鄭其豐

摘 要：本文以“動(dòng)能和動(dòng)能定理”的教學(xué)設(shè)計(jì)為例，就在課堂教學(xué)中如何系統(tǒng)利用教材內(nèi)容與學(xué)生的原有認(rèn)知，利用問題導(dǎo)引、情境設(shè)置等方式引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行積極有效的思考，促生思維型課堂，提高教學(xué)效率進(jìn)行了嘗試與探究。

關(guān)鍵詞：動(dòng)能；動(dòng)能定理；原有認(rèn)知；思維型課堂

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2015）12-0028-4

依據(jù)建構(gòu)主義理論，物理知識(shí)是學(xué)生個(gè)體經(jīng)驗(yàn)的合理化，學(xué)習(xí)是學(xué)生積極主動(dòng)建構(gòu)的過程，是不斷對(duì)原有的認(rèn)知進(jìn)行評(píng)價(jià)與不斷完善的過程，可見對(duì)于學(xué)習(xí)者來說，先前的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)是很重要的。縱觀新課程標(biāo)準(zhǔn)教材的內(nèi)容編排，在《機(jī)械能》這一章中充分考慮了學(xué)生認(rèn)知水平的發(fā)展，內(nèi)容由淺入深，難度由易到難，結(jié)構(gòu)由基礎(chǔ)概念到綜合應(yīng)用。因此，教師在新課教學(xué)中不能割裂教材內(nèi)容之間的聯(lián)系，要充分利用教材前面知識(shí)與學(xué)生的原有認(rèn)知，創(chuàng)設(shè)合理的物理情境、物理問題，讓學(xué)生積極參與到課堂中來，利用舊的知識(shí)尋找新知識(shí)的生長點(diǎn)，促進(jìn)學(xué)生思維水平的發(fā)展，讓學(xué)習(xí)過程建立在學(xué)生自主活動(dòng)及經(jīng)歷情感體驗(yàn)的基礎(chǔ)上，真發(fā)揮學(xué)生的主體作用，使教學(xué)更有效。下面結(jié)合“動(dòng)能 動(dòng)能定理”的具體課例談?wù)勅绾卧谖锢碚n堂教學(xué)設(shè)計(jì)中滲透這一理念。

1 設(shè)計(jì)思想

1.1 指導(dǎo)思想

本節(jié)課教學(xué)設(shè)計(jì)通過“提出問題—猜想假設(shè)—理論分析—實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證”，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行有效思考，充分挖掘?qū)W生已有的知識(shí)，尋找新的知識(shí)生長點(diǎn)，使學(xué)生在學(xué)習(xí)中體驗(yàn)科學(xué)探究過程，領(lǐng)會(huì)科學(xué)探究方法，在掌握知識(shí)與技能的過程中受到情感態(tài)度與價(jià)值觀的熏陶，努力體現(xiàn)新課程的三維目標(biāo)。

1.2 設(shè)計(jì)特色

在學(xué)法上突出以學(xué)生為主體的特點(diǎn)，尤其關(guān)注學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)的層次，充分利用學(xué)生原有的認(rèn)知，在課堂教學(xué)過程中引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行積極有效地思考，運(yùn)用評(píng)價(jià)手段不斷引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)，較好地將新課程理念結(jié)合于教學(xué)實(shí)際中。其次，在課堂中采用多媒體課件作為輔助手段，創(chuàng)設(shè)物理情景，啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生，幫助學(xué)生建立形象直觀的認(rèn)識(shí)，有利于調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

2 教材分析

本章前面幾節(jié)介紹了動(dòng)能與功的概念，明確了功與能量轉(zhuǎn)化的關(guān)系，并通過實(shí)驗(yàn)探究了功與速度變化的關(guān)系，因此本節(jié)內(nèi)容在《機(jī)械能》這一章中起到了承上啟下的作用。通過動(dòng)能定理的推導(dǎo)使學(xué)生既深化了對(duì)“功”概念的理解，又加深了對(duì)“功是能量轉(zhuǎn)化的量度”的認(rèn)識(shí)，通過動(dòng)能定理的學(xué)習(xí)更進(jìn)一步拓展了在具體問題中求功的思路，為機(jī)械能守恒定律的學(xué)習(xí)打下了基礎(chǔ)，為功能關(guān)系問題提供了思路，動(dòng)能定理的應(yīng)用甚至是貫穿了高中階段大部分的物理知識(shí)，因此本節(jié)內(nèi)容是本章的關(guān)鍵內(nèi)容也是重點(diǎn)內(nèi)容。

3 學(xué)情分析

本節(jié)課之前學(xué)生已有的知識(shí)結(jié)構(gòu)：1.學(xué)生有生活中的體驗(yàn)，如運(yùn)動(dòng)的汽車發(fā)生碰撞會(huì)損壞，高速運(yùn)動(dòng)的子彈能擊穿木塊等……認(rèn)識(shí)到運(yùn)動(dòng)的物體具有能量；2.必修一“牛頓運(yùn)動(dòng)定律”的學(xué)習(xí)后認(rèn)識(shí)到可以通過物理量與單位之間的關(guān)系來初步判斷某個(gè)表達(dá)式是否正確；3.第1節(jié)“追尋守恒量——能量”已經(jīng)給出動(dòng)能的概念，學(xué)生知道物體由于運(yùn)動(dòng)而具有的能量叫動(dòng)能；4.第2節(jié)“功”使學(xué)生認(rèn)識(shí)到能量及其轉(zhuǎn)化的認(rèn)識(shí)與功的概念緊密相連，功的計(jì)算常常能夠?yàn)槟芰康亩勘磉_(dá)與能量的轉(zhuǎn)化提供分析的基礎(chǔ)；5.第4節(jié)“重力勢(shì)能”的學(xué)習(xí)過程使學(xué)生不僅知道重力勢(shì)能的大小與什么因素有關(guān)，還能定量表述重力勢(shì)能的大小；6.第6節(jié)實(shí)驗(yàn)“探究功與速度變化的關(guān)系”探究得到合外力對(duì)物體做的功與物體速度的平方成正比。

本節(jié)課之前教材內(nèi)容的編排已為學(xué)生探究動(dòng)能和動(dòng)能定理的表達(dá)式做了許多的鋪墊，這些內(nèi)容是相互聯(lián)系相輔相成的，因此在“動(dòng)能 動(dòng)能定理”教學(xué)中有必要把這些內(nèi)容充分聯(lián)系起來，根據(jù)學(xué)生已有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，創(chuàng)設(shè)有序探究互動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行有效思維，促生思維型課堂，提高學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)構(gòu)建的有效性。

4 教學(xué)目標(biāo)

根據(jù)上述對(duì)教材和學(xué)習(xí)者情況的分析，確定本節(jié)課教學(xué)目標(biāo)如下：

4.1 知識(shí)與技能

①理解動(dòng)能的確切含義和表達(dá)式；②理解動(dòng)能定理及其推導(dǎo)過程、理解其物理意義；③鍛煉學(xué)生對(duì)物理過程分析、探究和理論推導(dǎo)的能力。

4.2 過程與方法

①設(shè)置問題推動(dòng)學(xué)生思考，讓學(xué)生探索解決問題的方法；②讓學(xué)生經(jīng)歷探究過程，嘗試探究的方法及途徑。

4.3 情感態(tài)度與價(jià)值觀

①通過動(dòng)能表達(dá)式的推導(dǎo)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究的興趣；②通過探究培養(yǎng)合作精神和積極參與的意識(shí)；③領(lǐng)略自然規(guī)律的奇妙和諧，培養(yǎng)好奇心與求知欲使學(xué)生樂于探索。

5 教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)

①理解動(dòng)能的物理意義及動(dòng)能的表達(dá)式；②理解動(dòng)能定理的物理意義。

6 教學(xué)過程

6.1 創(chuàng)設(shè)情景，喚起舊識(shí)

利用真實(shí)照片“高速運(yùn)動(dòng)的賽車”“子彈擊穿蘋果”創(chuàng)設(shè)情境，學(xué)生看圖回憶本章第1節(jié)給出的動(dòng)能的定義。

設(shè)計(jì)說明：利用教科書本章第1節(jié)動(dòng)能定義，引入過程科學(xué)、自然，達(dá)到開門見山，直奔主題的效果，能使學(xué)生較快進(jìn)入課堂學(xué)習(xí)狀態(tài)。

6.2 創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)，感知影響動(dòng)能大小的因素

創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)再現(xiàn)初中進(jìn)行過的探究過程如圖1所示：

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圖1 探究影響動(dòng)能大小因素實(shí)驗(yàn)示意圖

（1）質(zhì)量不同的小球從同一高度靜止釋放，重的球把木塊撞出的距離遠(yuǎn)，可見動(dòng)能與物體質(zhì)量有關(guān)，物體質(zhì)量大，動(dòng)能大；

（2）質(zhì)量相同的球從不同高度靜止釋放，高處釋放的球撞擊木塊時(shí)速度大，把木塊撞出的距離也遠(yuǎn)，可見動(dòng)能與物體的速度有關(guān)，速度大，動(dòng)能大。

設(shè)計(jì)說明：實(shí)驗(yàn)的可視性與真實(shí)性強(qiáng)，使學(xué)生對(duì)于影響動(dòng)能大小的因素印象深刻，為下一步探究動(dòng)能表達(dá)式奠定基礎(chǔ)。

6.3 類比引導(dǎo)，激發(fā)探尋新知的欲望

類比之前重力勢(shì)能的學(xué)習(xí)，不僅知道重力勢(shì)能的大小與什么有關(guān)，還能具體定量計(jì)算重力勢(shì)能的大小，引導(dǎo)學(xué)生繼續(xù)探究動(dòng)能的定量表達(dá)式。

設(shè)計(jì)說明：通過類比引導(dǎo)，即能為學(xué)生發(fā)現(xiàn)新的問題提供思路，也能激發(fā)學(xué)生探究動(dòng)能表達(dá)式的欲望，起到承上啟下的作用。

6.4 探究互動(dòng)，尋找動(dòng)能表達(dá)式

（1）猜想假設(shè)

根據(jù)現(xiàn)有認(rèn)知結(jié)構(gòu)，知道物體的質(zhì)量越大、速度越大，動(dòng)能就越大，可以猜測(cè)動(dòng)能表達(dá)式中肯定有物體質(zhì)量m與物體速度v的存在。依據(jù)這個(gè)思路，學(xué)生猜測(cè)動(dòng)能表達(dá)式可能為EK=kmv2、 EK=kmv？、EK=km2v……或許還有更復(fù)雜的表達(dá)式。

設(shè)計(jì)說明：充分展現(xiàn)學(xué)生的思維活動(dòng)，不同的猜測(cè)體現(xiàn)了學(xué)生不同的思維水平，反應(yīng)學(xué)生面對(duì)物理問題時(shí)的思維品質(zhì)，同時(shí)也揭露不同學(xué)生所處的不同認(rèn)知結(jié)構(gòu)。

（2）理論分析

力學(xué)單位制的學(xué)習(xí)給我們一個(gè)啟示：根據(jù)物理量單位之間的關(guān)系，可以粗略判斷某個(gè)表達(dá)式是否正確。基于這個(gè)思路引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行有效的思維，利用已有知識(shí)尋找動(dòng)能的單位，并在提出的猜想假設(shè)中尋找到動(dòng)能的表達(dá)式可能為EK=kmv2，其中k為比例系數(shù)。

設(shè)計(jì)說明：學(xué)習(xí)物理的最終目的是規(guī)律的應(yīng)用，解決實(shí)際的物理問題，應(yīng)用之前的物理知識(shí)來解決現(xiàn)在的問題，讓學(xué)生體會(huì)到物理是有用的，激發(fā)繼續(xù)學(xué)習(xí)物理的興趣。

（3）實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

通過本章第2節(jié)“功”的學(xué)習(xí)，認(rèn)識(shí)到能量及其轉(zhuǎn)化的認(rèn)識(shí)與功的概念緊密相連，功的計(jì)算常常能夠?yàn)槟芰康亩勘磉_(dá)與能量的轉(zhuǎn)化提供分析的基礎(chǔ)，依據(jù)這個(gè)思路我們通過研究做功的多少來尋找動(dòng)能的表達(dá)式。利用照片創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境展示“猴子從樹上靜止掉下”，師生共同簡化猴子下落過程，抽象出理想化的過程模型——自由落體運(yùn)動(dòng)，共同分析重力勢(shì)能與動(dòng)能的變化關(guān)系，從中可知在這個(gè)過程中：

“重力勢(shì)能變化=WG=動(dòng)能變化”。

學(xué)生利用已掌握的勻變速直線運(yùn)動(dòng)規(guī)律與功的計(jì)算公式計(jì)算下落過程重力做功：

W■=mgh=mg·■=■m（v■■-v■■）=■mv■■-■mv■■，進(jìn)一步看成是wG=表達(dá)式B-表達(dá)式A，結(jié)合之前的兩個(gè)認(rèn)識(shí) “重力勢(shì)能變化=WG=動(dòng)能變化”與“EK=kmv2”，易得動(dòng)能的表達(dá)式：EK=■mv2。

設(shè)計(jì)說明：任何物理規(guī)律、表達(dá)式的推導(dǎo)應(yīng)該是依據(jù)學(xué)生的認(rèn)知水平，通過選擇教學(xué)素材，選擇教學(xué)方式，創(chuàng)設(shè)有效的物理情景將學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)一步一步地有序完成構(gòu)建，這個(gè)過程是水到渠成而不是拔苗助長。通過“猜想—假設(shè)—分析—驗(yàn)證”，能讓學(xué)生真正體會(huì)科學(xué)探究的過程，發(fā)現(xiàn)規(guī)律，體驗(yàn)成功的樂趣。

6.5 具體實(shí)例，加深動(dòng)能的理解

由動(dòng)能表達(dá)式可見物體的質(zhì)量越大、 速度越大，動(dòng)能也就越大，反證之前動(dòng)能大小與什么因素有關(guān)的認(rèn)識(shí)完全一致。

案例 網(wǎng)球的質(zhì)量0.2 kg，速度為100 m/s，運(yùn)動(dòng)員質(zhì)量50 kg，某時(shí)刻跑步速度5 m/s。比較兩者誰動(dòng)能大？

設(shè)計(jì)說明：通過具體實(shí)例讓學(xué)生熟悉動(dòng)能表達(dá)式，理解動(dòng)能的物理意義，知道動(dòng)能是標(biāo)量，只有大小沒有方向。

6.6 探究互動(dòng) 尋找動(dòng)能定理表達(dá)式

（1）回顧實(shí)驗(yàn) 發(fā)現(xiàn)問題

創(chuàng)設(shè)圖片情境“探究合外力做功與速度變化關(guān)系”實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，學(xué)生回憶實(shí)驗(yàn)裝置用途，知道實(shí)驗(yàn)過程的重要步驟——平衡摩擦力，并知道平衡摩擦力的原因是為了保證小車受到橡皮筋的拉力是小車受到的合外力。

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圖2 探究合外力做功與速度變化關(guān)系實(shí)驗(yàn)裝置圖

創(chuàng)設(shè)圖片情境“探究合外力做功與速度變化關(guān)系”實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖像如圖3所示，引導(dǎo)學(xué)生變換坐標(biāo)，從中看出外力做功能使得小車的動(dòng)能增加。引導(dǎo)學(xué)生探究合外力做功與小車動(dòng)能變化的數(shù)量關(guān)系。

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圖3 探究合外力做功與速度變化關(guān)系實(shí)驗(yàn)圖

（2）抽象模型 解決問題

簡化實(shí)驗(yàn)裝置，構(gòu)建物理模型，設(shè)置理想條件：橡皮筋拉力為恒力共同探究合外力做功與物體動(dòng)能的具體關(guān)系，結(jié)合勻變速規(guī)律計(jì)算可得：

FL=■mv2，進(jìn)一步分析將FL=■mv2改寫得到動(dòng)能定理的表達(dá)式：

W合=FL=■mv■■-■mv■■。

設(shè)計(jì)說明：通過已有問題發(fā)現(xiàn)新的問題，并利用現(xiàn)有知識(shí)結(jié)構(gòu)來解決發(fā)現(xiàn)的問題，不僅體現(xiàn)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題的能力，更鍛煉學(xué)生抽象物理模型解決物理問題的能力，滿足高中物理新課標(biāo)強(qiáng)調(diào)的培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的目標(biāo)。

6.7 分析過程，明確表達(dá)式意義

引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)到動(dòng)能定理是針對(duì)于物體運(yùn)動(dòng)的某一個(gè)過程，W合是合外力對(duì)物體所做的功或外力做功之和，■mv■■是運(yùn)動(dòng)過程中末狀態(tài)的動(dòng)能，■mv■■是運(yùn)動(dòng)過程中初狀態(tài)的動(dòng)能。合外力對(duì)物體做正功，物體動(dòng)能增加，合外力對(duì)物體做負(fù)功，物體動(dòng)能減小。

設(shè)計(jì)說明：通過簡單的分析讓學(xué)生對(duì)合外力做功與動(dòng)能變化的關(guān)系有更明確的認(rèn)識(shí)，同時(shí)弄清動(dòng)能定理公式表達(dá)中各物理量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，為下一步總結(jié)運(yùn)用動(dòng)能定理解決問題的思維策略打下基礎(chǔ)。

6.8 實(shí)例應(yīng)用，總結(jié)思維策略

案例1 一架噴氣式飛機(jī)，質(zhì)量m=5.0×103 kg，起飛過程中從靜止開始滑跑的路程為s=530 m時(shí)，達(dá)到起飛速度v=60 m/s。在此過程中飛機(jī)受到的平均阻力是飛機(jī)重量的0.02倍（k=0.02）。求飛機(jī)受到的牽引力F？

過程說明：解題中注重解題規(guī)范的滲透與應(yīng)用動(dòng)能定理解決問題的思維策略的總結(jié)，總結(jié)如圖4所示：

案例2 如圖5所示軌道AC由半徑R=0.5 m的1/4圓弧軌道AB與水平軌道BC組成，小球質(zhì)量為1 kg，半徑遠(yuǎn)小于軌道半徑，從A點(diǎn)靜止釋放，到達(dá)B點(diǎn)的速度為2 m/s，小球與軌道的摩擦系數(shù)均為0.2。求AB段運(yùn)動(dòng)過程中摩擦力對(duì)小球做的功？求小球在水平軌道前進(jìn)的距離？

設(shè)計(jì)說明：通過實(shí)例應(yīng)用與思維策略總結(jié)，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到動(dòng)能定理也是一種求功的方法，特別是變力做功的求解，體會(huì)學(xué)以致用的快樂，激發(fā)學(xué)習(xí)物理的積極性。

7 評(píng)價(jià)與反思

1.本節(jié)課教學(xué)設(shè)計(jì)充分利用了學(xué)生的原有認(rèn)知與教材前面的內(nèi)容，依據(jù)學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)精心設(shè)計(jì)問題梯度，激發(fā)學(xué)生的興趣，打開學(xué)生的思路。本節(jié)課的成功之處，就在于充分考慮學(xué)生的原有認(rèn)知，在學(xué)生原有認(rèn)知的基礎(chǔ)上建構(gòu)科學(xué)知識(shí)，保持物理學(xué)科知識(shí)的系統(tǒng)性。

2.學(xué)生的思維具有開放性，學(xué)生面對(duì)問題時(shí)表現(xiàn)出來的反應(yīng)不一定會(huì)與教師預(yù)設(shè)的方向保持一致。因此，教師需要在教學(xué)過程中進(jìn)行合理的引導(dǎo)，精心設(shè)計(jì)問題情境，讓學(xué)生更容易理解和掌握教材內(nèi)容。比如，在猜測(cè)出動(dòng)能的可能表達(dá)式后判斷表達(dá)式是否合理時(shí)，如果不經(jīng)提示學(xué)生不一定會(huì)想到用力學(xué)單位制來判斷表達(dá)式是否正確這條思維策略。

參考文獻(xiàn)：

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（欄目編輯 李富強(qiáng)）