邱智彬 李 川 代清平 謝 博

(1. 興義民族師范學(xué)院物理與工程技術(shù)學(xué)院,貴州 興義 562400;2. 貴州師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院,貴州 貴陽(yáng) 550025;3. 興義一中,貴州 興義 562400)

如竇國(guó)興先生的評(píng)價(jià)所言:“物理教學(xué)的中心任務(wù),是引導(dǎo)學(xué)生了解物理規(guī)律.”[1]物理規(guī)律的猜想、探究、驗(yàn)證與應(yīng)用等多個(gè)過(guò)程都充分體現(xiàn)出物理規(guī)律教學(xué)對(duì)物理學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的重要性.隨著知識(shí)體系的迭代,當(dāng)代中學(xué)生被要求以更短的時(shí)間理解更多的知識(shí)、解決更復(fù)雜的難題.同時(shí)在“雙減”政策的輻射下,高中教育被要求進(jìn)一步提質(zhì)增效.因此,在物理規(guī)律課堂教學(xué)這個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)上,有效教學(xué)變得十分重要.

國(guó)內(nèi)外有不少關(guān)于“有效教學(xué)”的討論和研究,其含義的主流觀點(diǎn)可理解為:“有效教學(xué)”指具有高的課堂效率、優(yōu)質(zhì)的教學(xué)效果和實(shí)在的課程效用,促進(jìn)學(xué)生知識(shí)學(xué)習(xí)與能力發(fā)展的教學(xué).[2]課堂教學(xué)既要在時(shí)間上做到高效,又要使學(xué)生理解吸收知識(shí)與方法并轉(zhuǎn)化為應(yīng)用的能力,實(shí)現(xiàn)理想的課程效用并非易事.在此期待下,學(xué)者們對(duì)物理規(guī)律有效教學(xué)框架進(jìn)行了探討和構(gòu)建,并總結(jié)出以下關(guān)于物理規(guī)律有效教學(xué)的5條標(biāo)準(zhǔn),包括:學(xué)習(xí)喚醒、學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)方式、教學(xué)過(guò)程和學(xué)習(xí)環(huán)境,以及其下的26條細(xì)則,為實(shí)現(xiàn)物理規(guī)律有效教學(xué)提供了較為細(xì)致的參考標(biāo)準(zhǔn).[3]然而,應(yīng)該以何種教學(xué)理念指導(dǎo)物理規(guī)律教學(xué)并達(dá)成有效教學(xué)的標(biāo)準(zhǔn),仍然是一個(gè)值得探索研究的課題.

其中,“教思考、教體驗(yàn)、教表達(dá)”(簡(jiǎn)稱“三教”)理念旨在教學(xué)生“積極思考、自主體驗(yàn)、善于表達(dá)”,[4]在指導(dǎo)物理規(guī)律教學(xué)與培養(yǎng)學(xué)科核心素養(yǎng)上具備一定的適配性.一方面,“三教”理念以“情境-問(wèn)題”為主導(dǎo),有助于學(xué)生思維能力的培養(yǎng);同時(shí)關(guān)注學(xué)生對(duì)知識(shí)的體驗(yàn)過(guò)程,嘗試多手段、多模型詮釋物理規(guī)律的內(nèi)涵和外延;尤其鼓勵(lì)學(xué)生加強(qiáng)交流和課堂表達(dá),通過(guò)培養(yǎng)學(xué)生物理語(yǔ)言表達(dá)能力來(lái)強(qiáng)化物理思維能力,[5]另外在課堂上多參與表達(dá)也有利于學(xué)生綜合素養(yǎng)的培養(yǎng)與教師對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)情況進(jìn)行查漏補(bǔ)缺.以“三教”理念指導(dǎo)物理規(guī)律教學(xué),無(wú)論在知識(shí)構(gòu)建,還是關(guān)鍵能力和綜合素質(zhì)提升的過(guò)程,都展現(xiàn)出了充分的優(yōu)越性以及實(shí)現(xiàn)有效教學(xué)的可行性,契合物理規(guī)律一般教學(xué)過(guò)程.例如在“教思考”中創(chuàng)設(shè)情境、提出問(wèn)題;在“教體驗(yàn)”中演示實(shí)驗(yàn)、推理模型;在“教表達(dá)”中理解規(guī)律、多維表達(dá)、應(yīng)用規(guī)律等.[6]因此,筆者基于“三教”理念的特點(diǎn),以高一人教版必修2物理規(guī)律課“機(jī)械能守恒定律”一節(jié)為教學(xué)內(nèi)容完成教學(xué)設(shè)計(jì),對(duì)“三教”理念指導(dǎo)物理規(guī)律的有效教學(xué)展開(kāi)分析與研究.

1 基于“三教”理念的“機(jī)械能守恒定律”教學(xué)目標(biāo)

(1) 物理觀念:認(rèn)識(shí)機(jī)械能的概念,初步建立能量觀念、體會(huì)守恒思想,深化“功是能量轉(zhuǎn)化的量度”的認(rèn)識(shí).

(2) 科學(xué)思維:對(duì)簡(jiǎn)單模型構(gòu)建與科學(xué)推理,清楚其中動(dòng)能與勢(shì)能之間的相互轉(zhuǎn)化.通過(guò)對(duì)不同模型的受力分析進(jìn)行對(duì)比、歸納總結(jié),理解并體驗(yàn)機(jī)械能守恒定律的守恒條件.

(3) 科學(xué)探究:通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)單驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律,為學(xué)生提供感性材料與模型推理合理性的證據(jù),培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力.

(4) 科學(xué)態(tài)度與責(zé)任:學(xué)會(huì)以能量觀念和守恒思想看待生產(chǎn)生活的現(xiàn)象,理解其中能量轉(zhuǎn)化的關(guān)系和能量損耗的必然性,提高節(jié)約能源意識(shí).

2 基于“三教”理念的“機(jī)械能守恒定律”教學(xué)過(guò)程

2.1 教思考

2.1.1 思考知識(shí)聯(lián)系與學(xué)習(xí)意義

讓學(xué)生明確本節(jié)知識(shí)與先前所學(xué)知識(shí)的聯(lián)系以及所學(xué)內(nèi)容的意義是開(kāi)展教學(xué)的重要一步.

教師行為:簡(jiǎn)單復(fù)習(xí)力、功與能的知識(shí)及其關(guān)系,引導(dǎo)學(xué)生嘗試猜測(cè)新的未知關(guān)系并進(jìn)一步思考的同時(shí),提出新的未知關(guān)系的現(xiàn)實(shí)意義,如圖1所示.強(qiáng)調(diào)從已有知識(shí)在不同角度的聯(lián)系中獲得新知識(shí)的認(rèn)知方式,培養(yǎng)學(xué)生元認(rèn)知.提問(wèn):“學(xué)了功與能,我們知道重力(彈力)做功會(huì)引起系統(tǒng)重力(彈性)勢(shì)能的變化,合外力做功則會(huì)引起系統(tǒng)動(dòng)能發(fā)生改變.兩類能量的變化都是以功來(lái)實(shí)現(xiàn)并體現(xiàn)在公式上,那么是否存在一個(gè)物理規(guī)律,能夠直接表示動(dòng)能與勢(shì)能的轉(zhuǎn)化關(guān)系,使我們更加方便地實(shí)現(xiàn)動(dòng)能與勢(shì)能相互轉(zhuǎn)化的計(jì)算?”

圖1 力、功與能間關(guān)系邏輯圖

2.1.2 思考情境創(chuàng)設(shè)中的“守恒”現(xiàn)象

創(chuàng)設(shè)情境1:如圖2(甲)所示,3個(gè)輕彈簧懸掛在天花板上,自然下垂,其中彈簧a下端無(wú)懸掛小球;彈簧b下端懸掛小球并處于靜止;彈簧c下端懸掛相同的小球并給予一定初速度,使其上下做往返運(yùn)動(dòng).情境2:教科書(shū)問(wèn)題欄目中給出的伽利略斜面實(shí)驗(yàn),一小球在A、B兩個(gè)具有不同傾角的斜劈間運(yùn)動(dòng),如圖2(乙)所示.兩情境均為理想模型,忽略摩擦阻力.

圖2 甲圖為“3個(gè)彈簧”情景,乙圖為伽利略斜面實(shí)驗(yàn)情境

教師提問(wèn)1:如圖2(甲)所示的3個(gè)彈簧,請(qǐng)問(wèn)它們都分別具備哪種形式的能量?借由“3個(gè)彈簧”情境,在學(xué)生成功判斷出重力勢(shì)能、彈性勢(shì)能和動(dòng)能3種形式能量后,介紹機(jī)械能的概念.根據(jù)彈簧c中小球在某一平衡位點(diǎn)上下往返,并結(jié)合伽利略的斜面實(shí)驗(yàn)中小球在斜劈A、B上所到達(dá)高度相同的現(xiàn)象,來(lái)引起學(xué)生對(duì)其中的“守恒”進(jìn)行思考.提問(wèn)2:“仔細(xì)觀察彈簧c中小球的往返運(yùn)動(dòng)以及伽利略斜面實(shí)驗(yàn)中小球從A斜劈釋放運(yùn)動(dòng)到B斜劈等高位置的過(guò)程,請(qǐng)思考它們的運(yùn)動(dòng)規(guī)律中存在著怎樣的‘守恒’關(guān)系.”

2.2 教體驗(yàn)

2.2.1 體驗(yàn)“守恒”關(guān)系

通過(guò)運(yùn)用動(dòng)能定理分析自由落體模型中重力勢(shì)能與動(dòng)能的轉(zhuǎn)化關(guān)系,并根據(jù)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器得到的自由落體運(yùn)動(dòng)紙帶,對(duì)重力勢(shì)能向動(dòng)能的轉(zhuǎn)化進(jìn)行定量分析,并與理論模型分析過(guò)程相對(duì)應(yīng).

教師行為:作圖并用動(dòng)能定理分析自由落體運(yùn)動(dòng)模型中重力勢(shì)能與動(dòng)能的轉(zhuǎn)化關(guān)系,如圖3(甲),然后演示自由落體實(shí)驗(yàn),從打點(diǎn)計(jì)時(shí)器中獲得相應(yīng)紙帶并定量分析重力勢(shì)能與動(dòng)能變化,體驗(yàn)并對(duì)演示過(guò)程中的實(shí)驗(yàn)操作及誤差分析進(jìn)行充分講解.

圖3 (甲)(乙)(丙)(丁)圖分別為自由落體運(yùn)動(dòng)、單擺運(yùn)動(dòng)、光滑曲面下滑和水平彈簧往返運(yùn)動(dòng)模型

2.2.2 體驗(yàn)“守恒”關(guān)系的成立條件

只根據(jù)自由落體運(yùn)動(dòng)模型體驗(yàn)機(jī)械能守恒定律是不充分的,應(yīng)結(jié)合更多常見(jiàn)的運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)行差異分析,如單擺模型、光滑曲面下滑模型和水平彈簧模型等,[7]如圖3(乙)(丙)和(丁),引入除重力以外的如繩子拉力、空氣阻力、斜面支持力和彈力來(lái)體驗(yàn)不同力對(duì)“守恒”關(guān)系的影響,讓學(xué)生對(duì)機(jī)械能守恒定律的成立條件有一個(gè)具體的認(rèn)識(shí),同時(shí)對(duì)“守恒”關(guān)系進(jìn)行總結(jié).

教師行為:推導(dǎo)單擺模型中重力勢(shì)能與動(dòng)能轉(zhuǎn)化關(guān)系,不忽略空氣阻力,同時(shí)引入單擺碰鼻實(shí)驗(yàn)視頻(如圖4左圖),觀察忽略空氣阻力與否的影響;隨后推導(dǎo)光滑曲面下滑運(yùn)動(dòng)模型重力勢(shì)能與動(dòng)能轉(zhuǎn)化關(guān)系時(shí)忽略空氣阻力和斜面摩擦力;最后推導(dǎo)水平彈簧模型中小車彈性勢(shì)能與動(dòng)能相互轉(zhuǎn)化關(guān)系,并通過(guò)觀看實(shí)驗(yàn)視頻(如圖4右圖),體驗(yàn)彈力做功的情況.期間注重引導(dǎo)學(xué)生體驗(yàn)單擺模型中繩子拉力和空氣阻力、光滑曲面模型中斜面支持力以及水平彈簧的彈力對(duì)“守恒”關(guān)系的影響,并對(duì)力的種類、力的做功情況和“守恒”關(guān)系成立與否等進(jìn)行歸納總結(jié).

圖4 實(shí)驗(yàn)視頻片段:單擺碰鼻實(shí)驗(yàn)(左圖);氣墊導(dǎo)軌上物塊兩端懸掛彈簧探究彈性勢(shì)能與動(dòng)能相互轉(zhuǎn)化的實(shí)驗(yàn)(右圖)

2.3 教表達(dá)

2.3.1 文字表達(dá)機(jī)械能守恒定律

根據(jù)模型的討論與歸納總結(jié),對(duì)“守恒”關(guān)系進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的表達(dá),即機(jī)械能守恒定律的教材描述,并注重對(duì)表述中關(guān)鍵字眼的思考.

教師先進(jìn)行提問(wèn):“我們知道這個(gè)‘守恒’關(guān)系就是機(jī)械能守恒定律,拋開(kāi)書(shū)本表述,根據(jù)前面的分析以及個(gè)人認(rèn)知,同學(xué)們認(rèn)為機(jī)械能守恒定律應(yīng)該如何進(jìn)行文字表達(dá)比較準(zhǔn)確?”在聽(tīng)取部分同學(xué)的觀點(diǎn)后,給出教科書(shū)對(duì)機(jī)械能守恒定律的標(biāo)準(zhǔn)表述,即在只有重力或彈力做功的物體系統(tǒng)內(nèi),動(dòng)能與勢(shì)能可以相互轉(zhuǎn)化,而總的機(jī)械能保持不變.引導(dǎo)學(xué)生對(duì)物理規(guī)律表述中的關(guān)鍵字眼在課后自主思考,進(jìn)一步提問(wèn):“請(qǐng)同學(xué)們思考一下,除重力或彈力以外的力做功,但代數(shù)和為0的話,是否仍可以滿足機(jī)械能守恒?”

2.3.2 公式表達(dá)機(jī)械能守恒定律

用公式體會(huì)并表達(dá)機(jī)械能守恒定律,并理解機(jī)械能守恒定律的其他表達(dá)方式.

教師提問(wèn)1:“根據(jù)文字表述,滿足機(jī)械能守恒定律的物體系統(tǒng)初始狀態(tài)與末狀態(tài)的機(jī)械能總量保持不變,那么我們應(yīng)該如何用公式來(lái)表示機(jī)械能守恒定律?”提問(wèn)2:“書(shū)本給出的機(jī)械能守恒公式(公式1:Ek1+Ep1=Ek2+Ep2)是從單一物體系統(tǒng)的初狀態(tài)1與末狀態(tài)2守恒的角度得來(lái)的,然而有時(shí)候在實(shí)際應(yīng)用中,我們可能更關(guān)注動(dòng)能與勢(shì)能轉(zhuǎn)化的量,或是機(jī)械能從物體A到物體B轉(zhuǎn)移的量,用此公式并不能讓我們十分便利地獲得想要的結(jié)果.那么從動(dòng)能與勢(shì)能轉(zhuǎn)化的角度,以及物體間能量轉(zhuǎn)移角度,我們應(yīng)該如何表達(dá)機(jī)械能守恒定律呢?”引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)從動(dòng)能與勢(shì)能轉(zhuǎn)化角度(公式2:Ep1-Ep2=Ek2-Ek1)和物體間能量轉(zhuǎn)移角度(公式3:ΔEA=-ΔEB)理解并表達(dá)機(jī)械能守恒定律.

2.3.3 表達(dá)動(dòng)能定理與機(jī)械能守恒定律的差異

動(dòng)能定理與機(jī)械能守恒定律同為功能關(guān)系中極其重要的物理規(guī)律,對(duì)它們作準(zhǔn)確的區(qū)分是利于學(xué)生深化知識(shí)理解的有效方式,更重要的是引導(dǎo)學(xué)生表達(dá)其中的差異(如表1所示).

表1 動(dòng)能定理與機(jī)械能守恒定律的差異

教師提問(wèn):“關(guān)于動(dòng)能定理與機(jī)械能守恒定律,同學(xué)們能說(shuō)出它們?cè)诠奖磉_(dá)、適用條件、行為與結(jié)果上有什么差異嗎?請(qǐng)說(shuō)說(shuō)你的理解.”

2.3.4 機(jī)械能守恒的條件及運(yùn)用效果

課內(nèi)習(xí)題是考查學(xué)生對(duì)物理規(guī)律理解情況和應(yīng)用能力的有效媒介.合理運(yùn)用教科書(shū)習(xí)題,引導(dǎo)學(xué)生多參與課堂表達(dá),加深知識(shí)記憶的同時(shí)鍛煉學(xué)生表達(dá)能力.

教師行為:以教師提問(wèn)方式,選用2019年人教版高中物理必修2第8章機(jī)械能守恒定律“練習(xí)與應(yīng)用”的習(xí)題1,考查學(xué)生對(duì)機(jī)械能守恒與否的判斷.選用習(xí)題3的斜拋運(yùn)動(dòng)模型,讓學(xué)生用多種物理規(guī)律解決問(wèn)題,如運(yùn)動(dòng)學(xué)公式、動(dòng)能定理和機(jī)械能守恒定律.提問(wèn):“在分別嘗試運(yùn)用運(yùn)動(dòng)學(xué)公式和功能關(guān)系(動(dòng)能定理和機(jī)械能守恒定律)來(lái)求解的過(guò)程中,哪種方法比較便捷高效?另外,動(dòng)能定理和機(jī)械能守恒定律在求解的過(guò)程中需要注意什么?”讓學(xué)生體驗(yàn)不同物理規(guī)律在解決同一問(wèn)題中的差異,如功能關(guān)系相對(duì)于運(yùn)動(dòng)學(xué)公式而言不需要計(jì)算加速度、分速度等物理量而更加便利,機(jī)械能守恒相較于動(dòng)能定理則需要假定零勢(shì)能面以簡(jiǎn)化計(jì)算等.鼓勵(lì)他們積極表達(dá)個(gè)人觀點(diǎn),并在最后完成對(duì)課堂總結(jié).

3 “三教”理念指導(dǎo)“機(jī)械能守恒定律”教學(xué)設(shè)計(jì)的有效教學(xué)分析

參考前面提及的物理規(guī)律有效教學(xué)5大標(biāo)準(zhǔn)與26條細(xì)則,[2]筆者對(duì)該“三教”理念指導(dǎo)的“機(jī)械能守恒定律”物理規(guī)律教學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行如下有效教學(xué)分析.

(1) 喚醒學(xué)習(xí).借助舊知識(shí)的復(fù)習(xí)與關(guān)系歸納,提出未知新關(guān)系的猜想及其研究意義,有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī);突出新知識(shí)的獲取途徑涉及元認(rèn)知的培養(yǎng),有利于學(xué)生長(zhǎng)遠(yuǎn)的物理學(xué)習(xí).

(2) 學(xué)習(xí)內(nèi)容.從機(jī)械能的概念、到“守恒”現(xiàn)象得出物理規(guī)律、到機(jī)械能守恒定律滿足條件、再到與運(yùn)動(dòng)學(xué)公式和動(dòng)能定理的區(qū)別討論,環(huán)環(huán)相扣,邏輯思路清晰,由易到難,符合學(xué)生認(rèn)知特點(diǎn);教學(xué)材料與學(xué)生原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)的知識(shí)具備聯(lián)系,且經(jīng)過(guò)教師加工、豐富,模型討論充分,有利于學(xué)生認(rèn)知形成與發(fā)展.

(3) 學(xué)習(xí)方式.教思考、教體驗(yàn)、教表達(dá)分別對(duì)應(yīng)了物理規(guī)律的感知與領(lǐng)會(huì)、完善與鞏固以及深化與拓展階段,包含豐富的學(xué)習(xí)方式,例如質(zhì)疑與猜想、情境創(chuàng)設(shè)、實(shí)驗(yàn)演示與理論推理的探究過(guò)程、自主思考與合作交流歸納總結(jié)以及促進(jìn)社會(huì)化參與的課堂表達(dá)等.

(4) 教學(xué)過(guò)程.明確教學(xué)目標(biāo)執(zhí)行教學(xué)過(guò)程;把學(xué)生的舊規(guī)律作為新規(guī)律的生長(zhǎng)點(diǎn),例如用動(dòng)能定理推導(dǎo)多個(gè)運(yùn)動(dòng)模型中機(jī)械能守恒的環(huán)節(jié);遵循教師主導(dǎo)、學(xué)生主體的基本原則,多創(chuàng)設(shè)情境、列舉模型,以豐富的素材與巧設(shè)問(wèn)題引導(dǎo)學(xué)生自主思考核心知識(shí);物理規(guī)律形成與應(yīng)用訓(xùn)練課堂分配合理,內(nèi)容豐富、教學(xué)有序.

(5) 學(xué)習(xí)環(huán)境.教師提問(wèn)與學(xué)生表達(dá)課堂比重大,師生交流密切,課堂關(guān)系和諧;實(shí)驗(yàn)器材與演示視頻容易實(shí)現(xiàn),教學(xué)設(shè)施等物質(zhì)條件具備;物理概念學(xué)習(xí)情境創(chuàng)設(shè)合理等.

4 小結(jié)

基于以上教學(xué)設(shè)計(jì)與有效教學(xué)的綜合分析,筆者認(rèn)為,“三教”理念中的“教思考、教體驗(yàn)、教表達(dá)”的思想能夠很好地融入“機(jī)械能守恒定律”的物理規(guī)律教學(xué)過(guò)程,在引例體驗(yàn)與課堂表達(dá)的過(guò)程中有助于學(xué)生深化對(duì)所學(xué)物理規(guī)律的認(rèn)知,培養(yǎng)物理學(xué)科核心素養(yǎng)與綜合能力.基于“三教”理念的物理規(guī)律教學(xué)設(shè)計(jì)也十分契合物理規(guī)律有效教學(xué)的多項(xiàng)要求,并實(shí)現(xiàn)較好的教學(xué)效果.[8]