里去了？

生：下擺過程中小撒的高度越來越低，他的速度卻越來越大，因此，重力勢能轉化為動能。做功過程中，動能和勢能發生相互轉化。

師:不僅重力勢能和動能之間可以相互轉化，彈性勢能和動能之間也可以相互轉化。

通過對視頻中所涉及的動能、重力勢能進行分析，引入機械能的概念。

3.2 問題引領，設計方案，培養科學思維

師:我們首先分析了在自由落體運動中動能和重力勢能，機械能的變化又如何呢？

生：機械能是動能與勢能的總和，在自由落體運動中，我們需要選擇運動過程中的兩個位置1和2，分別求出這兩個位置的動能和重力勢能之后，進而推導出機械能是否守恒。

學生分小組進行理論探究，通過交流，總結得出結論：做自由落體運動的物體機械能守恒。

圖1

3.3 任務驅動，實驗探究，提升探究能力

師:除了豎直方向的自由落體運動，還有什么運動形式也可以用來研究機械能守恒的問題呢？如果讓你通過實驗探究的方式去進行研究，你會如何設計實驗方案？請根據已有的實驗器材在組內討論并完成實驗方案的設計。

學生以小組為單位進行實驗方案的設計并匯報。

甲組：我們組是在前面理論分析的基礎上，進一步通過實驗的方法去研究自由落體運動(如圖1)，實驗步驟如下：

(1) 將兩個光電門傳感器依次在固定鐵架臺上，并連接到數據采集器。

(2) 打開DIS通用軟件，點擊“開始”按鈕，讓物體從高處下落依次通過兩光電門，則物體通過兩只光電門時的擋光時間t1、t2會記錄在屏幕上。

(3) 利用光電門測得的數據進行計算，得出物體在h1處的速度v1、h2處的速度v2。通過數據計算，比較兩處的機械能大小。

乙組：結合課本“自主活動”欄目，我們組研究是斜面上小車的機械能守恒情況(如圖2)，實驗步驟如下：

圖2

(1) 將光電門傳感器固定在力學軌道上，并連接到數據采集器。

(2) 將軌道一端抬高，小車上安裝寬度為0.02m的擋光片，使小車及擋光片能夠順利通過并擋光。

(3) 打開DIS通用軟件，點擊“開始”按鈕，讓小車從軌道的高端下滑，使擋光片依次通過兩光電門，則擋光片通過兩只光電門的時間t1、t2會記錄在屏幕上。

(4) 利用光電門測得的數據進行計算，得出小車在h1處的速度v1、h2處的速度v2。通過數據計算，比較兩處的機械能大小。

丙組：研究擺錘在擺動過程中的機械能情況(如圖3)，實驗步驟如下：

圖3

(1) 架設好DIS機械能守恒實驗器，光電門傳感器接入數據采集器，將磁鐵夾固定在機械能守恒實驗器的A點。

(2) 點擊教材專用軟件主界面上的實驗條目“研究機械能守恒定律”，打開該軟件。

(3) 將擺錘直徑0.0070m以及質量0.0080kg輸入表格中。

(4) 點擊“開始記錄”按鈕，在A點釋放擺錘，擺錘通過光電門傳感器的速度就會顯示在表格中。

(5) 依次將光電門固定在B、C點，得到光電門在B、C位置的數據。

(6) 點擊“數據計算”，得到擺錘通過A、B、C各點的動能、勢能和機械能。

師:各組方案都比較成熟，下面的時間就交給同學們，根據制定的實驗方案，進行實驗，實驗結束后我們以小組為單位進行交流。

學生合作完成實驗，并進行交流展示。

甲組交流：我們對自由落體運動進行了研究，下落物體擋光的寬度為1.2cm，設物體質量為mkg，獲得的數據如表1。對實驗獲得的數據進行處理后發現：在實驗誤差允許的范圍內，物體在自由落體過程中兩點的機械能大小相等。

表1

乙組：我們對斜面上小車的運動展開研究，實驗中所用擋光片寬度為2cm,設小車質量為mkg,獲得的數據如表2。經過數據處理，得出結論：在實驗誤差允許的范圍內，運動的小車在斜面上兩點間的機械能相等。

表2

丙組：數據分析，基于擺錘擺動過程進行研究。根據實驗現象分析，擺錘從某處擺下總是可以到達對面等高的位置，實驗數據如表3，該組實驗數據分析可知：在擺錘擺動過程中機械能守恒。

表3

綜合以上三組實驗數據，我們可知在只有重力做功的情況下，物體的動能和重力勢能發生相互轉化，但機械能總量保持不變，這個規律叫做機械能守恒定律。

3.4 前后呼應，聯系實際

師:學過機械能守恒定律后，我們來揭開視頻的謎底，小撒和張騰躍能否在空中擊掌？為什么他們不能在空中擊掌成功？

生：如果不考慮一切阻力，機械能守恒，他們還有可能成功。因為有阻力的存在，機械能有損失，所以碰不到。

師:這位同學總結得很好。也就是說，不是任何情況下機械能都是守恒的，機械能守恒是有條件的。

師:本節課我們分別通過理論分析和實驗探究、論證、歸納的方法去研究了機械能守恒定律，理解了機械能守恒定律的內容和定律成立的條件。在學習過程中我們用到了很多方法，希望同學們在今后的學習中，除了關注所學的知識本身，也要多關注思維方法、實驗探究的方法，這些對我們的終身發展更有意義。

4 課后反思

(1) 在教學中用綜藝節目的視頻引入，激發了學生的興趣。視頻震撼，學生仿佛身臨其境，將學生的注意力迅速聚焦到本節課的研究課題上。在新課引入時，只播放了視頻的前半段，并提出問題：“小撒和張騰躍能否空中擊掌成功？”給本節課的學習留下一個懸念，激發學生探索的欲望。在學完機械能守恒定律之后，播放了視頻的后半段，讓學生用學到的知識對視頻結果進行解釋，理解機械能守恒定律的成立條件。將視頻與教學內容充分整合，將教學資源的作用發揮到最大。

(2) 建立自由落體運動模型，對機械能守恒進行理論推導，一方面是幫助學生初步建立能量守恒觀，另一方面也為后面的實驗探究提供理論支撐。同時，該過程也是學生科學思維、提升的過程，在推導過程中涉及動能、重力勢能以及功和能量變化的關系等相關知識點，對學生知識應用的能力提出了較高的要求。在課堂教學中，還需關注學困生，多加指導。

(3) 實驗中的三種典型的運動形式均來源于教材中，學生在設計實驗方案時普遍感到難度不大。在實驗研究的基礎上，各小組對實驗過程、觀察到的現象以及實驗數據進行了展示，最后全班同學將實驗結論進行歸納。使得機械能守恒定律的內容在學生們的相互協作中應運而生，實現了“做”中學。通過實驗探究，學生能清晰地理解實驗中出現機械能守恒“不和諧”的原因：有除了重力之外的力在做功。

在課堂教學中，教師要去指導全班學生進行三種分組實驗，顯然分身乏術。針對每種實驗，教師在課前準備了相應的工作單，學生可以根據工作單上的提示，完成相應的設計，展開實驗。但是在實際教學過程中依然出現了個別小組對課桌上的一堆實驗器材無從下手的情況，也有些小組在最后的數據處理上出現問題，所以提升學生的科學探究能力任重而道遠。