核心素養(yǎng)視域下的“勢能及其改變”教學(xué)設(shè)計

劉玉樹　許芙蓉

摘 要：“勢能及其改變”是高中物理能量部分的重要內(nèi)容.核心素養(yǎng)是新一輪課改的焦點，是教育教學(xué)發(fā)展的根本宗旨.以“勢能及其改變”為例，闡述了在物理課堂中如何提升學(xué)科核心素養(yǎng).

關(guān)鍵詞：勢能;核心素養(yǎng);教學(xué)設(shè)計

中圖分類號：G633.7 文獻標(biāo)識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）07-0052-04

作者簡介：劉玉樹（1969-），男，福建莆田人，本科，中學(xué)高級教師，研究方向：中學(xué)物理教學(xué);

許芙蓉（1995-），女，福建莆田人，碩士，中學(xué)二級教師，研究方向：中學(xué)物理教學(xué).

1 教學(xué)目標(biāo)設(shè)計

本節(jié)為魯科版（2019年版）高中物理必修第二冊第一章第4節(jié)的內(nèi)容.能量是物理學(xué)中重要的概念之一，而對能量概念的精準(zhǔn)把握和體系構(gòu)建卻是物理教學(xué)中最困難和抽象的.“勢能”是能量的一個下位概念，是繼“動能”之后學(xué)生接觸的另一能量形式，深刻理解并掌握本節(jié)內(nèi)容，將為后續(xù)的機械能、電勢能等的學(xué)習(xí)奠定堅實基礎(chǔ).

課程標(biāo)準(zhǔn)要求學(xué)生“理解重力勢能”，并“知道重力勢能的變化與重力做功的關(guān)系.定性了解彈性勢能[1]”.學(xué)生在初中階段已接觸并學(xué)習(xí)了重力勢能和彈性勢能的定義，對功的理解和計算也有了相應(yīng)的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，日常生活中勢能的相關(guān)經(jīng)驗也較為豐富，但是高一學(xué)生的抽象思維能力、類比遷移能力仍較為薄弱，對于“重力勢能”的定量表達式及其與“重力做功”的關(guān)系很難把握清楚.根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)的要求和物理學(xué)科核心素養(yǎng)的總體目標(biāo)，結(jié)合“勢能及其改變”的內(nèi)容特點及學(xué)情，本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)設(shè)計如下.

1.1 物理觀念

通過理論推導(dǎo)和實驗驗證，初步建立“重力勢能”概念，進而建立其上位概念——勢能，形成能量觀念.經(jīng)歷例題計算結(jié)合所學(xué)，解決實際問題;通過演示實驗，觀看相關(guān)視頻，體驗“勢能”的力量，進而學(xué)會用其描述并解釋生活中相關(guān)物理現(xiàn)象.

1.2 科學(xué)思維

通過對本章“功和機械能”知識脈絡(luò)的展示，領(lǐng)悟并學(xué)會歸納，提升科學(xué)推理能力;先后經(jīng)歷了在驗證和思考為何重力做功相等的過程，學(xué)會尋找和使用證據(jù)來表達自己的觀點;對不同知識的呈現(xiàn)方式提出質(zhì)疑，學(xué)會從不同角度思考物理問題;在探究重力做功的特點時，通過問題引導(dǎo)，感受從理論和實驗兩種不同方式解決物理問題的方法.

1.3 科學(xué)探究

在分析了兩條山路的區(qū)別和共性后，能依此提出問題，根據(jù)所探究的問題在教師引導(dǎo)下設(shè)計實驗方案;根據(jù)實驗結(jié)果和數(shù)據(jù)進行科學(xué)分析并處理，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)特點，并具備形成合理結(jié)論的素養(yǎng);能對科學(xué)探究過程和結(jié)果進行交流、評估、反思.

1.4 科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

了解勢能在生活中的應(yīng)用，認識到物理來源于生活又服務(wù)于生活的科學(xué)本質(zhì);通過重力勢能概念的形成過程認識到物理學(xué)是人類對自然現(xiàn)象的描述和解釋，感受物理概念建立的必要性和簡潔性;通過實驗探究過程，認識到物理概念是建立在實驗研究基礎(chǔ)上，養(yǎng)成尊重事實、嚴謹認真的科學(xué)態(tài)度;同時，培養(yǎng)了學(xué)習(xí)和研究物理的興趣和熱情，養(yǎng)成樂于與他人合作共享成果的態(tài)度和習(xí)慣.通過對“勢能”概念的應(yīng)用和實例分析，感悟物理在生活中的應(yīng)用價值;通過對生活現(xiàn)象的解釋加強安全意識，養(yǎng)成不高空墜物、遵紀守法的良好習(xí)慣，促進STEM教育發(fā)展，進而成為一位合法公民.

2 教學(xué)設(shè)計思路

根據(jù)擬定的教學(xué)目標(biāo)，本節(jié)課的教學(xué)設(shè)計以“科學(xué)探究”為主線，在科學(xué)探究中完成“勢能”概念教學(xué)，兼顧落實物理學(xué)科核心素養(yǎng)，整體設(shè)計思路如圖1所示.

3 教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計

3.1 復(fù)習(xí)舊知，新課引入

問題：（1）勢能分為哪些？（2）什么是重力勢能、彈性勢能？（3）重力勢能大小與什么因素有關(guān)？

向?qū)W生展示本章大致的知識脈絡(luò)（如圖2）.引導(dǎo)學(xué)生回憶以上問題，以此引入本節(jié)課所學(xué)——“勢能的改變”.

設(shè)計意圖：通過問題復(fù)習(xí)引入讓學(xué)生溫故而知新，知曉初中僅是對勢能的定性了解，高中須進行較為深入的定量分析，了解初高中知識的關(guān)聯(lián)和遞進關(guān)系，帶著本節(jié)課的任務(wù)走入課堂，做到心中有數(shù)，使學(xué)生更快地進入學(xué)習(xí)狀態(tài)，促進物理觀念的建立和提升.通過展示知識脈絡(luò)圖，一則讓學(xué)生對本章內(nèi)容有更為宏觀的認知，二則借助知識與知識之間的聯(lián)結(jié)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)推理的素養(yǎng)，其中對“功”和“動能”相關(guān)內(nèi)容的回顧也為本節(jié)課的教學(xué)做了相應(yīng)鋪墊.

3.2 科學(xué)探究，發(fā)現(xiàn)特點

問題1：如圖3和圖4，汽車上山時，通常選擇蜿蜒曲折的大路，相較于直抵山頂?shù)穆罚哂泻螀^(qū)別和共性？

問題2：導(dǎo)致這一共性的原因是什么？

學(xué)生思考討論發(fā)現(xiàn)，無論是省距離費力直抵山頂?shù)穆罚€是省力費距離蜿蜒曲折的山路，二者做功均相等，都不省功.教師引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會將真實問題情境轉(zhuǎn)變?yōu)槲锢砟Ｐ停鐖D5所示，分別求出汽車在兩種情形下的重力做功大小.直線AO表示直抵山頂?shù)纳铰罚O(shè)沿該途徑重力做功為WA;折線BCDO表示蜿蜒曲折的山路，同樣設(shè)其重力做功為WB.學(xué)生親自動筆計算，投影展示并比對計算結(jié)果，如圖6所示，從而初步得到驗證——汽車沿兩條山路行駛確是重力做功相等.

對第2個問題，由于前面的推導(dǎo)，學(xué)生明白導(dǎo)致兩次做功一樣是因為高度相同.最后學(xué)生在教師的啟發(fā)下得出結(jié)論：兩次重力做功之所以相等是因為高度差一樣，重力做功與路徑無關(guān)，只與高度差有關(guān).

問題3：從理論角度已初步驗證了重力做功只與高度有關(guān)，能否通過實驗更深一步驗證？又該如何設(shè)計實驗和表格？

教師引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計實驗：當(dāng)兩次實驗物體的高度差一樣時，路徑不同的重力做功情況，當(dāng)改變高度差時，重力做功是否發(fā)生變化.實驗如圖7所示.將兩個大小質(zhì)量都相同的帶有遮光條的小球A、B系于長度不同但都懸掛于O點的細繩上，選定兩個平面a、b，其距地面的高度分別為h1、h2，并在a平面安裝有2個光電門1，在b平面裝有2個光電門2，即可借助光電門獲得A、B小球在a、b平面時的動能，完成表1，根據(jù)動能定理，可以求出兩球在不同路徑、相同高度差時的重力做功大小，間接驗證了重力做功只與高度差有關(guān)的結(jié)論.

設(shè)計意圖：以身邊熟悉的情境“山路十八彎”作為切入點，創(chuàng)設(shè)物理情境，填表分析，發(fā)現(xiàn)問題，建立模型，從理論上初步驗證;進而設(shè)計實驗和表格，進行實驗探究，分析實驗結(jié)果，總結(jié)實驗結(jié)論，理論演算與實驗研究相結(jié)合，體驗科學(xué)探究的過程，感悟嚴謹?shù)目茖W(xué)態(tài)度，發(fā)展合作和創(chuàng)新意識.分析綜合并得出結(jié)論增強學(xué)生理論與實際相結(jié)合的意識，滲透以物理學(xué)視角描述并解釋生活情境的科學(xué)論證和科學(xué)推理的素養(yǎng).在培養(yǎng)建模能力的同時，提高其從情境中發(fā)現(xiàn)和提出問題的本領(lǐng).相較于常規(guī)的理論推導(dǎo)單調(diào)性，本環(huán)節(jié)以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)，在這一系列的教學(xué)啟發(fā)和誘導(dǎo)下，合作學(xué)習(xí)和探究學(xué)習(xí)相結(jié)合，基于最近發(fā)展區(qū)理論，學(xué)生更為深入地理解了重力做功的特點，為重力勢能概念的建立奠定了重要且堅實的基礎(chǔ).

3.3 找出關(guān)聯(lián)，建立概念

問題1：如果汽車上山之后又返回至出發(fā)點，該過程重力做功等于多少？

問題2：合外力做功對應(yīng)動能的改變，重力做功又對應(yīng)什么能量的改變？

問題3：重力做功與該能量是什么關(guān)系？

前面的理論推導(dǎo)和實驗探究得出重力做功僅與始末高度差有關(guān)，汽車上山后返回出發(fā)點的高度差為零，因此該過程重力不做功，這反映重力做功具有保守性，如果一個力所做的功僅由受力質(zhì)點的始末位置決定，而與受力質(zhì)點所經(jīng)歷的路徑無關(guān)，這種力叫作保守力[2].

已知重力做功的表達式可寫為WG=mgh1-mgh2.根據(jù)動能定理，類比遷移可知，重力做功一定也伴隨著某個能量的改變，觀察發(fā)現(xiàn)，這個能量的表達式為mgh，故其應(yīng)代表一種能量，該能量與重力和位置密切相關(guān)，物理學(xué)中將mgh稱為重力勢能，其表達式書寫為Ep=mgh，單位是焦耳，屬于標(biāo)量，同時也是狀態(tài)量.

要解決問題3，需回到剛才重力做功的表達式，所以WG=Ep1-Ep2，又因為變化量為末態(tài)減初態(tài)，ΔEp=Ep2-Ep1，所以有WG=Ep1-Ep2=-ΔEp，引導(dǎo)學(xué)生思考如何理解該關(guān)系，意為重力做正功，重力勢能減少，重力做負功，重力勢能增加.

設(shè)計意圖：依據(jù)重力做功的特點，計算當(dāng)始末位置相同時的重力做功，以此引入重力做功的保守力特點，進而為“勢能”概念的建立甚至后續(xù)的“彈性勢能”“電勢能”做鋪墊.根據(jù)建構(gòu)主義思想，將重力做功與合外力做功進行聯(lián)結(jié)構(gòu)建，提升學(xué)生的類比遷移的學(xué)習(xí)能力，培養(yǎng)了科學(xué)推理的素養(yǎng).整個過程“重力勢能”概念的獲得、觀念的生成水到渠成、一氣呵成，學(xué)生對此也有了更為深刻的理解，同時也形成了更為完備且結(jié)合緊密的知識框架.展示了物理學(xué)科的系統(tǒng)性和邏輯嚴謹性，發(fā)展了對科學(xué)的興趣和熱情.

3.4 結(jié)合實例，深入理解

問題1：重力勢能中的高度h是相對于誰的高度而言？

問題2：重力勢能有哪些特點？

問題3：回憶機械功的大小比較方法，重力勢能的大小如何比較？

多數(shù)學(xué)生會認為h是相對于地面的高度，教師肯定了大多數(shù)情況下地面為參考平面，但是繼續(xù)反問，只能是地面嗎？回憶上學(xué)期的“參考系”概念，它的選取只能是地面嗎？學(xué)生恍然大悟，此時引入零勢能參考平面的概念.對于同一個物體，相對于不同的零勢能參考平面，所對應(yīng)的高度不同，自然此時的重力勢能也不同.從而推出重力勢能具有相對性的特點.

為進一步探究重力勢能的特點，針對以下兩種情境，質(zhì)量為1kg的小球分別在不受空氣阻力（如圖8（a））和受空氣阻力的作用下（如圖8（b））從A位置運動到B位置，已知h1=2m，h2=1m，f=2N，g取10m/s2.學(xué)生完成表2和表3.

觀察表格數(shù)據(jù)，分小組討論得出結(jié)論：（1）物體在各處的重力勢能與零勢能面的選取有關(guān)，但在初末位置一定時，重力勢能的改變量與其無關(guān);（2）重力勢能的改變量等于重力做功的負值，與是否受其他力無關(guān);（3）重力勢能雖然是標(biāo)量但是有正負.

教師提問：功和重力勢能都是標(biāo)量且有正負，功的正負表示動力或阻力，比較大小看絕對值，重力勢能也如是嗎？實則否然.在完成表格時，學(xué)生已經(jīng)有了初步感知，物體位于零勢能面以上，重力勢能為正，位于以下，重力勢能為負.類比數(shù)軸或溫度計，正數(shù)一定大于負數(shù)，因此與功不同，重力勢能大小比較即為數(shù)學(xué)上的數(shù)字大小比較，數(shù)字大的重力勢能大.

教師補充：重力是由于地球的吸引而產(chǎn)生的，勢能也稱位能，與相互作用的物體的相對位置有關(guān).重力勢能是由地球和地面上物體的相對位置決定，因此重力勢能實則是物體與地球所構(gòu)成的系統(tǒng)共同擁有的，平時所說的“物體的重力勢能”是一種簡化的說法.

物體因為發(fā)生彈性形變而具有的能量稱為彈性勢能.而彈性勢能與形變的大小和勁度系數(shù)有關(guān).如對同一根彈簧，形變量越大，對外做功的本領(lǐng)越大，所具有的彈性勢能也越大，同樣的，對相同的形變量而言，勁度系數(shù)大的物體，在恢復(fù)原狀的過程中對外做功越多.教師提問，彈性勢能與彈力做功有什么關(guān)系.學(xué)生類比重力勢能與重力做功，容易得出，彈力做正功，彈性勢能減少，彈力做負功，彈性勢能增加.

設(shè)計意圖：通過問題和師生互動，暴露學(xué)生的前概念，認為高度一定是相對于地面而言，與零勢能參考平面的引入形成認知沖突，學(xué)習(xí)了參考系選取的任意性，對零勢能參考平面的理解并無障礙.通過對問題情境的相關(guān)物理量求解和計算，讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)，發(fā)現(xiàn)規(guī)律，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能動性和積極性，知識在頭腦中的留痕也更為深刻和清晰.培養(yǎng)了發(fā)現(xiàn)問題和歸納綜合的能力，進一步發(fā)展科學(xué)思維、科學(xué)探究和科學(xué)態(tài)度的核心素養(yǎng).在彈性勢能的學(xué)習(xí)中，深刻體會“類比法”在物理學(xué)習(xí)中的重要地位.

3.5 應(yīng)用概念，聯(lián)系實際

問題：勢能在日常實際生活中有哪些應(yīng)用，如何有效利用和防止？

教師提前布置學(xué)生，分小組收集勢能在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用資料并展示.

情境：地鐵車站的軌道為何往往建得高一些？如圖9所示.進站后一般需要減速，軌道有一定坡度從能量上講可以將動能轉(zhuǎn)化為重力勢能，減緩速度，可以減少由于剎車所造成的耗損;出站時重力勢能轉(zhuǎn)化成動能，無需額外加速，節(jié)約能源.

情境2：勢能在體育競賽中的應(yīng)用.如撐桿跳、跳水、蹦床、舉重、射擊、射箭等;勢能在生產(chǎn)生活實踐的應(yīng)用.如游樂場的滑滑梯、小孩玩的蹦蹦床，打樁機，水壩等.如圖10所示.

情境3： 勢能在生活實際中的防范.讓學(xué)生自由發(fā)言討論，提出相關(guān)防范舉措.如處于高處的物體具有重力勢能，因此要禁止高空拋物;如雪崩的極大殺傷力;物品不放在陽臺護欄處，以免不慎掉落砸傷來往的行人或車輛;安裝好防盜網(wǎng)，看管好小孩.如圖11所示.

設(shè)計意圖：該環(huán)節(jié)意在讓學(xué)生做個生活的有心人，無論在校內(nèi)或校外，學(xué)會用所學(xué)的知識解釋生活現(xiàn)象，進一步實現(xiàn)創(chuàng)造和創(chuàng)新.在解釋和提出解決措施中，既鞏固了本節(jié)課所學(xué)，還滲透了社會責(zé)任，提出并解決問題的核心素養(yǎng).

參考文獻：

[1]中國人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)[M].北京：人民教育出版社，2018.

[2]漆安慎，杜嬋英.普通物理學(xué)教程 力學(xué)（第三版）[M].北京：高等教育出版社，2012.

[3]許芙蓉，歐劍雄.核心素養(yǎng)視域下的“加速度”教學(xué)設(shè)計[J].物理教師，2020，41（10）：10-13.

（收稿日期：2020-12-14）