核心素養(yǎng)視域下的“勢能及其改變”教學設計

劉玉樹　許芙蓉

摘 要：“勢能及其改變”是高中物理能量部分的重要內(nèi)容.核心素養(yǎng)是新一輪課改的焦點，是教育教學發(fā)展的根本宗旨.以“勢能及其改變”為例，闡述了在物理課堂中如何提升學科核心素養(yǎng).

關鍵詞：勢能;核心素養(yǎng);教學設計

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）07-0052-04

作者簡介：劉玉樹（1969-），男，福建莆田人，本科，中學高級教師，研究方向：中學物理教學;

許芙蓉（1995-），女，福建莆田人，碩士，中學二級教師，研究方向：中學物理教學.

1 教學目標設計

本節(jié)為魯科版（2019年版）高中物理必修第二冊第一章第4節(jié)的內(nèi)容.能量是物理學中重要的概念之一，而對能量概念的精準把握和體系構建卻是物理教學中最困難和抽象的.“勢能”是能量的一個下位概念，是繼“動能”之后學生接觸的另一能量形式，深刻理解并掌握本節(jié)內(nèi)容，將為后續(xù)的機械能、電勢能等的學習奠定堅實基礎.

課程標準要求學生“理解重力勢能”，并“知道重力勢能的變化與重力做功的關系.定性了解彈性勢能[1]”.學生在初中階段已接觸并學習了重力勢能和彈性勢能的定義，對功的理解和計算也有了相應的學習基礎，日常生活中勢能的相關經(jīng)驗也較為豐富，但是高一學生的抽象思維能力、類比遷移能力仍較為薄弱，對于“重力勢能”的定量表達式及其與“重力做功”的關系很難把握清楚.根據(jù)課程標準的要求和物理學科核心素養(yǎng)的總體目標，結合“勢能及其改變”的內(nèi)容特點及學情，本節(jié)課的教學目標設計如下.

1.1 物理觀念

通過理論推導和實驗驗證，初步建立“重力勢能”概念，進而建立其上位概念——勢能，形成能量觀念.經(jīng)歷例題計算結合所學，解決實際問題;通過演示實驗，觀看相關視頻，體驗“勢能”的力量，進而學會用其描述并解釋生活中相關物理現(xiàn)象.

1.2 科學思維

通過對本章“功和機械能”知識脈絡的展示，領悟并學會歸納，提升科學推理能力;先后經(jīng)歷了在驗證和思考為何重力做功相等的過程，學會尋找和使用證據(jù)來表達自己的觀點;對不同知識的呈現(xiàn)方式提出質(zhì)疑，學會從不同角度思考物理問題;在探究重力做功的特點時，通過問題引導，感受從理論和實驗兩種不同方式解決物理問題的方法.

1.3 科學探究

在分析了兩條山路的區(qū)別和共性后，能依此提出問題，根據(jù)所探究的問題在教師引導下設計實驗方案;根據(jù)實驗結果和數(shù)據(jù)進行科學分析并處理，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)特點，并具備形成合理結論的素養(yǎng);能對科學探究過程和結果進行交流、評估、反思.

1.4 科學態(tài)度與責任

了解勢能在生活中的應用，認識到物理來源于生活又服務于生活的科學本質(zhì);通過重力勢能概念的形成過程認識到物理學是人類對自然現(xiàn)象的描述和解釋，感受物理概念建立的必要性和簡潔性;通過實驗探究過程，認識到物理概念是建立在實驗研究基礎上，養(yǎng)成尊重事實、嚴謹認真的科學態(tài)度;同時，培養(yǎng)了學習和研究物理的興趣和熱情，養(yǎng)成樂于與他人合作共享成果的態(tài)度和習慣.通過對“勢能”概念的應用和實例分析，感悟物理在生活中的應用價值;通過對生活現(xiàn)象的解釋加強安全意識，養(yǎng)成不高空墜物、遵紀守法的良好習慣，促進STEM教育發(fā)展，進而成為一位合法公民.

2 教學設計思路

根據(jù)擬定的教學目標，本節(jié)課的教學設計以“科學探究”為主線，在科學探究中完成“勢能”概念教學，兼顧落實物理學科核心素養(yǎng)，整體設計思路如圖1所示.

3 教學環(huán)節(jié)設計

3.1 復習舊知，新課引入

問題：（1）勢能分為哪些？（2）什么是重力勢能、彈性勢能？（3）重力勢能大小與什么因素有關？

向學生展示本章大致的知識脈絡（如圖2）.引導學生回憶以上問題，以此引入本節(jié)課所學——“勢能的改變”.

設計意圖：通過問題復習引入讓學生溫故而知新，知曉初中僅是對勢能的定性了解，高中須進行較為深入的定量分析，了解初高中知識的關聯(lián)和遞進關系，帶著本節(jié)課的任務走入課堂，做到心中有數(shù)，使學生更快地進入學習狀態(tài)，促進物理觀念的建立和提升.通過展示知識脈絡圖，一則讓學生對本章內(nèi)容有更為宏觀的認知，二則借助知識與知識之間的聯(lián)結培養(yǎng)學生科學推理的素養(yǎng)，其中對“功”和“動能”相關內(nèi)容的回顧也為本節(jié)課的教學做了相應鋪墊.

3.2 科學探究，發(fā)現(xiàn)特點

問題1：如圖3和圖4，汽車上山時，通常選擇蜿蜒曲折的大路，相較于直抵山頂?shù)穆?，二者有何區(qū)別和共性？

問題2：導致這一共性的原因是什么？

學生思考討論發(fā)現(xiàn)，無論是省距離費力直抵山頂?shù)穆罚€是省力費距離蜿蜒曲折的山路，二者做功均相等，都不省功.教師引導學生學會將真實問題情境轉變?yōu)槲锢砟Ｐ?，如圖5所示，分別求出汽車在兩種情形下的重力做功大小.直線AO表示直抵山頂?shù)纳铰?，設沿該途徑重力做功為WA;折線BCDO表示蜿蜒曲折的山路，同樣設其重力做功為WB.學生親自動筆計算，投影展示并比對計算結果，如圖6所示，從而初步得到驗證——汽車沿兩條山路行駛確是重力做功相等.

對第2個問題，由于前面的推導，學生明白導致兩次做功一樣是因為高度相同.最后學生在教師的啟發(fā)下得出結論：兩次重力做功之所以相等是因為高度差一樣，重力做功與路徑無關，只與高度差有關.

問題3：從理論角度已初步驗證了重力做功只與高度有關，能否通過實驗更深一步驗證？又該如何設計實驗和表格？

教師引導學生設計實驗：當兩次實驗物體的高度差一樣時，路徑不同的重力做功情況，當改變高度差時，重力做功是否發(fā)生變化.實驗如圖7所示.將兩個大小質(zhì)量都相同的帶有遮光條的小球A、B系于長度不同但都懸掛于O點的細繩上，選定兩個平面a、b，其距地面的高度分別為h1、h2，并在a平面安裝有2個光電門1，在b平面裝有2個光電門2，即可借助光電門獲得A、B小球在a、b平面時的動能，完成表1，根據(jù)動能定理，可以求出兩球在不同路徑、相同高度差時的重力做功大小，間接驗證了重力做功只與高度差有關的結論.

設計意圖：以身邊熟悉的情境“山路十八彎”作為切入點，創(chuàng)設物理情境，填表分析，發(fā)現(xiàn)問題，建立模型，從理論上初步驗證;進而設計實驗和表格，進行實驗探究，分析實驗結果，總結實驗結論，理論演算與實驗研究相結合，體驗科學探究的過程，感悟嚴謹?shù)目茖W態(tài)度，發(fā)展合作和創(chuàng)新意識.分析綜合并得出結論增強學生理論與實際相結合的意識，滲透以物理學視角描述并解釋生活情境的科學論證和科學推理的素養(yǎng).在培養(yǎng)建模能力的同時，提高其從情境中發(fā)現(xiàn)和提出問題的本領.相較于常規(guī)的理論推導單調(diào)性，本環(huán)節(jié)以學生為主體、教師為主導，在這一系列的教學啟發(fā)和誘導下，合作學習和探究學習相結合，基于最近發(fā)展區(qū)理論，學生更為深入地理解了重力做功的特點，為重力勢能概念的建立奠定了重要且堅實的基礎.

3.3 找出關聯(lián)，建立概念

問題1：如果汽車上山之后又返回至出發(fā)點，該過程重力做功等于多少？

問題2：合外力做功對應動能的改變，重力做功又對應什么能量的改變？

問題3：重力做功與該能量是什么關系？

前面的理論推導和實驗探究得出重力做功僅與始末高度差有關，汽車上山后返回出發(fā)點的高度差為零，因此該過程重力不做功，這反映重力做功具有保守性，如果一個力所做的功僅由受力質(zhì)點的始末位置決定，而與受力質(zhì)點所經(jīng)歷的路徑無關，這種力叫作保守力[2].

已知重力做功的表達式可寫為WG=mgh1-mgh2.根據(jù)動能定理，類比遷移可知，重力做功一定也伴隨著某個能量的改變，觀察發(fā)現(xiàn)，這個能量的表達式為mgh，故其應代表一種能量，該能量與重力和位置密切相關，物理學中將mgh稱為重力勢能，其表達式書寫為Ep=mgh，單位是焦耳，屬于標量，同時也是狀態(tài)量.

要解決問題3，需回到剛才重力做功的表達式，所以WG=Ep1-Ep2，又因為變化量為末態(tài)減初態(tài)，ΔEp=Ep2-Ep1，所以有WG=Ep1-Ep2=-ΔEp，引導學生思考如何理解該關系，意為重力做正功，重力勢能減少，重力做負功，重力勢能增加.

設計意圖：依據(jù)重力做功的特點，計算當始末位置相同時的重力做功，以此引入重力做功的保守力特點，進而為“勢能”概念的建立甚至后續(xù)的“彈性勢能”“電勢能”做鋪墊.根據(jù)建構主義思想，將重力做功與合外力做功進行聯(lián)結構建，提升學生的類比遷移的學習能力，培養(yǎng)了科學推理的素養(yǎng).整個過程“重力勢能”概念的獲得、觀念的生成水到渠成、一氣呵成，學生對此也有了更為深刻的理解，同時也形成了更為完備且結合緊密的知識框架.展示了物理學科的系統(tǒng)性和邏輯嚴謹性，發(fā)展了對科學的興趣和熱情.

3.4 結合實例，深入理解

問題1：重力勢能中的高度h是相對于誰的高度而言？

問題2：重力勢能有哪些特點？

問題3：回憶機械功的大小比較方法，重力勢能的大小如何比較？

多數(shù)學生會認為h是相對于地面的高度，教師肯定了大多數(shù)情況下地面為參考平面，但是繼續(xù)反問，只能是地面嗎？回憶上學期的“參考系”概念，它的選取只能是地面嗎？學生恍然大悟，此時引入零勢能參考平面的概念.對于同一個物體，相對于不同的零勢能參考平面，所對應的高度不同，自然此時的重力勢能也不同.從而推出重力勢能具有相對性的特點.

為進一步探究重力勢能的特點，針對以下兩種情境，質(zhì)量為1kg的小球分別在不受空氣阻力（如圖8（a））和受空氣阻力的作用下（如圖8（b））從A位置運動到B位置，已知h1=2m，h2=1m，f=2N，g取10m/s2.學生完成表2和表3.

觀察表格數(shù)據(jù)，分小組討論得出結論：（1）物體在各處的重力勢能與零勢能面的選取有關，但在初末位置一定時，重力勢能的改變量與其無關;（2）重力勢能的改變量等于重力做功的負值，與是否受其他力無關;（3）重力勢能雖然是標量但是有正負.

教師提問：功和重力勢能都是標量且有正負，功的正負表示動力或阻力，比較大小看絕對值，重力勢能也如是嗎？實則否然.在完成表格時，學生已經(jīng)有了初步感知，物體位于零勢能面以上，重力勢能為正，位于以下，重力勢能為負.類比數(shù)軸或溫度計，正數(shù)一定大于負數(shù)，因此與功不同，重力勢能大小比較即為數(shù)學上的數(shù)字大小比較，數(shù)字大的重力勢能大.

教師補充：重力是由于地球的吸引而產(chǎn)生的，勢能也稱位能，與相互作用的物體的相對位置有關.重力勢能是由地球和地面上物體的相對位置決定，因此重力勢能實則是物體與地球所構成的系統(tǒng)共同擁有的，平時所說的“物體的重力勢能”是一種簡化的說法.

物體因為發(fā)生彈性形變而具有的能量稱為彈性勢能.而彈性勢能與形變的大小和勁度系數(shù)有關.如對同一根彈簧，形變量越大，對外做功的本領越大，所具有的彈性勢能也越大，同樣的，對相同的形變量而言，勁度系數(shù)大的物體，在恢復原狀的過程中對外做功越多.教師提問，彈性勢能與彈力做功有什么關系.學生類比重力勢能與重力做功，容易得出，彈力做正功，彈性勢能減少，彈力做負功，彈性勢能增加.

設計意圖：通過問題和師生互動，暴露學生的前概念，認為高度一定是相對于地面而言，與零勢能參考平面的引入形成認知沖突，學習了參考系選取的任意性，對零勢能參考平面的理解并無障礙.通過對問題情境的相關物理量求解和計算，讓學生自主學習，發(fā)現(xiàn)規(guī)律，提高學生的學習能動性和積極性，知識在頭腦中的留痕也更為深刻和清晰.培養(yǎng)了發(fā)現(xiàn)問題和歸納綜合的能力，進一步發(fā)展科學思維、科學探究和科學態(tài)度的核心素養(yǎng).在彈性勢能的學習中，深刻體會“類比法”在物理學習中的重要地位.

3.5 應用概念，聯(lián)系實際

問題：勢能在日常實際生活中有哪些應用，如何有效利用和防止？

教師提前布置學生，分小組收集勢能在生產(chǎn)生活中的應用資料并展示.

情境：地鐵車站的軌道為何往往建得高一些？如圖9所示.進站后一般需要減速，軌道有一定坡度從能量上講可以將動能轉化為重力勢能，減緩速度，可以減少由于剎車所造成的耗損;出站時重力勢能轉化成動能，無需額外加速，節(jié)約能源.

情境2：勢能在體育競賽中的應用.如撐桿跳、跳水、蹦床、舉重、射擊、射箭等;勢能在生產(chǎn)生活實踐的應用.如游樂場的滑滑梯、小孩玩的蹦蹦床，打樁機，水壩等.如圖10所示.

情境3： 勢能在生活實際中的防范.讓學生自由發(fā)言討論，提出相關防范舉措.如處于高處的物體具有重力勢能，因此要禁止高空拋物;如雪崩的極大殺傷力;物品不放在陽臺護欄處，以免不慎掉落砸傷來往的行人或車輛;安裝好防盜網(wǎng)，看管好小孩.如圖11所示.

設計意圖：該環(huán)節(jié)意在讓學生做個生活的有心人，無論在校內(nèi)或校外，學會用所學的知識解釋生活現(xiàn)象，進一步實現(xiàn)創(chuàng)造和創(chuàng)新.在解釋和提出解決措施中，既鞏固了本節(jié)課所學，還滲透了社會責任，提出并解決問題的核心素養(yǎng).

參考文獻：

[1]中國人民共和國教育部.普通高中物理課程標準[M].北京：人民教育出版社，2018.

[2]漆安慎，杜嬋英.普通物理學教程 力學（第三版）[M].北京：高等教育出版社，2012.

[3]許芙蓉，歐劍雄.核心素養(yǎng)視域下的“加速度”教學設計[J].物理教師，2020，41（10）：10-13.

（收稿日期：2020-12-14）