基于核心素養導向下的高中物理教學設計
——以“探究彈性勢能的表達式”為例

宋海峰 薛麗娟

(江蘇省天一中學，江蘇 無錫 214101)

1 教學指導思想

新一輪基礎教育課程改革中,迎接物理課堂教學轉型的挑戰,難以繞過“物理核心素養”這一重要問題．物理核心素養是學生在接受物理教育過程中逐步形成的適應個人終身發展和社會發展需要的必備品格和關鍵能力,是學生通過物理學習內化的帶有物理學科特性的品質,其主要由物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任等4個方面的要素構成．物理學科的核心素養相對三維目標而言,是站在一個更高的物理文化層面對高中物理教學提出的要求,超越對具體知識的學習,但又是以具體知識為載體,引導學生通過高水平的思維活動,實現由“知識傳遞”向“知識建構”轉型．

2 教學過程

2.1 創設情境,激思導入

圖1

情景1:如圖1所示,重物A的質量為m,置于水平地面上,其上表面連接一根豎直的輕質彈簧,彈簧的長度為x0,勁度系數為k．現將彈簧的上端P緩慢地豎直上提一段H,當重物A剛要離開地面時,則:

問題1:此時重物A具有的重力勢能為多少(以地面為參考平面)?

問題2:那通過拉力做功轉化而來的能量呢?

情景2:播放體育運動項目視頻:撐桿跳高、拉弓射箭、跳板跳水.

問題3:請同學們仔細觀察彎曲的桿、拉開的弓、壓彎的跳板,從能量角度談談它們共同的特征是什么?請同學們再舉幾個物體具有彈性勢能的例子?

設計思想:物理學的概念、規律是人們在大量觀察和實驗的基礎上,經過反復的科學抽象而形成的,具有很強的抽象性和邏輯性．如果教師只是一味地讓學生在抽象的問題中去探究那些干巴巴的結論,學生就會因此而厭倦,學習興趣就會因此而冷淡．這就要求教師在物理概念導入時不僅要科學、準確,而且還要引趣、激思,恰到好處的導入能創設良好的教學情境,幫助學生啟迪思維．情景1的設計簡潔、準確、設疑、激思,能溫故知新．情景2的三段學生喜聞樂見的體育運動項目視頻,將形、聲、色、光、動、靜融為一體,突破時空的限制,讓學生身臨其境般地體驗物理概念形成的過程,這對幫助學生建立能量的觀念,理解能量守恒的物理思想,培養學生的物理核心素養具有關鍵性的作用．

2.2 以生為本,點出主題

問題4:關于彈性勢能,你已經知道了哪些知識?還想知道哪些知識呢?

設計思想:基于“核心素養”導向下的課堂教學應該由“知識傳遞”轉向“知識建構”,即從“教堂”轉向“學堂”．真正的“學堂”,學生應該成為課堂的主導者,而非被迫的接受者;教師應該成為課堂的協助者,而非主宰者．教師應該讓學生根據自身知識的特點,今后發展的需要,自主決定課堂探究的主題,只有這樣,才能打造“學生會的教師一定不講,教師講的一定是學生最想聽的”高效課堂．

2.3 科學探究,尋找規律

(1) 提出問題,猜想假設.

問題5:你認為彈性勢能Ep可能跟哪些因數有關呢?依據是什么?

學生猜想:形變量x、勁度系數k．生活依據:生活中拉彈弓,橡皮筋的形變量越大,石子被彈得越遠;橡皮筋根數越多,石子被彈得越遠．

學生體驗:感受彈性勢能Ep與形變量x、勁度系數k的關系(提供一軟一硬兩根彈簧)

問題6:通過你的親身體驗,你覺得Ep與x、k存在怎樣的關系?

設計思想:牛頓說過:“沒有大膽的猜想,就做不出偉大的發現”,物理學史上很多偉大的發明和發現都源于猜想．猜想作為科學探究中的重要環節,在培養學生創造性思維,發展學生的科學探究能力等核心素養方面有著不可替代的作用．在課堂教學中,教師要為學生的猜想假設提供開放的環境和充足的時間,給學生暢所欲言的機會,允許學生突發奇想,甚至異想天開．學生根據自己的生活經驗以及教師創設的情境親身體驗后應該比較容易就能得出彈性勢能跟形變量和勁度系數有關,且形變量越大,彈性勢能越大;勁度系數越大,彈性勢能越大的定性結論．但彈性勢能與形變量和勁度系數到底存在怎樣的定量關系,學生就會存在思維的瓶頸,學生大多只能猜想到彈性勢能與勁度系數成正比,而與形變量的關系,有學生會猜想可能與形變量成正比,也有學生會猜想可能與形變量的平方成正比……通過猜想假設,能極大地調動學生學習的主動性和積極性,激發學生探索新知的欲望．教師要放開手腳,解放學生的頭腦,抓住每一個可以讓學生猜想的機會,鼓勵學生大膽猜想,敢于懷疑,以此培養學生的創新精神．

課堂生成:教學中,在大家還在糾結彈性勢能到底與形變量成正比還是形變量平方成正比時,一位學生站起來回答說彈性勢能應該與形變量的平方成正比．理由是首先他也認為彈性勢能Ep與彈簧的勁度系數k成正比,如果彈性勢能Ep與形變量x成正比,則彈性勢能Ep正比于勁度系數k和形變量x的乘積,這樣Ep的單位J與k和x乘積的單位N前后不統一;如果彈性勢能Ep與形變量x2成正比,則彈性勢能Ep正比于勁度系數k和形變量x2的乘積,這樣Ep的單位J與k和x2乘積的單位J前后就可以統一了．德國教育學家第斯多惠說過:“一個壞的教師奉送真理,一個好的教師教人發現真理．”“石本無火,相擊而發靈光”,教師要多通過提出問題、討論交流等方式留下“空白”,引發學生思考與探究;教師要多通過耐心傾聽、允許出錯等方式抓住課堂的生成,激發學生質疑意識與潛能,這對培養學生的創新思維有重大的現實意義．

(2) 設計方案,交流評估.

問題7:研究一個物理量與兩個物理量間的關系,采用什么方法?

問題8:分組討論設計實驗方案,各小組代表把自己小組的實驗方案作一簡要的匯報交流．

提醒學生請從下列四個方面入手: ① 明確實驗目的; ② 設置實驗情景; ③ 選用實驗器材; ④ 擬定實驗方法．

圖2

方案1:如圖2所示,將彈簧的下端固定．保持勁度系數k一定,將小球向下壓縮到不同位置,測量彈簧的形變量x,測出物體上升的最大高度h,研究Ep(h)與x的關系;保持壓縮量x一定,將小球向下分別壓縮不同型號的彈簧,測出物體上升的最大高度h,研究Ep(h)與k的關系．

圖3

圖4

方案3: 該方案與方案2類似,只不過速度v不是通過光電門測得,而是通過平拋運動規律測得．由平拋原理s∝v0,得到Ep∝s2,改變形變量x,從而研究Ep與x關系．

學生討論:

圖5

方案1理論可行,但實際操作中存在兩個問題:① 小球彈起過程中不能保證豎直② 小球上升到的最高點如何確定．改進如圖5,彈簧下端固定在鐵架臺上,小球改為小環,這樣可以保證小環在豎直方向上升,不足之處物體與豎直桿的摩擦有時比較大．關于小環上升到最高點位置的確定,可以參考平拋運動實驗中軌跡確定的方法,即用筆尖在小環可能到達的最高點等待．

圖6

方案3理論可行,暫時沒有想出改進方案．

設計思想:著名教育家蘇霍姆林斯基說過:“在人的心靈深處,都有一種根深蒂固的需要,這就是希望自己是一個發現者、研究者、探索者,而在青少年的精神世界中,這種需要特別強烈．”所以教師在進行實驗指導時,要擺脫以教師中心的束縛,將課堂的時間盡最大可能還給學生,只有在學生出現思維障礙時,方可給予指導,真正做到“貴在引導,要在轉化,妙在開竅”．教師要讓學生參與物理實驗的設計過程,多讓學生想想應該怎么做,說說為什么這么做,以此打開學生的思路,啟迪學生的思維;教師要讓學生親歷物理問題的解決過程,多讓學生議議實驗方案中的問題,談談自己的新見解,以此培養學生克服困難的堅強意志,體驗和享受合作的成果,在潛移默化中培養學生的科學思維能力和鍥而不舍的創新精神．

(3) 學生實驗,分析論證.

提供器材:鐵架臺、粗細0.8 mm長12 cm內徑的彈簧一根、粗細1.5 mm長12 cm內徑的彈簧一根、PVC圓管兩個(長2.5 cm,外徑17 mm)、米尺

學生根據按照方案1的改進方案分組實驗,教師巡視指導,最終學生得到彈性勢能與勁度系數成正比,與形變量平方成正比的結論．

設計思想:“紙上得來終覺淺,絕知此事要躬行”,只有親身經歷過的事情,印象才是最深刻的．通過分組實驗,讓學生深度參與實驗過程,親歷思維的發展歷程,不僅能培養學生的實驗動手能力與語言表達能力,增強學生的協同意識與合作精神,而且對學生形成嚴謹求實的科學態度,終身學習的意識等核心素養有著深遠的意義．

(4) 理論探究,體驗邏輯力量.

問題9:請同學們回憶一下我們研究過的重力勢能與重力做功的關系?能否通過類比得出彈性勢能與彈性做功的關系呢?

問題10:再請同學們回憶一下,我們是怎樣得到重力勢能的表達式的?能否運用同樣的思路,來分析彈力做功的情況呢?

圖7

問題11:有一原長為x0,勁度系數為k的彈簧,一端固定．在外力F作用下,緩慢從O拉到A,伸長量為x,則此過程中彈簧彈力所做的功?

鋪墊1:彈簧彈力在拉伸過程中是否發生變化?

鋪墊2:變力做功可以怎么處理?我們以前有沒有學過類似的方法?

鋪墊3:重力勢能具有相對性,同樣彈性勢能也具有相對性,一般取原長處為彈性勢能零點．

學生思考,討論,交流.

方案1： 微元法

把彈簧從O到A的過程分成很多小段Δx,在每個小段Δx上,彈力可以看成恒力

W=W1+W2+…+WN=

-(kΔx·Δx+k2Δx·Δx+…+kNΔx·Δx)=

因為W=-ΔEp=-(Ep-Ep0)=-Ep.

方案2: 圖像法

圖8

類比遷移: 勻加速直線運動的位移:v-t圖像中應用微元法; 外力F(變力)做的功:F-x圖像中應用微元法

因為WF=ΔEp=Ep-Ep0=Ep-0，

設計思想:美國著名物理學家密立根說:“科學靠兩條腿走路,一是理論,一是實驗．有時這一條腿走在前面,有時另一條腿走在前面,但只有使用兩條腿走路才能前進．”可見,理論探究與實驗探究相結合的方法才是最科學的研究方法,更具有嚴謹性和說服力．教師通過創設問題情境,引導學生重演物理規律發現的過程,加深學生對規律的認識,體悟探究中運用科學方法．首先通過重力勢能表達式探究的過程類比確定彈性勢能表達式探究的方向,然后分析發現彈力是變力的問題,再通過借鑒勻變速運動中利用微元法化變為不變的思想,利用等差數列求和公式或圖像法解決問題．通過彈性勢能表達式的理論探究,滲透類比、微元、圖像等物理思想方法,培養學生運用數學知識解決物理問題的能力以及知識的遷移能力,最終達到發展智力,培養學生的科學思維能力．

倡導基于核心素養的課堂教學是新時代教育的訴求,這種訴求說到底就在于實現課堂的轉型,即由“教堂”轉為“學堂”,由“知識為本的物理教學”轉為“培育核心素養為主的物理教育”．在此思想指引下,教師要突出學生學習的主體性,充分相信學生,讓學生在富有活力的課堂上自主探究．讓我們一起努力,使核心素養在物理課堂茁壯成長.