讓學生在問題解決的過程中建構知識

朱靜

摘 要： 高中物理新課程要體現物理學科本質，培養現代公民必備的物理核心素養，從物理觀念、科學思維、實驗探究和科學態度與責任等方面深入挖掘和提煉科學育人的價值.本節“動能”教學設計通過真實情境引導學生發現和提出問題，讓學生根據解決問題的需要，收集和選擇有用的信息，經歷科學探究、科學推理和科學驗證的不斷完善的過程，逐步建構知識，從中體會科學研究的方法，發展科學思維和科學探究能力.

關鍵詞： 動能;問題解決;核心素養;知識建構

1 理論基礎

1.1 新課程標準的理念

高中物理課程標準基本理念指出引導學生自主學習，提倡教學方式多樣化.高中物理課程通過創設學生積極參與、樂于探究、善于實驗、勤于思考的學習環境，培養和發展學生的自主學習能力.通過多樣化的教學方式，利用現代信息技術，引導學生理解物理學的本質，整體認識自然界，形成科學思維習慣，增強科學探究能力和解決實際問題的能力[1].

1.2 布魯納的認知發現學說

布魯納認為，人的認識過程是把新學得的信息和以前學習所形成的心理框架聯系起來，積極的構成他的知識的過程.在這個過程里面，個人把他的感覺資料和他的世界模式聯系起來，推論出一個關于外部事物的假設，然后用這個事物的一些性質來驗證他的假設.布魯納反對把人的認識過程看成一個在認識上被動的接受者，而把人的認識過程看成是一種積極的構造過程[2].

1.3 建構主義理論

建構主義認為學習是一種個體主動參與的過程.世界是客觀存在的，但是對于世界的理解是由每個人自己決定的，個人是以自己的經驗為基礎來建構現實或解釋現實，個人的經驗不同，對外部世界的理解也會不同.所以建構主義者更關注如何在原有的經驗基礎上來建構新的經驗.在建構的過程中，不斷的通過同化和順應實現對認知沖突的解決，達到新的平衡，從而促進認知的發展.所有的知識都是以先前的知識為基礎進一步發展而成的，并隨著知識基模和環境的互動而改變.[2]

1.3 科學概念理解的發展層級模型

北京師范大學物理系課程與教學論郭玉英教授提出的科學概念的發展層級模型見表1：

整合 學生能由核心概念統整對某一科學觀念（例如物質觀念、能量觀念等）的理解，并建構科學觀念間和跨學科概念（例如系統、尺度等）之間的聯系.

2 結合理論基礎進行的“動能”教學設計思路

2.1 讓學生在問題解決的過程中建構知識

本節課在學生已有的動能概念和動能影響因素的基礎上提出問題：如何尋找動能和質量、速度間的具體關系？通過分析生活中的實例引導學生發現力對物體做功的過程中動能的大小發生改變，進而使學生認識到可以通過研究運動過程中力對物體做的功與物體動能變化量之間的關系來尋找規律，確定了研究的思路.首先設計實驗探究環節，讓學生獲得在實際情境中解決物理問題的體驗，形成把情境和知識相關聯的意識;在實驗事實的基礎上引導學生利用運動學公式和牛頓第二定律，用邏輯推理的方法進行理論研究，最后結合兩方面研究讓學生逐步建構動能的概念，并認識到合力做功與動能變化量間的關系.

本節課核心問題框架如下（如圖1所示）：

2.2 基于進階的教學設計流程圖（如圖2所示）

3 “動能”教學實施過程及設計意圖

3.1 創設情境

教師：海水將貝殼沖到沙灘上、大風將路邊的樹木吹歪（如圖3所示）.運動的物體具有對外做功的本領，說明運動的物體具有能量，物理學中把物體由于運動而具有的能量稱為動能.

提問：動能的大小和哪些因素有關呢？

學生：回顧初中所學過的動能的概念.動能的大小和物體的質量、速度大小有關.質量相同時，速度越大，動能越大;速度相同時，質量越大，動能越大.

【設置意圖】復習初中動能的概念，復習初中動能大小的影響因素.

3.2 分析確定研究思路

提問：如何比較圖4中兩個物體動能的大小？

學生：無法比較二者動能

教師：無法比較質量和速度都不同的兩個物體的動能大小.我們還需要去尋找動能和質量、速度之間的更加具體的關系.

提問：怎么來尋找呢？

教師演示：小球下落，下落過程中動能變了嗎？

學生：重力和阻力的作用，合力向下，使物體加速，動能變大.

教師：可以用牛頓定律的知識來解釋.換一個角度，物體下落的過程中重力、空氣阻力的合力對物體做功，物體動能發生了改變.

學生：舉出生活中力對物體做功使物體動能發生改變的實例.

確定研究思路：

力對物體做功，物體的動能變化→力對物體做功和物體動能關系→力對物體做功和物體速度關系

【設計意圖】通過問題設計，引出尋找動能與質量、速度關系的必要性，引出本節課的主題.引導學生從力做功與動能變化關系的角度去研究問題.

3.3 實驗探究

教師：物理常用的研究方法有實驗探究和理論推導，下面來進行實驗探究.首先控制質量不變，探究力對物體做功和物體速度關系.課堂上先選一個比較簡單、比較容易操作的運動情境來進行實驗探究.選什么樣的運動情境來研究呢？

學生：分析討論最后確定研究對象做落體運動.

提問：落體運動中需要測量哪些物理量？分別需要什么實驗儀器進行測量呢？具體實施方案是什么？

學生：（1）測量不同位置的物體速度;功不可以直接測量，可以測出重力、重力方向上下落的高度，計算出功.（2）測量速度用光電門，減少課堂上處理紙帶時間.（3）計算得出從初始釋放點到不同位置重力做的功，測量出不同位置的速度，分析數據，尋找規律.

【設計意圖】設計實驗探究的方案.

教師：物體下落過程中還不可避免的會受到空氣阻力，空氣阻力的影響不大的情況下可以把它忽略，這樣研究的運動情境就變成了自由落體.

【設計意圖】滲透“理想化模型”的物理思想.

教師介紹實驗裝置（五個傳感器并列固定在鐵架臺上如圖5所示），進行課堂實驗.

【設計意圖】進行實驗探究，給學生以直觀的體驗.

師生共同進行實驗數據處理.

學生：討論如何尋找W和v的關系，利用Excel表格處理 數據，最后得出W和v2成正比的關系（如圖6所示）.

提問：實驗得出的這個規律對你有什么啟發？

學生：動能的表達式中應該有v2，而且力做的功W應該還與質量m有關，應該再探究一下力做的功和質量m的關系.

教師：改變下落物體的質量m，得到多組實驗數據（如圖7、圖8所示）.觀察數據能發現什么規律？

學生：發現m越大，k越大，k近似的為m的1/2.

【設計意圖】利用傳感器進行實驗，能夠快速的得出不同位置的速度，在課堂上利用Excel進行數據處理，培養學生的數據處理和分析的能力.通過實驗事實使學生認識到：w和v2平方成正比，而且比例系數和質量m有關.

3.4 理論推導

教師：由于實驗過程中阻力的存在，還有測量誤差的關系，無法得到一個精確的關系式，研究物理問題還有一種常用的方法是理論推導，試試從理論上推導看看會有什么收獲.

提出問題：理論推導自由落體過程中任意兩個位置之間重力做功W與m、v的關系（如圖9所示）.

教師：推導過程中如果需要用到其他的物理量可以先假設，最后要消掉.

學生：利用所學的運動學知識和牛頓定律的知識進行理論推導，推導出后找一個學生將推導過程在黑板上進行板書.

學生將表達式進行整理，把位置1的相關物理量和位置2的相關物理量分開寫，得出表達式：W= mv22/2- mv21/2

教師：這個關系又能給你帶來哪些啟發或思考呢？可不可以幫助我們找到動能與m、v的具體關系呢？

學生：因為力對物體做功，物體的動能在變化.而m和v剛好是動能的兩個影響因素， mv2/2這個量可以用來表示動能

教師：實驗探究的結果和理論推導的結果是一致的.

提問：自由落體運動物體只受一個力作用.如果物體同時受多個力的作用，哪個力的功等于物體動能的變化量？

學生：推導落體運動不忽略空氣阻力情況下，力做功與物體動能變化的關系.最后得出結論：這個過程中合力的功等于動能的變化量

【設計意圖】在實驗探究的基礎上進行理論推導，幫助學生在頭腦中建構更完整更嚴謹的知識體系.并進一步完善已有知識，得出規律：合力做的功等于動能的變化量.

3.5 小結

教師：這節課我們分別從實驗探究和理論推導兩個角度去尋找動能和m、v的具體關系，動能的表達式為：

Ek= mv2/2.

在這個尋找的過程中還發現了一個重要的規律，力對物體做的功和動能變化量的關系：

W= mv22/2- mv21/2.

3.6 拓展

（1）課后閱讀：查閱資料了解一下歷史上科學家們尋找動能表達式的過程.

（2）物體下落過程中重力勢能減少，動能增加，那總的能量如何？

4 教學反思

本節課實施后，結合課堂實施情況進行以下反思，并提出改進思路：

4.1 教師創設問題情境后如何更有效的引導

本節課不足之處：引入新課教學的環節中，教師提出了“如何比較質量和速度都不一樣的兩個物體的動能的大小關系？”，學生回答出“無法比較”后，教師很快提出“這節課的主題為研究動能和速度、質量之間更加具體的關系.”

【改進思路】教師在課堂上創設了某種情境，不應直接提出要研究的問題，而應讓學生在觀察后有所思考，引導學生進行科學的思維，自己提煉出應該探究的科學問題.培養學生把生活中的真實情境和物理知識相關聯的能力.

4.2 小組討論學習的有效性

本節課不足之處：小組討論環節中由于老師的問題設計啟發性不足，導致有些學生在討論時思路不是很清楚;在小組討論后全班交流的環節，由于時間的關系沒有讓學生充分的暴露出自己的困惑.

【改進思路】教師應盡可能的去引導學生發現和提出問題，設計由淺入深的啟發式的問題引導學生思考，盡可能讓學生自己得出相應的結論，培養學生的科學思維能力;當學生的結論中有錯誤時教師不要著急更正，而是讓學生充分暴露出自己的問題，引導再次討論和交流，在同伴的幫助下更正問題，培養學生的質疑精神和解決問題的能力.

4.3 注意知識之間的融會貫通

本節課不足之處：在實驗探究環節中，利用Excel表格處理數據得出W和v2成正比的關系后，學生討論提出猜想：力做的功W應該還與質量m有關，應該再探究一下力做的功W和質量m的關系.教師緊接著就進行實驗探究“力作的功W與質量m的關系”.

【改進思路】學生提出“力做的功W應該還與質量m有關”，教師可以引導進一步思考這樣猜想的依據是什么，在進行實驗探究驗證猜想之前可以從單位制的角度去初步驗證這一猜想是否正確.在教學的過程中遇到合適的時機可以將相關的知識進行恰當應用，注意知識之間的融會貫通.

4.4 知識拓展環節的設計

本節課不足之處：得出動能概念及合力做功與動能變化量之間的關系之后，雖然提出了“動能和重力勢能都變化時總量如何？”，但是對啟發學生思考方面效果不夠好.

【改進思路】啟發學生思考還有那些問題需要研究，給學生發表自己觀點的機會，讓學生將頭腦中困惑的地方都暴露出來，激發學生的物理學習熱情，為后續的學習做準備.

5 小結

本節內容是在學生知道了重力做功與重力勢能之間關系的基礎上，進一步用做功與能量的關系探索另一種能量：動能，并在探索的過程中認識到合外力做功與動能變化的關系.本節課對學生理解 “功是能力變化的量度”這個核心觀念起著很重要的作用.通過本節內容的學習，深化了學生對功的概念的理解，拓展了求功的思路，為機械能守恒定律的學習打下基礎，本節內容是本章的關鍵內容，也是重點內容.讓學生經歷動能概念的建構過程，對發展學生的能量觀念和培養學生的科學思維方式、科學研究方法都起到很重要的作用.

學生已經知道動能的概念和動能與質量、速度之間定性的關系，本節課是在學生原有知識基礎上延伸和提升，實現知識結構的發展和完善;學生已具有一定的實驗方案設計能力、實驗數據處理的能力，在圖線處理時能夠通過改變坐標量把關系不明的曲線轉化為關系較明朗的直線;學生具備了相關的運動學知識和牛頓力學的知識， 有自主進行理論推導得出功和動能變化之間關系的能力.在總結歸納動能的表達式過程中，要求學生具有高度的分析和概括能力，這對學生來說有一定的困難，需要教師的引導.

以往的教學設計通常將實驗探究和理論推導分為兩課時，把側重點放在實驗操作或是理論推導的公式應用上，不能很好的突出動能概念的建構過程.本教學設計圍繞“尋找動能和速度、質量之間的具體關系”這一主線展開，首先通過分析生活中的實例引導學生發現“力對物體做功的過程中動能的大小發生改變”，進而認識到可以通過研究運動過程中力對物體做的功與物體動能變化量之間的關系來尋找規律，確定了研究思路;接著設計實驗探究環節，在課堂上利用光電門傳感器進行實驗，并利用Excel處理實驗數據， 可以快速方便的得出實驗結果，進而將側重點放在對實驗結果的分析討論上;在充分討論的基礎上引導學生利用所學公式進行理論研究，并再次對推導的結果進行分析討論，最后結合兩方面研究讓學生逐步建構動能的概念，這樣設計有利于學生動能概念建構過程的完整性.通過真實情引導學生發現和提出問題，讓學生根據解決問題的需要，收集和選擇有用的信息，經歷科學探究、科學推理和科學驗證的不斷完善的過程，逐步建構知識，從中體會科學研究的方法，發展科學思維和科學探究能力.

參考文獻：

[1] 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版）[M].北京：北京師范大學出版社， 2017.

[2] 林崇德，張奇.學習理論[M].武漢：湖北出版社，2001.