例析物理規(guī)律的建構(gòu):基于“動能定理”教學(xué)反思

潘文杰,范鐘潤,羅元輝

(1.黔南民族師范學(xué)院物理與電子科學(xué)學(xué)院,貴州都勻,558000;2.黔南布依族苗族自治州三都水族自治縣第二中學(xué),貴州黔南,558100;3.貴州省都勻二中,貴州都勻,558000)

一、引言

二、真實案例切入

筆者觀摩所在地區(qū)2022年高中物理優(yōu)質(zhì)課比賽發(fā)現(xiàn),有4位教師以人教版必修第三冊“帶電粒子在電場中的運動”為例,設(shè)計了如圖1所示的情境:真空中兩平行金屬板之間的距離為d,兩板加上恒定電壓為U,有一個質(zhì)量為m帶正電荷q的粒子,在靜電力作用下由靜止開始從正極板向負(fù)極板運動,求帶電粒子到達(dá)負(fù)極板時速度v的大小是多少?(g取10m/s2)

圖1 “帶電粒子在電場中的運動”教學(xué)情境

分析帶電粒子加速的問題,常常有以下兩種思路。

觀摩發(fā)現(xiàn),這四個班的學(xué)生選擇思路一解決問題的占半數(shù)以上。筆者結(jié)合自己的教學(xué)經(jīng)歷進(jìn)行反思,這可能與動能定理的新課教學(xué)有關(guān)。

三、動能定理教學(xué)的突出問題

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》對動能定理內(nèi)容的要求是:理解動能和動能定理,能用動能定理解釋生產(chǎn)生活中的現(xiàn)象。［2］課程標(biāo)準(zhǔn)提供的教學(xué)提示是根據(jù)牛頓第二定律推導(dǎo)出動能定理。根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn),教材編寫教學(xué)邏輯如圖2所示。

圖2 教材編寫教學(xué)邏輯

觀摩“動能和動能定理”的幾節(jié)新課教學(xué)發(fā)現(xiàn),用人教版教材的教師多是按上述內(nèi)容和邏輯教學(xué)的,這樣的教學(xué)設(shè)計容易出現(xiàn)兩個突出問題。

(一)簡化物理規(guī)律的建構(gòu)過程

物理規(guī)律是構(gòu)成物理學(xué)科體系的核心內(nèi)容,是人們以觀察和實驗所得到的事實為依據(jù),運用邏輯推理,剔除無關(guān)因素,忽略次要因素,確定本質(zhì)要素,并創(chuàng)造性地建構(gòu)能夠解釋和預(yù)測相關(guān)現(xiàn)象的種種關(guān)系模型,揭示物質(zhì)結(jié)構(gòu)和物質(zhì)運動所遵循的規(guī)律。［3］從方法論的視角看,物理規(guī)律是在觀察和實驗的基礎(chǔ)上,運用模型建構(gòu)的方法建立的關(guān)系模型,不僅體現(xiàn)在具體的物質(zhì)模型、狀態(tài)模型、過程模型的建構(gòu)上,而且體現(xiàn)在物理概念、物理規(guī)律的建構(gòu)上。雖然動能定理在經(jīng)典力學(xué)范圍內(nèi)沒有條件限制,但根據(jù)普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)“注重體現(xiàn)物理學(xué)科本質(zhì),培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)”的理念,如按照教材“僅僅通過物體在光滑的水平面上,受恒力作用這種特殊運動情境推導(dǎo)得出動能定理”,顯然這樣的邏輯推理不嚴(yán)密,不利于學(xué)生理解和體會物理學(xué)理論推導(dǎo)的科學(xué)方法。［4］教師簡化動能定理的建構(gòu)過程,告知學(xué)生多力做功、變力做功等,使學(xué)生很難達(dá)到理解動能定理的要求。學(xué)生大部分仍停留在“知其然”的層面,這可能是學(xué)生習(xí)慣用牛頓第二定律結(jié)合運動學(xué)公式解決動力學(xué)問題的主要原因。

(二)淺教深練,課時膨脹

由于動能定理適用范圍廣泛,解決問題時比用牛頓運動定律和勻變速直線運動規(guī)律結(jié)合的方式更簡潔方便,因此動能定理一直是高考考查的重點。縱觀歷年的物理高考試卷,動能定理內(nèi)容的考查形式靈活、難度層次多樣、綜合性強,需要學(xué)生真正深入理解動能定理、熟練運用規(guī)律。教師要通過大量的習(xí)題教學(xué)幫助學(xué)生理解動能定理,期望學(xué)生達(dá)到熟練運用的目的。因此,“動能和動能定理”教學(xué)一般會用3—5個課時。其中,新課教學(xué)1個課時,對應(yīng)的習(xí)題教學(xué)2—4個課時。但在很多新課教學(xué)中,關(guān)于動能定理的建構(gòu),教師一般只用25鐘左右,剩余時間是例題講解,以例題進(jìn)一步完善和鞏固學(xué)生對動能定理的理解。總的來看,動能定理的新課教學(xué)存在淺教深練、課時膨脹、缺乏深度的情況,沒有充分體現(xiàn)建構(gòu)主義教學(xué)思想。觀察發(fā)現(xiàn),演繹推理過程幾乎都是教師推導(dǎo)學(xué)生看,學(xué)生被動接受知識,沒有充分參與知識的構(gòu)建,沒有通過完整、深入的學(xué)習(xí)活動自主內(nèi)化物理規(guī)律。

四、剖析動能定理的育人價值

(一)深化功能關(guān)系,加深對運動與相互作用、能量觀念的理解

通過初中物理的學(xué)習(xí),學(xué)生能列舉能量轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的實例,知道做功的過程就是能量轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程,形成初步的能量觀念,并能運用能量轉(zhuǎn)化與守恒的觀點解釋常見的自然現(xiàn)象,解決日常生活中的有關(guān)問題。高中物理要進(jìn)一步通過實驗及理論推導(dǎo)等方法,讓學(xué)生理解各種功能關(guān)系,理解能量本質(zhì)、能量形式、能量轉(zhuǎn)化、能量守恒等,形成物理學(xué)科的能量觀念。［5］

動能定理通過探究物體動能的變化與力對物體做功的關(guān)系,分析力對物體做功使動能發(fā)生變化,得到物體所受合外力對物體所做的功等于物體動能的改變量。教師需要幫助學(xué)生理解能量的變化,可通過求力對物體所做功來確定,深化學(xué)生對功與能關(guān)系及對能量本質(zhì)的認(rèn)識——“能量是物質(zhì)的表現(xiàn)形式之一,表征物體做功的本領(lǐng)”［6］,從而幫助學(xué)生逐步理解運動與相互作用觀念、能量觀念,促進(jìn)學(xué)生物理觀念素養(yǎng)的形成。

納入標(biāo)準(zhǔn)：均符合妊娠期糖尿病的診斷標(biāo)準(zhǔn)；所有產(chǎn)婦均宮內(nèi)單胎；臨床資料均全面；均自愿參與研究并簽署知情同意書；可進(jìn)行有效溝通；該次研究的排除標(biāo)準(zhǔn)：存在精神疾病孕婦；妊娠伴有高血壓、心臟病、嚴(yán)重肝腎功能不全等疾病孕婦；溝通存在障礙孕婦；存在早產(chǎn)或先兆流產(chǎn)的孕婦；臨床資料不全面孕婦。

(二)物理思想和方法的運用,發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》在課程性質(zhì)中明確指出:物理學(xué)基于觀察與實驗,建構(gòu)物理模型,應(yīng)用數(shù)學(xué)等工具,通過科學(xué)推理和論證,形成系統(tǒng)的研究方法和理論體系。［2］動能定理對變力和曲線運動的適用性推導(dǎo),應(yīng)用了“微元”和“化曲為直”科學(xué)思想和方法。這兩種方法是重要的物理思想方法。教師應(yīng)創(chuàng)設(shè)相應(yīng)的問題情境,引導(dǎo)學(xué)生運用這些方法分析問題、解決問題,學(xué)習(xí)和體會物理學(xué)科的研究方法,培養(yǎng)良好的思維和科學(xué)思維素養(yǎng)。

(三)演繹推理建構(gòu)物理規(guī)律,拓展學(xué)生科學(xué)探究的意識和能力

科學(xué)探究主要包括問題、證據(jù)、解釋、交流等要素。從物理學(xué)方法論的角度看,科學(xué)探究不僅指通過實驗和觀察的探究,而且包括通過演繹推理的探究。演繹推理的探究同樣包括問題、證據(jù)、解釋、交流等要素。［2］實驗探究側(cè)重于通過實驗獲得證據(jù),是對學(xué)生實驗?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng);演繹推理的探究側(cè)重于通過理論推導(dǎo)獲得證據(jù),是對學(xué)生科學(xué)推理和科學(xué)論證能力的培養(yǎng)。學(xué)生根據(jù)初中時的學(xué)習(xí)基礎(chǔ),已知功能關(guān)系、牛頓第二定律和勻變速直線運動規(guī)律等,經(jīng)過理論推導(dǎo)得出恒力做功與物體動能的關(guān)系,然后進(jìn)一步探究變力做功和曲線運動的情況,最后歸納總結(jié)得出“物體所受合外力對物體所做的功等于物體動能的改變量”。這樣的演繹推理在高中物理教學(xué)中較常見。例如,萬有引力定律、機(jī)械能守恒定律和動量守恒定律等的建構(gòu)過程都應(yīng)用了演繹推理,其在有效增強學(xué)生科學(xué)探究的意識和能力,培養(yǎng)學(xué)生演繹推理和科學(xué)論證的思維品質(zhì)方面意義非凡。

五、動能定理建構(gòu)的教學(xué)策略

(一)創(chuàng)設(shè)豐富的問題情境,啟發(fā)學(xué)生思維

情境是人們進(jìn)行思維加工的原材料,問題是人們進(jìn)行學(xué)習(xí)的真正動因。教師在教學(xué)中創(chuàng)設(shè)豐富的問題情境,不斷揭示內(nèi)部規(guī)律,可讓學(xué)生產(chǎn)生認(rèn)知的期待。使學(xué)生思維處于主動思考的狀態(tài),是啟發(fā)性教學(xué)的主要特征。因此,教師可以設(shè)計“初始問題—深化問題”的情境問題鏈,以問題鏈推動動能定理本質(zhì)規(guī)律的建構(gòu),突顯演繹推理的科學(xué)方法,滲透科學(xué)思維的培養(yǎng)。［7］

初始問題:如圖3所示,物體受恒力F作用在光滑水平面上運動,求力F對物體所做的功。

圖3 初始問題情境

深化問題一:如果上述情境接觸面不光滑,情況又會怎樣?如圖4所示,物體受恒力F作用在粗糙的水平面上運動,物體與地面之間的摩擦力為f,求物體的速度從v1增加到v2的過程中,物體所受合外力對物體所做的功。

圖4 深化問題一情境

深化問題二:物體受到變力作用和做曲線運動是否遵循相同的規(guī)律呢?如圖5所示,物體受變力F作用在光滑的水平面上運動,求物體的速度從v1增加到v2的過程中變力F對物體所做的功。

圖5 深化問題二情境1

變力對物體所作的功不能直接用W=Fl計算,需利用微元法把整個過程分成許多小段,每一小段受到的力可看成恒力處理。通過“化變?yōu)楹恪?問題可以得到解決。經(jīng)過的距離分別為AB、BC、CD,……那么每一小段力對物體做的功同樣可以根據(jù)牛頓第二定律結(jié)合運動學(xué)公式求解。

將每一段的功加起來,整個過程變力F所做的功為:

如圖6所示,質(zhì)量為m的小球由靜止開始沿光滑的曲面滑下,經(jīng)過A點到B點速度由v1增加到v2,求該過程中合外力對小球所做的功。

圖6 深化問題二情境2

可見,不管是直線運動還是曲線運動,變力做功還是恒力做功,合外力對物體所做的功都等于物體動能變化,動能定理的適用范圍廣泛。上述演繹推理的過程,不僅讓學(xué)生建構(gòu)了動能定理的結(jié)論,而且建構(gòu)了動能定理的適用范圍。通過“延遲判斷”建構(gòu)起來的動能定理,讓學(xué)生知其然也知其所以然。

(二)引導(dǎo)學(xué)生自主獲取證據(jù),建構(gòu)規(guī)律

建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論認(rèn)為,學(xué)生學(xué)習(xí)不是簡單被動地接受信息,而是主動地建構(gòu)知識。知識只有真正通過學(xué)生大腦的自主構(gòu)建,才能印象深刻,理解透徹。［7］上述的三個問題情境,經(jīng)教師引導(dǎo)后,要讓學(xué)生親自推導(dǎo),經(jīng)歷科學(xué)探索過程,實現(xiàn)規(guī)律的真正建構(gòu)。

(三)學(xué)以致用,完善規(guī)律的建構(gòu)

掌握物理規(guī)律的目的在于運用它們分析問題和解決問題。相應(yīng)的習(xí)題教學(xué)不僅可以鞏固、深化對規(guī)律的理解,而且可以進(jìn)一步完善對規(guī)律的建構(gòu),使學(xué)生加深對物理規(guī)律內(nèi)涵和外延的認(rèn)識。在動能定理建構(gòu)起來后,教師可再設(shè)計以下兩類習(xí)題。

題型一: 如圖7所示,裝置由多段軌道組成,軌道交接處均由很小的圓弧平滑連接,使小滑塊自A點由靜止釋放。已知小滑塊與軌道間的動摩擦因素μ,分別求出小滑塊第一次到達(dá)C和到達(dá)D點的速度大小為多少。

圖7 題型一情境

有的學(xué)生仍用牛頓第二定律結(jié)合運動學(xué)公式解答,有的則直接用動能定理解答。對此,教師選取運用不同方法解答的學(xué)生代表呈現(xiàn)他們的解題過程,讓學(xué)生體會運用動能定理解決問題的優(yōu)越性,同時拓展動能定理的適用范圍:動能定理可分段研究,也可全程研究;力可以是分段作用,也可以是全程作用。

圖8 題型二情境

物體的運動過程比較復(fù)雜,在圓弧軌道上受到的摩擦力并非恒力,這給求摩擦力做功帶來了困難。因此,題型二反映出,運用牛頓第二定律結(jié)合運動學(xué)公式不能解決這一類問題,但運用動能定理可以。這樣,學(xué)生可更進(jìn)一步體會到動能定理的優(yōu)越性。

通過以上兩類型習(xí)題,學(xué)生能完善對動能定理的建構(gòu),結(jié)合不同的解法深刻體會到動能定理適用范圍之廣。運用牛頓運動定律解決問題需要涉及整個過程的力,在實際過程中,不僅會涉及多個力,而且這些力隨時間變化的規(guī)律也可能很復(fù)雜,使問題難以求解。［8］但是,動能定理只涉及過程始末兩個狀態(tài),不考慮中間過程,將問題化繁為簡。

六、結(jié)語

在物理規(guī)律教學(xué)中,教師要堅持“延遲判斷、深度學(xué)習(xí)”,就是要給學(xué)生足夠的思維時間和空間,讓學(xué)生經(jīng)歷知識的發(fā)展過程,體驗物理思想和科學(xué)家的研究歷程。［9］物理規(guī)律是觀察、實驗和思維相結(jié)合的產(chǎn)物,知識之間是有邏輯可循的。物理規(guī)律教學(xué)的探究是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的重要途徑,因此要注重推理邏輯的嚴(yán)密性。學(xué)生只有真正領(lǐng)悟知識內(nèi)涵,掌握學(xué)科本質(zhì),核心素養(yǎng)目標(biāo)才能真正實現(xiàn)。