例析物理規律的建構:基于“動能定理”教學反思

潘文杰,范鐘潤,羅元輝

(1.黔南民族師范學院物理與電子科學學院,貴州都勻,558000;2.黔南布依族苗族自治州三都水族自治縣第二中學,貴州黔南,558100;3.貴州省都勻二中,貴州都勻,558000)

一、引言

二、真實案例切入

筆者觀摩所在地區2022年高中物理優質課比賽發現,有4位教師以人教版必修第三冊“帶電粒子在電場中的運動”為例,設計了如圖1所示的情境:真空中兩平行金屬板之間的距離為d,兩板加上恒定電壓為U,有一個質量為m帶正電荷q的粒子,在靜電力作用下由靜止開始從正極板向負極板運動,求帶電粒子到達負極板時速度v的大小是多少?(g取10m/s2)

圖1 “帶電粒子在電場中的運動”教學情境

分析帶電粒子加速的問題,常常有以下兩種思路。

觀摩發現,這四個班的學生選擇思路一解決問題的占半數以上。筆者結合自己的教學經歷進行反思,這可能與動能定理的新課教學有關。

三、動能定理教學的突出問題

《普通高中物理課程標準(2017年版2020年修訂)》對動能定理內容的要求是:理解動能和動能定理,能用動能定理解釋生產生活中的現象。［2］課程標準提供的教學提示是根據牛頓第二定律推導出動能定理。根據課程標準,教材編寫教學邏輯如圖2所示。

圖2 教材編寫教學邏輯

觀摩“動能和動能定理”的幾節新課教學發現,用人教版教材的教師多是按上述內容和邏輯教學的,這樣的教學設計容易出現兩個突出問題。

(一)簡化物理規律的建構過程

物理規律是構成物理學科體系的核心內容,是人們以觀察和實驗所得到的事實為依據,運用邏輯推理,剔除無關因素,忽略次要因素,確定本質要素,并創造性地建構能夠解釋和預測相關現象的種種關系模型,揭示物質結構和物質運動所遵循的規律。［3］從方法論的視角看,物理規律是在觀察和實驗的基礎上,運用模型建構的方法建立的關系模型,不僅體現在具體的物質模型、狀態模型、過程模型的建構上,而且體現在物理概念、物理規律的建構上。雖然動能定理在經典力學范圍內沒有條件限制,但根據普通高中物理課程標準“注重體現物理學科本質,培養學生物理學科核心素養”的理念,如按照教材“僅僅通過物體在光滑的水平面上,受恒力作用這種特殊運動情境推導得出動能定理”,顯然這樣的邏輯推理不嚴密,不利于學生理解和體會物理學理論推導的科學方法。［4］教師簡化動能定理的建構過程,告知學生多力做功、變力做功等,使學生很難達到理解動能定理的要求。學生大部分仍停留在“知其然”的層面,這可能是學生習慣用牛頓第二定律結合運動學公式解決動力學問題的主要原因。

(二)淺教深練,課時膨脹

由于動能定理適用范圍廣泛,解決問題時比用牛頓運動定律和勻變速直線運動規律結合的方式更簡潔方便,因此動能定理一直是高考考查的重點。縱觀歷年的物理高考試卷,動能定理內容的考查形式靈活、難度層次多樣、綜合性強,需要學生真正深入理解動能定理、熟練運用規律。教師要通過大量的習題教學幫助學生理解動能定理,期望學生達到熟練運用的目的。因此,“動能和動能定理”教學一般會用3—5個課時。其中,新課教學1個課時,對應的習題教學2—4個課時。但在很多新課教學中,關于動能定理的建構,教師一般只用25鐘左右,剩余時間是例題講解,以例題進一步完善和鞏固學生對動能定理的理解。總的來看,動能定理的新課教學存在淺教深練、課時膨脹、缺乏深度的情況,沒有充分體現建構主義教學思想。觀察發現,演繹推理過程幾乎都是教師推導學生看,學生被動接受知識,沒有充分參與知識的構建,沒有通過完整、深入的學習活動自主內化物理規律。

四、剖析動能定理的育人價值

(一)深化功能關系,加深對運動與相互作用、能量觀念的理解

通過初中物理的學習,學生能列舉能量轉化和轉移的實例,知道做功的過程就是能量轉化或轉移的過程,形成初步的能量觀念,并能運用能量轉化與守恒的觀點解釋常見的自然現象,解決日常生活中的有關問題。高中物理要進一步通過實驗及理論推導等方法,讓學生理解各種功能關系,理解能量本質、能量形式、能量轉化、能量守恒等,形成物理學科的能量觀念。［5］

動能定理通過探究物體動能的變化與力對物體做功的關系,分析力對物體做功使動能發生變化,得到物體所受合外力對物體所做的功等于物體動能的改變量。教師需要幫助學生理解能量的變化,可通過求力對物體所做功來確定,深化學生對功與能關系及對能量本質的認識——“能量是物質的表現形式之一,表征物體做功的本領”［6］,從而幫助學生逐步理解運動與相互作用觀念、能量觀念,促進學生物理觀念素養的形成。

納入標準：均符合妊娠期糖尿病的診斷標準；所有產婦均宮內單胎；臨床資料均全面；均自愿參與研究并簽署知情同意書；可進行有效溝通；該次研究的排除標準：存在精神疾病孕婦；妊娠伴有高血壓、心臟病、嚴重肝腎功能不全等疾病孕婦；溝通存在障礙孕婦；存在早產或先兆流產的孕婦；臨床資料不全面孕婦。

(二)物理思想和方法的運用,發展學生科學思維

《普通高中物理課程標準(2017年版2020年修訂)》在課程性質中明確指出:物理學基于觀察與實驗,建構物理模型,應用數學等工具,通過科學推理和論證,形成系統的研究方法和理論體系。［2］動能定理對變力和曲線運動的適用性推導,應用了“微元”和“化曲為直”科學思想和方法。這兩種方法是重要的物理思想方法。教師應創設相應的問題情境,引導學生運用這些方法分析問題、解決問題,學習和體會物理學科的研究方法,培養良好的思維和科學思維素養。

(三)演繹推理建構物理規律,拓展學生科學探究的意識和能力

科學探究主要包括問題、證據、解釋、交流等要素。從物理學方法論的角度看,科學探究不僅指通過實驗和觀察的探究,而且包括通過演繹推理的探究。演繹推理的探究同樣包括問題、證據、解釋、交流等要素。［2］實驗探究側重于通過實驗獲得證據,是對學生實驗能力的培養;演繹推理的探究側重于通過理論推導獲得證據,是對學生科學推理和科學論證能力的培養。學生根據初中時的學習基礎,已知功能關系、牛頓第二定律和勻變速直線運動規律等,經過理論推導得出恒力做功與物體動能的關系,然后進一步探究變力做功和曲線運動的情況,最后歸納總結得出“物體所受合外力對物體所做的功等于物體動能的改變量”。這樣的演繹推理在高中物理教學中較常見。例如,萬有引力定律、機械能守恒定律和動量守恒定律等的建構過程都應用了演繹推理,其在有效增強學生科學探究的意識和能力,培養學生演繹推理和科學論證的思維品質方面意義非凡。

五、動能定理建構的教學策略

(一)創設豐富的問題情境,啟發學生思維

情境是人們進行思維加工的原材料,問題是人們進行學習的真正動因。教師在教學中創設豐富的問題情境,不斷揭示內部規律,可讓學生產生認知的期待。使學生思維處于主動思考的狀態,是啟發性教學的主要特征。因此,教師可以設計“初始問題—深化問題”的情境問題鏈,以問題鏈推動動能定理本質規律的建構,突顯演繹推理的科學方法,滲透科學思維的培養。［7］

初始問題:如圖3所示,物體受恒力F作用在光滑水平面上運動,求力F對物體所做的功。

圖3 初始問題情境

深化問題一:如果上述情境接觸面不光滑,情況又會怎樣?如圖4所示,物體受恒力F作用在粗糙的水平面上運動,物體與地面之間的摩擦力為f,求物體的速度從v1增加到v2的過程中,物體所受合外力對物體所做的功。

圖4 深化問題一情境

深化問題二:物體受到變力作用和做曲線運動是否遵循相同的規律呢?如圖5所示,物體受變力F作用在光滑的水平面上運動,求物體的速度從v1增加到v2的過程中變力F對物體所做的功。

圖5 深化問題二情境1

變力對物體所作的功不能直接用W=Fl計算,需利用微元法把整個過程分成許多小段,每一小段受到的力可看成恒力處理。通過“化變為恒”,問題可以得到解決。經過的距離分別為AB、BC、CD,……那么每一小段力對物體做的功同樣可以根據牛頓第二定律結合運動學公式求解。

將每一段的功加起來,整個過程變力F所做的功為:

如圖6所示,質量為m的小球由靜止開始沿光滑的曲面滑下,經過A點到B點速度由v1增加到v2,求該過程中合外力對小球所做的功。

圖6 深化問題二情境2

可見,不管是直線運動還是曲線運動,變力做功還是恒力做功,合外力對物體所做的功都等于物體動能變化,動能定理的適用范圍廣泛。上述演繹推理的過程,不僅讓學生建構了動能定理的結論,而且建構了動能定理的適用范圍。通過“延遲判斷”建構起來的動能定理,讓學生知其然也知其所以然。

(二)引導學生自主獲取證據,建構規律

建構主義學習理論認為,學生學習不是簡單被動地接受信息,而是主動地建構知識。知識只有真正通過學生大腦的自主構建,才能印象深刻,理解透徹。［7］上述的三個問題情境,經教師引導后,要讓學生親自推導,經歷科學探索過程,實現規律的真正建構。

(三)學以致用,完善規律的建構

掌握物理規律的目的在于運用它們分析問題和解決問題。相應的習題教學不僅可以鞏固、深化對規律的理解,而且可以進一步完善對規律的建構,使學生加深對物理規律內涵和外延的認識。在動能定理建構起來后,教師可再設計以下兩類習題。

題型一: 如圖7所示,裝置由多段軌道組成,軌道交接處均由很小的圓弧平滑連接,使小滑塊自A點由靜止釋放。已知小滑塊與軌道間的動摩擦因素μ,分別求出小滑塊第一次到達C和到達D點的速度大小為多少。

圖7 題型一情境

有的學生仍用牛頓第二定律結合運動學公式解答,有的則直接用動能定理解答。對此,教師選取運用不同方法解答的學生代表呈現他們的解題過程,讓學生體會運用動能定理解決問題的優越性,同時拓展動能定理的適用范圍:動能定理可分段研究,也可全程研究;力可以是分段作用,也可以是全程作用。

圖8 題型二情境

物體的運動過程比較復雜,在圓弧軌道上受到的摩擦力并非恒力,這給求摩擦力做功帶來了困難。因此,題型二反映出,運用牛頓第二定律結合運動學公式不能解決這一類問題,但運用動能定理可以。這樣,學生可更進一步體會到動能定理的優越性。

通過以上兩類型習題,學生能完善對動能定理的建構,結合不同的解法深刻體會到動能定理適用范圍之廣。運用牛頓運動定律解決問題需要涉及整個過程的力,在實際過程中,不僅會涉及多個力,而且這些力隨時間變化的規律也可能很復雜,使問題難以求解。［8］但是,動能定理只涉及過程始末兩個狀態,不考慮中間過程,將問題化繁為簡。

六、結語

在物理規律教學中,教師要堅持“延遲判斷、深度學習”,就是要給學生足夠的思維時間和空間,讓學生經歷知識的發展過程,體驗物理思想和科學家的研究歷程。［9］物理規律是觀察、實驗和思維相結合的產物,知識之間是有邏輯可循的。物理規律教學的探究是培養學生科學思維的重要途徑,因此要注重推理邏輯的嚴密性。學生只有真正領悟知識內涵,掌握學科本質,核心素養目標才能真正實現。