基于核心素養(yǎng)的重力勢能和動能的教學(xué)改進(jìn)

文∣朱忠來

一、提出問題

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》要求“理解動能，理解重力勢能，學(xué)會從機(jī)械能轉(zhuǎn)化和守恒的視角分析物理問題，形成初步的能量觀念”，如果教學(xué)只重視規(guī)律的運用，而輕視規(guī)律的來由，是偏離《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》和物理核心素養(yǎng)中科學(xué)本質(zhì)要求的。教學(xué)中，教師應(yīng)回歸教材，分析教材是如何導(dǎo)出重力勢能和動能表達(dá)式的。

二、分析原因

筆者選取人教版2010年4月第3版《普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書·物理(必修2)》、粵教版2010年7月第1版《普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書·物理(必修2)》，人教版2019年7月第1版《普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書·物理(必修第二冊)》和粵教版2019年8月第1版《普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書·物理(必修第二冊)》這四種不同版本教材。仔細(xì)分析比較重力勢能和動能表達(dá)式的推導(dǎo)部分。

對重力勢能表達(dá)式的推導(dǎo)，四種版本教材的思路基本相同。先通過生活事例確定重力勢能與質(zhì)量和位置有關(guān)，再計算出不同路徑下重力做功的相同特點WG=mgh1-mgh2，然后提出mgh是具有特殊意義的物理量，由于mgh既與重力做功有關(guān)，又恰與重力勢能特征(物體的質(zhì)量越大，所處位置越高，重力勢能就越大)相符，從而斷定物理量mgh稱為物體的重力勢能。

四種版本教材在提出重力勢能和動能表達(dá)式時不夠明了，沒有清晰說明“它們?yōu)楹斡刑厥庖饬x，有什么樣的特殊意義，又依據(jù)了什么樣的原理，能否嚴(yán)格推導(dǎo)出表達(dá)式”，教師在教學(xué)中可以通過情境創(chuàng)設(shè)、邏輯推理試圖嚴(yán)謹(jǐn)導(dǎo)出重力勢能和動能的表達(dá)式，揭示科學(xué)本質(zhì)。

三、教學(xué)實踐

重力勢能和動能部分的教學(xué)設(shè)計如圖1所示。此教學(xué)設(shè)計改變了原本的單一教學(xué)。

圖1 教學(xué)設(shè)計

(一)通過實驗演示，深刻理解功能關(guān)系

教師在教學(xué)時提出以下兩個情境.

情境1：如圖2所示，將左邊燒杯中一部分紅色液體通過量筒轉(zhuǎn)移到右邊燒杯，那么左邊燒杯減少的液體體積、右邊燒杯增加的液體體積和量筒量出的液體體積這三者有何關(guān)系呢？

情境2：物體做自由落體運動，物體的重力勢能轉(zhuǎn)化為動能，那么物體重力勢能減少量、動能增加量和重力做的功這三者有何關(guān)系？

對兩情境比較，讓學(xué)生理解，原來功就好比量筒，量筒可以度量液體的轉(zhuǎn)移量，功可以度量能量的轉(zhuǎn)化量。這樣相似遷移，直觀易懂，理解深刻，根植的“功是能量轉(zhuǎn)化的量度”這一功能關(guān)系就更加根深蒂固。

圖2

(二)構(gòu)建物理情境，計算重力做功情況

教師出示情境3。

情境3：如圖3所示，一質(zhì)量為m的小球自由下落，經(jīng)過圖中兩位置時速度分別為v1，v2，兩位置離地面高度分別為h1，h2，請用不同方法計算出重力做功。

圖3

教師引導(dǎo)學(xué)生提出解法一。由功的公式W=Fscosθ，得重力做功W=mgh1-mgh2。

(三)結(jié)合功能關(guān)系，識別重力勢能和動能表達(dá)式

教師向?qū)W生提問：在情境3中，結(jié)合功能關(guān)系分析重力做功與重力勢能、動能有什么關(guān)系？你能依據(jù)他們之間的關(guān)系從解法一和解法二的重力做功表示式中識別出重力勢能和動能表達(dá)式嗎？

四、結(jié)束語

由以上教學(xué)實踐可以看出，教學(xué)實踐中直接推導(dǎo)出了重力勢能、動能的表達(dá)式，過程科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，思路清晰自然，簡明通俗易懂，變學(xué)生生硬接受的內(nèi)容為課堂主動生成，避免了晦澀難懂，教學(xué)設(shè)計符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律。同時，改進(jìn)后的教學(xué)還有利于學(xué)生科學(xué)推理能力的培養(yǎng)，以及重力勢能、動能和功能關(guān)系等能量觀念的形成。此外，教師還可以創(chuàng)設(shè)如下情境，根據(jù)彈簧彈力做功使系統(tǒng)動能與彈性勢能發(fā)生轉(zhuǎn)化來推導(dǎo)出彈簧的彈性勢能表達(dá)式，以啟發(fā)學(xué)生物理思維。

作為教師，教學(xué)中要深入課堂深入學(xué)生了解學(xué)情，鉆研教材教法，設(shè)計教學(xué)內(nèi)容，采用合適的教學(xué)策略。善于發(fā)現(xiàn)問題，勇于思考，敢于質(zhì)疑，“以問題為課題”，做研究型教師。同時，課堂教學(xué)中重視發(fā)展學(xué)生物理核心素養(yǎng)，在一章一節(jié)中落實，為學(xué)生成長成才鋪路。