基于魔術實驗的初中物理遞進式問題教學設計

李少帶

【摘要】以人教版初中物理第十一章第四節機械能及其轉化為例，進行基于魔術實驗的遞進式問題教學設計，導入魔術實驗，引發認知沖突，激發學習興趣，開展遞進式問題教學，推動學生認知過程維度從低階向高階過渡。

【關鍵詞】初中物理;魔術實驗;遞進式問題;機械能及其轉化;科學思維

培養和提高中學生的物理學科核心素養是我國新課程標準的基本理念，也是廣大物理教學工作者的主要教學目標。物理學科核心素養主要包括物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任四個方面。

筆者以人教版初中物理第十一章第四節機械能及其轉化為例，進行基于魔術實驗的遞進式問題教學設計。本教學設計通過引入魔術實驗，培養和提升科學思維，達成新知識的建構，提高學生核心素養。

一、教學內容及目標

（一）教材解讀

機械能及其轉化是第十一章“功和機械能”的最后一節內容，是對前一節知識的概括與延伸。

（二）教學目標

二、學情分析

根據初中生學習心理特點，具體、形象、感性的知識比抽象的知識更易于被學生接受。另外，遞進式問題教學設計能適合各個層次學生的學習需要，給予他們成功體驗，利于提高他們的學習主動性，促進他們完成對新知識的建構。

三、教學過程

（一）導入魔術實驗，引發認知沖突，激發學習興趣

教師準備一個傾斜角度為20度的斜面和一個外觀普通的圓筒（圖1）。

教師提出問題：如果將圓筒從斜面的最高處釋放，圓筒會怎樣？

學生提出猜想：圓筒會沿著斜面滾下去，到達水平面后繼續往前滾動一段距離后，最終停下來。

教師演示實驗，驗證學生的猜想。實驗結果如圖2、3、4所示：

圓筒從最高點a處釋放，沿斜面滾落經過b、c 處，到達d處后并未停止（圖2），反而向左邊回滾，滾上斜面到達e處（圖3），然后向下滾落至f處，再從f 處滾上斜面（圖4）。如此反復幾次，最終圓筒停止在水平面上。

（二）開展遞進式問題教學，推動學生認知維度從低階向高階過渡，培養和提升科學思維，達成新知識建構

問題1：圓筒從斜面滾下的原因是？

回答1：圓筒受重力作用。

問題2：圓筒到達c處后，為什么繼續向前滾？

回答2：圓筒具有慣性。

問題3：圓筒為何最終停下來？

回答3：圓筒在水平面滾動時，產生摩擦力，阻礙圓筒繼續滾動。

問題4：圓筒從a到達c處， 發生怎樣的能量轉化？

回答4：重力勢能轉化為動能。

問題5：兩者的大小關系怎樣？你的依據是什么？

回答5：重力勢能減小，動能增大。依據是圓筒從a處到達c處，質量不變，高度減小，所以勢能減小。又因為圓筒的速度增大，所以動能增大。

問題6：在水平方向，圓筒并未受到任何的外力作用。圓筒向左回滾到斜面。說明是靠圓筒的內部力量。這個力量如何來的呢？

教師撕掉圓筒的外包裝，向學生展示圓筒內部結構。教師重新演示魔術實驗。

問題7：圓筒從a滾到c處，從c處滾到d處，從d處滾到e處的過程中，分別是什么能量的轉化？

回答7：圓筒從a滾到c處的過程是重力勢能轉化為動能和彈性勢能。圓筒從c處滾到d處的過程是動能轉化為彈性勢能。圓筒從d處滾到e處是彈性勢能轉化為動能和重力勢能。

問題8：圓筒在滾動的過程中，動能和勢能之間是完全相互轉化嗎？

回答8：圓筒在滾動的過程中，由于阻力的存在，圓筒克服阻力做功，能量消耗，所以動能和勢能之間并不是完全相互轉化。

問題9：什么是機械能？

回答9：動能，重力勢能和彈性勢能統稱機械能。

問題10：什么是機械能守恒？

回答10：只有動能和勢能相互轉化，機械能總和不變，機械能守恒。

問題11：圓筒在滾動的過程中，機械能守恒嗎？比較圓筒在a、b、c、 d、e、f處機械能的大小關系。

回答11：圓筒在滾動的過程中，動能和勢能之間并不是完全相互轉化，所以機械能不守恒。從a到f處，機械能逐漸減小。

問題12：請結合機械能守恒知識，解釋為何圓筒在水平面向右滾動的距離，一次比一次近？在斜面向上滾動的高度，一次比一次低？

回答12：由于阻力的存在，圓筒在往返滾動的過程中，都需要克服阻力做功，能量消耗，機械能逐漸減小，機械能不守恒。圓筒在水平面滾動時，動能一次比一次小，所以運動距離減小;圓筒在斜面向上滾動時，重力勢能一次比一次小，所以運動距離高度減小。

問題13：列舉日常生活中有關動能和勢能相互轉化的其他例子，并判斷機械能是否守恒。

回答13：蕩秋千、蹦蹦床、過山車、拍皮球、單擺、滾擺、人造地球衛星……

繼而，教師介紹有關大灣區海上風電場建設以及白鶴灘水電站建設的新聞報道。

問題14：風電場發電過程是什么能量轉化？ 水電站發電過程是什么能量轉化？

回答14：風電場發電過程風能轉化為機械能再轉化為電能，水電站發電過程水能轉化為機械能再轉化為電能。

問題15：列舉日常生活中機械能和其他形式能量相互轉化的其他例子。

回答15：電風扇、汽車……

通過時事新聞的報道，使學生認識到物理源于生活，服務于生活，現代科技發展離不開物理知識，使學生充分認識到科學、技術、社會和環境（STSE）之間的關系，培養學生的社會參與意識和社會責任感。同時達成新知識的構建3：機械能和其他形式的能量之間相互轉化。

問題16：整合前面一節和這一節課的內容，完成以機械能核心知識的思維導圖。如此，筆者通過整合單元知識，構建知識網絡，達成認知高階思維要求。

四、總結與反思

基于魔術實驗的遞進式問題教學設計是以生動有趣的魔術實驗為導入，創設良好的認知沖突情境，極大地激發了學生的學習，再通過遞進式問題的設置，推動各層次的學生認知思維從低階到高階的過渡，培養和提高學生的科學思維，并幫助學生完成新知識的構建，是一種培養和提高中學生物理學科核心素養的有效的教學設計方式。

【本文系廣州市白云區教育教研小型課題“魔術實驗”的后續開發——遞進式問題教學模式的研究（課題編號2021XKT041）】

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（責任編輯：洪冬梅）