核心素養下高中物理探究教學策略芻議

姜勝+楊春芳

【摘要】2016年9月13日，中國學生發展核心素養研究成果發布會在北京師范大學舉行。研究學生發展核心素養是落實立德樹人根本任務的一項重要舉措，也是適應世界教育改革發展趨勢、提升我國教育國際競爭力的迫切需要。作為一名中學物理教師，我們所關注的是如何通過物理課堂教學，提升并逐漸形成學生的核心素養，文章以“動能 動能定理”為例，探索促進學生核心素養養成的探究教學過程。

【關鍵詞】核心素養；問題引導；探究教學；過程體驗

核心素養（Key Competencies）是學生在接受相應學段的教育過程中，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。對于物理學科而言，是學生通過物理學習內化的帶有物理學科特性的品質。學生物理核心素養主要由“物理觀念 ”“科學思維 ”“實驗探究 ”“科學態度與責任”等四個方面構成。課堂則是發展和形成核心素養的主陣地。課堂教學的過程中，應把物理課程中所形成的物理觀念和科學思維用于分析、解決現實生活中的各種問題，在解決問題中進一步提高探究能力、增強實踐意識、養成科學態度，促進核心素養的形成。

在日常的物理課堂教學中，我們期望把教學內容問題化，課堂教學中師生圍繞問題進行，學生通過問題學習，教師由問題組織教學，用問題有機地串聯整個教學過程，在問題的提出、分析、解決過程中，掌握知識、發展能力、形成素養。

一、教材分析與思考

“動能 動能定理”這節課，現行人教版的教材是在前一節先探究功與速度變化的關系，本節再沿另一條線索探究動能的表達式，以期二者能互相支持，先通過牛頓運動定律尋找動能的表達式，并在此過程中得出動能定理表達式。我曾查閱過三個版本（人教、滬科、魯科）的教科書，每個版本的設計都是不一樣的，動能定理這節課在教學設計上為什么有這么大的差異呢？

從課程標準來看，在動能定理這節課中，涉及的主要內容有：動能的概念、恒力做功與動能關系的探究、動能定理及其應用。這節課在教學設計中需要解決的問題有：①實驗探究在本節課教學中的作用是什么。②怎樣設計動能概念的教學。③實驗探究與數學推導的關系是怎樣的。④恒力做功與動能變化到動能定理的過渡。

教學設計應該以課程標準為綱，要將上述四個問題的解決放在首位，在傳授知識的同時，提升學生的物理學科核心素養，讓課堂成為形成核心素養的主戰場，讓教學成為提升核心素養的加速器。

二、教學設計總體思路

綜合上面的分析，本節課的設計突出“觀察實踐與實驗探究”這一核心思想，讓學生親歷學習過程，形成物理概念：加強實驗探究，培養科學思維；學會合作交流，培養科學態度與責任。通過“問題引導、合作探究”的學習方式，以問題設計為主線，科學探究為方法，過程體驗為收獲，培養素養為目標。

三、教學過程設計

1.引入課題

視頻觀看保齡球和汽車撞擊的過程，讓學生理解撞擊物對外做功，而凡能對外做功的物體都具有能量，這種（如保齡球、汽車）由于物體運動而具有的能量稱之為動能。

2.教學過程

猜想：結合視頻與生活經驗，判斷影響動能的大小的因素。

點評：對物理問題的研究，猜想也是了解自然規律的一種重要手段，但不能僅僅停留在猜想上，科學研究應在猜想的基礎上通過合理的實驗進行驗證分析。

實驗探究1：影響物體動能大小的因素

器材：如圖3，提供斜面、兩輛小車（可放入重錘）、重錘。

教師：同學們通過小組合作，設計實驗方案，研究影響物體動能大小的因素。

點評：控制變量法思想

教師：動能（Ek）的大小與物體的質量和速度有關 ，那么動能與物體的速度和質量之間有何種定量的關系？

設計意圖：關于動能的教學，在不同版本的教材中處理的方法各異，恩格斯在《自然辯證法》中指出：“理論力學得出了活力這一概念，應用力學得出了功這一概念……以致許多年來都沒有認識到這兩個概念之間的相互聯系，他們最后采用mv2作為二

者的量度， 并不是因為對事情本質的了解，而是為了計算簡單的緣故”。閱讀物理學史讓我們了解到，動能概念的建立經歷了200年的時間，動能定理表達式的推導不是一件困難的事，而困難的是表達式中的mv2的物理意義是什么，以及mv2能用

來描述物體做功與能量之間的變化，建立這樣一個概念是理論體系中一件非常困難的事情。它要通過實驗證明mv2能夠表

達做功與能量變化的關系，才能做出動能的定義。而不是表達式出來了，就能定義動能的概念了。換句話說，重點不是讓大家去推導出哪個表達式是動能，而是要讓學生理解動能mv2

能夠描述做功與能量之間的變化關系。這也是我在這里介紹物理學史的原因，以期幫助理解并選擇教材內容、制定教學方案。

探究2：尋找動能的表達式？

請同學們通過小組合作，回答下列問題：

問題1：動能是能的一種形式，“能”的單位是什么？可否從單位關系的角度尋找動能的表達式？

問題2：回顧尋找重力勢能表達式的探究過程，為什么“mgh”為重力勢能的表達式？

問題3：重力勢能的表達式是在研究重力做功的過程中發現的，我們能否借鑒并在某一做功的過程中尋找動能的表達式？

讓學生通過自主探究、合作交流及教師的幫助和指導，對上述三個問題形成較為完美的答案，學生親歷物理問題的解決過程，能讓學生形成、發展和提升物理思維。

情景設計：質量為m的物體，在與運動方向相同的恒定外力F的作用下沿光滑水平面發生一段位移L，速度由vl增大到v2.試用牛頓運動定律和運動學公式，請同學們推導出力F對物體做功的表達式。

設計意圖：在這個環節中，為探究動能的定義，我們創設了一個運動的情景，設計這個情景的目的之一是，我們要使學生意識到，牛頓定律解決絕大部分機械運動還是比較方便的，但在解決一些復雜機械運動時會不方便，也讓學生了解研究動能和動能定理的目的。目的之二，為后來從牛頓定律到恒力做功與動能變化關系的數學表達式的變形做好了鋪墊，為這種變形提供了靈感，使得這種變化更加自然。

問題4：mv2是否也是一個具有特殊意義的物理量？如果

是，體現在哪幾個方面？

學生：1.它與力F做功的過程密切相關，且它在過程終了與過程初始時的差，正好等于力對物體做的功

2.與我們通過單位關系推導出的EK∝mv2正好是符合的！

教師：mv2能夠描述做功與能量變化之間的關系，且符合EK∝mv2，所以mv2就是我們尋找的動能的表達式.

問題5：思考：“W=mv2-mv12”中，W是指什么力做的

功呢？

教師：實際的教學過程中，很多學生會說W是拉力或者是“動力”對物體做的功，其實這種回答是一個很好的素材。下面我們通過兩個物理模型讓學生來理解W究竟是指什么力做的功。

設計意圖：單獨一個恒力做功與動能變化的關系，不能等同于動能定理，所以需要逐步深化，讓物體在運動中由一個力做功逐漸過渡到多個力做功：由只有動力做功到含有阻力做功，不斷改變變量，從特殊過程向一般過程演化。使學生逐漸認識到最終應該是尋找合外力做功與動能變化的關系，從而得到動能定理。在這里我們由平面拓展到斜面，進行無摩擦和有摩擦兩種情況的探究（如圖5、圖6），主要的目的是讓學生了解，一個實驗結論的得出，遠不是像完成一組實驗就可以得出結論那么簡單，需要不斷增加變量，分析各種情況，并且收集更多的證據，才能夠得出結論。這也是形成學科核心素養的重要過程。

現行人教版的教材到此，《動能定理》的教學進入到規律的基本應用環節，并沒有通過實驗來探究動能定理，個人覺得動能定理這節課是一節非常典型的綜合性的科學探究課例，它不同于前面學習過的《摩擦力》《力的合成》。這兩節課是科學探究中以實驗方式為主的探究課例，而動能定理中的科學探究應該是把數學推導、實驗論證及抽象思維高度結合在一起的，用牛頓第二定律的推導與實驗探究的結合才能建構動能定理。在動能定理的探究過程中，實驗探究應包含理論推導和實驗測量與檢驗兩部分內容。它可以幫助學生了解事物的運作方式，這也是我們逐步培養學生核心素養的一種有效途徑。

實驗探究3：合外力的功與物體動能變化量之間的關系

設計意圖：在這里實驗所要探究的是，動能定理表達式中的各個物理量是不是可以測量，怎么測，是探究恒力做功還是變力做功，通過實驗如何求證它們是否滿足表達式所表達的關系，讓學生理解做功與動能轉化之間的物理意義。

值得注意的是探究做功與物體動能變化的關系時，恒力做功與動能變化的關系，只是動能定理所對應的在恒力作用下這種特殊情況下的功和動能之間的關系，不能代表具有普遍性的動能定理。我們需要在這個基礎之上，使模型得到不斷的完善，越來越接近動能定理的最終模型，就應該采用控制變量的研究方法，不斷地增加變量，不斷地通過實驗與理論推導，一步步地使模型變得更加接近動能定理所描述的，最終才能得到能定理的結論。

創設實驗情境，抽象出能夠描述這個物體運動過程的物理模型，對模型進行研究，探究變力做功與動能變化的關系。

提供器材：氣墊導軌與光電門（數字毫秒計）、彈簧片、滑塊（如圖7、8）

分組討論：如何通過上述器材檢驗動能定理的表達式？并回答下列問題

問題6：功的大小如何測量？一定要定量測量嗎？

學生：可以將一個彈簧片水平固定在氣墊導軌的一端，用滑塊（圖8）將彈簧片擠壓到一定程度后松手，設彈簧片做功為W，第二次將兩個完全一樣彈簧片上下排列，一起水平固定在氣墊導軌的一端，將彈簧片擠壓到上次相同的程度后松手，則彈簧片做功為2W.

問題7：如何實現上述兩次彈簧片的擠壓程度相同？

學生：可以利用氣墊導軌上的刻度

教師：如圖8，可在滑塊上固定一個指針，讓前后兩次擠壓時，指針都指向氣墊導軌上的同一刻度，擠壓時控制在彈簧片的彈性限度以內，不宜壓縮過大（1cm內）。

問題8：如何測量每一次彈簧片做功過程中滑塊的動能變化量？

學生：將擠壓的彈簧片的滑塊無初速釋放，脫離彈簧片后滑塊在氣墊導軌上勻速運動，設滑塊上遮光片的寬度為d，數字毫秒計的示數為t，則彈簧片做功的過程，滑塊的動能變化量ΔEK=m（）2-0。

問題9：通過實驗如何求證做功的過程是否滿足 W=mv22-mv12所表達的關系？

學生：若做功的過程滿足W=mv22-mv12，壓縮一個彈

簧片做功W，數字毫秒計讀數為t1，壓縮二個彈簧片做功2W，數字毫秒計讀數為t2，如果滿足，則可證明W=mv22-mv12。

教師：嘗試實驗一次，測出相應的t1和t2，但往往會發現兩者的關系和相差較遠，這是為什么呢？

教師：數字毫秒計上顯示的時間都非常短，只測量一次，偶然誤差必然會對結果產生影響，若能多次測量，取平均值可能效果會更佳。

基于提升學生物理核心素養的教學是物理教學的立身之本，本教學設計在動能概念提出的基礎上，讓學生理解mv2

的物理意義，理解mv2能夠描述做功與能量變化之間的關

系，優化“物理概念”的形成過程。在理論和實驗探究功與動能變化的過程中，讓學生的“科學思維”得到鍛煉，譬如建模、推理論證等思想與方法。在探究過程中，讓學生發現問題、設計實驗探究方案和獲取證據、分析論證、合作交流、評估反思等，促進學生“科學探究”能力的提升，養成嚴謹的科學態度等。希望通過此案例為同行們提升學生的物理核心素養提供一些參考。

【參考文獻】

[1]鄧鑄.問題解決中對問題的外部表征和內部表述[J].心理學動態，2001，9（3）：193-200.

[2]梁德雄.從物理概論的建立看物理概念教學[J].物理教師，2011（4）：7-8.