李杰 邢紅軍

摘 要：在深入分析現(xiàn)行高中物理“動能定理”一節(jié)教材編寫的基礎上，依據(jù)物理核心素養(yǎng)和原始物理問題教學理論，分別從抽象問題、畫出圖象、設置變量、運用規(guī)律、選取方法和數(shù)學變換等方面，展開了基于物理核心素養(yǎng)的動能定理教學設計.最后，提出物理教學設計應實施生態(tài)化的物理教學、顯化物理教學中的科學方法、注重物理思想的滲透.

關鍵詞：核心素養(yǎng); 動能定理; 原始物理問題

研究方向：物理課程與教學論.? 動能定理作為高中物理教學的重要一節(jié)，是連接功和能關系的重要樞紐.深入挖掘本節(jié)課教學過程中蘊含的豐富內涵，既有助于學生建構功能關系的知識框架，把握動能定理的物理學本質，又對提升學生的物理核心素養(yǎng)大有裨益.由此，筆者展開了基于物理核心素養(yǎng)的動能定理教學設計.

1 現(xiàn)行教材中動能定理的編寫分析

現(xiàn)行人教版高中物理教科書在“動能和動能定理”一節(jié)單獨設置了“實驗：探究功與速度變化的關系”，之后再進行動能定理表達式的推導，旨在引導教師采用探究式教學，從而培養(yǎng)學生的科學探究精神.

通過上一節(jié)的實驗探究，學生已經初步得到提示“物體動能的表達式中可能包含v2這個因子.”隨后，教材具體分析了“物體在恒力作用下在光滑地面發(fā)生了一段位移”這一物理過程，首先設置物理量：物體的質量為m，與物體運動方向相同的恒力F、位移l、初速度v1及末速度v2，運動過程中F做的功為W=Fl，進而根據(jù)動力學知識、運動學知識以及功和能的關系，通過數(shù)學推導得到了動能定理的表達式，并結合上節(jié)實驗結論，定義動能的表達式：Ek=12mv2[1].

由于學生首次接觸動能概念的定量表達，缺乏對概念本質的認識與理解.因此，僅采用教材中的理論推導，對于學生理解動能定理的本質是有一定難度的.分析發(fā)現(xiàn)，造成學生理解困難的原因有二：首先，從教學流程的安排看，教材中安排的教學過程沒有涉及科學方法以及其中蘊含的物理思想.教學過程僅是為了得出動能定理的表達式而設計的知識教學，這其實是舍本逐末的做法.其次，從動能定理的推導過程看，教材中并未對推導過程需要用到的物理量進行清晰的說明.即為什么要設置物理量？如何設置物理量？應該設置哪些物理量？根據(jù)所設物理量，還需要設置哪些中間變量？加速度（中間變量）為什么沒有設置？這些看似無足輕重的細節(jié)，其實對教學邏輯具有舉足輕重的影響，它的缺失必然導致整個推導過程邏輯混亂.因此，這樣的教學設計就不利于學生科學思維的發(fā)展與科學探究能力的形成.

針對上述問題，結合動能定理一節(jié)的教學特點，我們提出以物理核心素養(yǎng)作為理論指導，以原始物理問題解決為主線的教學設計.

2 基于核心素養(yǎng)的動能定理教學設計

核心素養(yǎng)是個體在面對復雜的、不確定的現(xiàn)實問題時，能夠發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的綜合品質[2]，提倡在具體情境中分析和解決問題.而原始物理問題是從物理現(xiàn)象出發(fā)，學生根據(jù)需要自行設置物理量，并經過抽象表征、圖象表征、賦值表征、物理表征、方法表征、數(shù)學表征等六個步驟方可解決的一種真實問題，它與核心素養(yǎng)的內涵不謀而合.

事實上，對動能定理教學最通俗的解釋就是：一個講臺桌上的粉筆盒被擊打后在桌面上移動一段距離，問：這個現(xiàn)象中蘊含了什么樣的物理規(guī)律？怎樣把這個規(guī)律推導出來.顯然，這就把動能定理的教學過程轉化為了原始物理問題的解決過程.在這樣的教學過程中，需要教師帶領學生明確問題研究的方向、通過建模、作圖、賦值、列方程、運用科學方法、最終通過數(shù)學計算得出動能定理[3].

在教學引入環(huán)節(jié)，教師重演生活中司空見慣的物理現(xiàn)象：用手沿水平方向快速擊打講臺上的粉筆盒，發(fā)現(xiàn)粉筆盒運動一段距離后靜止了.接著，請學生思考：粉筆盒停下來的原因及其背后可能蘊含的物理規(guī)律.在此基礎上，教師帶領學生展開動能定理的教學.

2.1 抽象問題：動能定理教學的第一步

為了研究粉筆盒在水平桌面上的運動過程，可以忽略粉筆盒的大小、形狀等因素，將粉筆盒抽象為一個質點.此外，為了更好地把握問題的本質，應該忽略運動過程中的次要因素，保留主要因素.分析可知，粉筆盒在水平方向的運動過程中，會受到桌面的摩擦力及空氣阻力，由于空氣阻力遠小于摩擦力，可將空氣阻力忽略.由此可見，通過將粉筆盒抽象成質點，將空氣阻力忽略，幫助學生在頭腦中初步建立起質點運動模型.

2.2 畫出圖象：動能定理教學的第二步

畫出圖象，有利于學生對問題產生更加清楚的認識和理解.在上述抽象中，將粉筆盒抽象成質點，但是在畫圖的過程中，若將粉筆盒看作一個點，會使得物理情景不夠直觀、形象.因此，在畫圖時，粉筆盒可以適當呈現(xiàn)一定的形狀，但質量均集中在重心上，在后續(xù)進行受力分析時，仍需將其看做質點，如圖1所示.

2.3 設置變量：動能定理教學的第三步

為了推導出動能定理，需要設置相關的物理量.具體來說，設粉筆盒質量為m，初速度為v1，末速度為v2，位移為l，所受摩擦力為f，加速度為a，并將其標在圖象上，如圖2所示.

在動能定理教學中，教師應特別注意引導學生思考：為什么要設置物理量？如何設置物理量和設置哪些物理量，這也是基于物理核心素養(yǎng)的動能定理教學設計和傳統(tǒng)教學設計的重要區(qū)別.在以往的教學設計中，物理量的設置在很多情況下被認為是理所當然的，很少有人思考過設置物理量的意義和價值.思考這一環(huán)節(jié)在動能定理推導過程中的承上啟下作用.這種情況與我國中學物理的習題教學有著密切的關系.因為在習題教學中，習題中的物理量往往已被命題人員設置了.

2.4 運用規(guī)律：動能定理教學的第四步

這一環(huán)節(jié)要求學生將動能定理的推導與物理規(guī)律聯(lián)系起來，確定與問題相關的概念、規(guī)律以及公式.

如何選擇恰當?shù)奈锢硪?guī)律與物理公式？首先需要對研究對象的運動過程進行分析.擊打粉筆盒的過程即對粉筆盒施加了力，使得粉筆盒沿水平方向發(fā)生了一段位移.因為存在力的作用，粉筆盒做加速運動，因此具有加速度，速度將會增大.功是能量轉化的量度，為了研究動能，就需要對這一過程的合外力做功進行分析.因此，在擊打粉筆盒這一物理情境中，包含合外力與加速度的關系（牛頓第二運動定律），運動學關系，以及合外力做功.

由此可知，動能定理得出需要用到的物理規(guī)律包括：牛頓第二定律F=ma、運動學方程v22-v21=2al，以及功的公式W=fl.

2.5 選取方法：動能定理教學的第五步

如何將所選取的物理知識運用于動能定理的推導，這就需要借助科學方法.就本節(jié)課的理論推導而言，所采用的科學方法是演繹推理法.這種方法是以人們已知的客觀規(guī)律為依據(jù)，通過數(shù)學推導，推出未知規(guī)律的方法.顯而易見，已知的客觀規(guī)律包括功的定義式、牛頓第二定律方程以及運動學方程，而未知的規(guī)律就是動能定理的表達式.

2.6 數(shù)學變換：動能定理教學的第六步

因此，由上述六步過程，按部就班地推導出了動能定理的表達式，也就是力在一個過程中對物體做的功，等于物體在這個過程中動能的變化.在模型建構、科學推理、科學論證的過程中，有效地提升了學生的物理核心素養(yǎng).此外，值得一提的是，在理論推導完成之后，教師應對合外力做功這一概念進行深入解釋，W=fl不僅僅是合外力做功，更是力在空間的累積效應，而這一“累積”物理思想是教師應該在教學中顯化并強調的.

當順利推導出動能定理的表達式后，教師可以向學生呈現(xiàn)一個全新的物理情境，如圖3所示.小球沿著半徑為R的光滑圓弧從A點由靜止運動至最低點O，教師鼓勵學生運用動能定理求出小球到達O點時的速度大小，讓學生在研究過程中體會新情境與舊情境的區(qū)別.對于舊情境——擊打粉筆盒，主要是在水平直線軌跡上研究動能定理，即一維空間.然而，對于新情境——沿圓弧運動下落，卻是在曲線軌跡上運用動能定理，即二維空間.學生在知識遷移的過程中，可以更加深刻地體會到動能定理的普遍適用性，進一步加深對于動能定理的理解和認識，從而發(fā)展自己的物理核心素養(yǎng).

3 基于核心素養(yǎng)的動能定理教學設計啟示

正是在物理核心素養(yǎng)和原始物理問題教學理論的指引下，使得動能定理的教學設計展現(xiàn)出了新的視角.因此，通過本節(jié)課教學設計的研究，我們得到了以下啟示.

3.1 實施生態(tài)化的物理教學

在本節(jié)教學中，教師快速擊打粉筆盒，粉筆盒運動一段距離后最終停下來，這一物理現(xiàn)象的呈現(xiàn)，是動能定理教學得以“破題”并順利展開的前提.

筆者認為，動能定理教學的關鍵是應當注重教學的生態(tài)化，幫助學生在真實的情境中研究問題，從而促進學生的認知發(fā)展.在本節(jié)課中，由快速擊打粉筆盒這一物理現(xiàn)象為切入點，提出開放性問題：這個現(xiàn)象中蘊含了什么樣的物理規(guī)律？引導學生根據(jù)已有的物理知識，賦值、畫圖、列式、計算……從而得到最終的物理規(guī)律.這樣生態(tài)化的物理教學相比于傳統(tǒng)教學而言，更能幫助學生學習與理解動能定理的本質.同時，也最大化地訓練、提升了學生的物理思維，促進了學生物理核心素養(yǎng)的發(fā)展.

3.2 顯化物理教學中的科學方法

科學方法既是教學邏輯的主線，也是獲取物理知識的主要途徑.目前的物理教學雖然已經加強了科學方法教育，但仍需進一步將科學方法加以顯化.按照科學方法中的物理學認知結構理論，物理概念、規(guī)律需要借助科學方法才能形成.因此，物理教學應顯化科學方法.

在推導動能定理時，所使用的科學方法是演繹推理法.即教師引導學生從快速擊打粉筆盒這一物理現(xiàn)象出發(fā)，分析粉筆盒的受力情況、加速度變化、速度變化、位移變化等，并由此確定相關的物理規(guī)律，進而列出準確的物理表達式，推導物理規(guī)律，最后向學生著重講解演繹推理的相關邏輯知識.

由于科學方法是物理知識的脈絡，借助科學方法就能迅速抓住動能定理推導的關鍵，并有助于學生真正掌握動能定理.此外，演繹推理法在學生的學習和生活中會無意識地經常用到，因此，顯化并強調該方法就更顯得尤為重要.

3.3 注重物理思想的滲透

物理教學要體現(xiàn)從物理知識教育到物理方法教育，再到物理思想形成的過程[4]，同時達成教學邏輯與學生心理邏輯的統(tǒng)一.而物理思想是在創(chuàng)立和發(fā)展物理科學理論的過程中，對知識和方法概括而形成的一種科學認識，廣泛貫穿于整個物理教學中[5].

就本節(jié)課而言，不僅僅是合外力做功，更是力在空間的累積效應，而這種累積效應不僅適用于恒力做功，對于變力做功也同樣適用.只有領會這一物理思想，才能對動能定理中的合外力做功有本質的認識與理解.

“累積”的物理思想，在后續(xù)的物理學習中，也同樣有著重要的應用.例如在學習沖量概念時，就是力在時間上的累積.只要學生在本節(jié)課充分理解并掌握了這一物理思想，就可以更加輕松、準確地理解功、沖量等概念的物理本質，并在滲透物理思想的過程中發(fā)展物理核心素養(yǎng).

參考文獻：

[1]人民教育出版社課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心. 物理（必修2）[M]. 北京：人民教育出版社，2010.

[2]林崇德.21世紀學生發(fā)展核心素養(yǎng)研究[M].北京：北京師范大學出版社，2016.

[3]邢紅軍，石堯. 原始物理問題教學：一個本土化教學理論的創(chuàng)生[J].教育學術月刊，2016（09）：83-90.

[4]邢紅軍，張抗抗. 論物理思想的教育價值及其啟示[J].教育科學研究，2016（08）：61-68.

[5]邢利華.淺談中學物理教學中如何滲透物理思想[J].知識經濟，2013（12）：134.