核心素养下高中物理探究教学策略刍议

姜胜+杨春芳

【摘要】2016年9月13日，中国学生发展核心素养研究成果发布会在北京师范大学举行。研究学生发展核心素养是落实立德树人根本任务的一项重要举措，也是适应世界教育改革发展趋势、提升我国教育国际竞争力的迫切需要。作为一名中学物理教师，我们所关注的是如何通过物理课堂教学，提升并逐渐形成学生的核心素养，文章以“动能 动能定理”为例，探索促进学生核心素养养成的探究教学过程。

【关键词】核心素养；问题引导；探究教学；过程体验

核心素养（Key Competencies）是学生在接受相应学段的教育过程中，逐步形成的适应个人终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力。对于物理学科而言，是学生通过物理学习内化的带有物理学科特性的品质。学生物理核心素养主要由“物理观念 ”“科学思维 ”“实验探究 ”“科学态度与责任”等四个方面构成。课堂则是发展和形成核心素养的主阵地。课堂教学的过程中，应把物理课程中所形成的物理观念和科学思维用于分析、解决现实生活中的各种问题，在解决问题中进一步提高探究能力、增强实践意识、养成科学态度，促进核心素养的形成。

在日常的物理课堂教学中，我们期望把教学内容问题化，课堂教学中师生围绕问题进行，学生通过问题学习，教师由问题组织教学，用问题有机地串联整个教学过程，在问题的提出、分析、解决过程中，掌握知识、发展能力、形成素养。

一、教材分析与思考

“动能 动能定理”这节课，现行人教版的教材是在前一节先探究功与速度变化的关系，本节再沿另一条线索探究动能的表达式，以期二者能互相支持，先通过牛顿运动定律寻找动能的表达式，并在此过程中得出动能定理表达式。我曾查阅过三个版本（人教、沪科、鲁科）的教科书，每个版本的设计都是不一样的，动能定理这节课在教学设计上为什么有这么大的差异呢？

从课程标准来看，在动能定理这节课中，涉及的主要内容有：动能的概念、恒力做功与动能关系的探究、动能定理及其应用。这节课在教学设计中需要解决的问题有：①实验探究在本节课教学中的作用是什么。②怎样设计动能概念的教学。③实验探究与数学推导的关系是怎样的。④恒力做功与动能变化到动能定理的过渡。

教学设计应该以课程标准为纲，要将上述四个问题的解决放在首位，在传授知识的同时，提升学生的物理学科核心素养，让课堂成为形成核心素养的主战场，让教学成为提升核心素养的加速器。

二、教学设计总体思路

综合上面的分析，本节课的设计突出“观察实践与实验探究”这一核心思想，让学生亲历学习过程，形成物理概念：加强实验探究，培养科学思维；学会合作交流，培养科学态度与责任。通过“问题引导、合作探究”的學习方式，以问题设计为主线，科学探究为方法，过程体验为收获，培养素养为目标。

三、教学过程设计

1.引入课题

视频观看保龄球和汽车撞击的过程，让学生理解撞击物对外做功，而凡能对外做功的物体都具有能量，这种（如保龄球、汽车）由于物体运动而具有的能量称之为动能。

2.教学过程

猜想：结合视频与生活经验，判断影响动能的大小的因素。

点评：对物理问题的研究，猜想也是了解自然规律的一种重要手段，但不能仅仅停留在猜想上，科学研究应在猜想的基础上通过合理的实验进行验证分析。

实验探究1：影响物体动能大小的因素

器材：如图3，提供斜面、两辆小车（可放入重锤）、重锤。

教师：同学们通过小组合作，设计实验方案，研究影响物体动能大小的因素。

点评：控制变量法思想

教师：动能（Ek）的大小与物体的质量和速度有关 ，那么动能与物体的速度和质量之间有何种定量的关系？

设计意图：关于动能的教学，在不同版本的教材中处理的方法各异，恩格斯在《自然辩证法》中指出：“理论力学得出了活力这一概念，应用力学得出了功这一概念……以致许多年来都没有认识到这两个概念之间的相互联系，他们最后采用mv2作为二

者的量度， 并不是因为对事情本质的了解，而是为了计算简单的缘故”。阅读物理学史让我们了解到，动能概念的建立经历了200年的时间，动能定理表达式的推导不是一件困难的事，而困难的是表达式中的mv2的物理意义是什么，以及mv2能用

来描述物体做功与能量之间的变化，建立这样一个概念是理论体系中一件非常困难的事情。它要通过实验证明mv2能够表

达做功与能量变化的关系，才能做出动能的定义。而不是表达式出来了，就能定义动能的概念了。换句话说，重点不是让大家去推导出哪个表达式是动能，而是要让学生理解动能mv2

能够描述做功与能量之间的变化关系。这也是我在这里介绍物理学史的原因，以期帮助理解并选择教材内容、制定教学方案。

探究2：寻找动能的表达式？

请同学们通过小组合作，回答下列问题：

问题1：动能是能的一种形式，“能”的单位是什么？可否从单位关系的角度寻找动能的表达式？

问题2：回顾寻找重力势能表达式的探究过程，为什么“mgh”为重力势能的表达式？

问题3：重力势能的表达式是在研究重力做功的过程中发现的，我们能否借鉴并在某一做功的过程中寻找动能的表达式？

让学生通过自主探究、合作交流及教师的帮助和指导，对上述三个问题形成较为完美的答案，学生亲历物理问题的解决过程，能让学生形成、发展和提升物理思维。

情景设计：质量为m的物体，在与运动方向相同的恒定外力F的作用下沿光滑水平面发生一段位移L，速度由vl增大到v2.试用牛顿运动定律和运动学公式，请同学们推导出力F对物体做功的表达式。

设计意图：在这个环节中，為探究动能的定义，我们创设了一个运动的情景，设计这个情景的目的之一是，我们要使学生意识到，牛顿定律解决绝大部分机械运动还是比较方便的，但在解决一些复杂机械运动时会不方便，也让学生了解研究动能和动能定理的目的。目的之二，为后来从牛顿定律到恒力做功与动能变化关系的数学表达式的变形做好了铺垫，为这种变形提供了灵感，使得这种变化更加自然。

问题4：mv2是否也是一个具有特殊意义的物理量？如果

是，体现在哪几个方面？

学生：1.它与力F做功的过程密切相关，且它在过程终了与过程初始时的差，正好等于力对物体做的功

2.与我们通过单位关系推导出的EK∝mv2正好是符合的！

教师：mv2能够描述做功与能量变化之间的关系，且符合EK∝mv2，所以mv2就是我们寻找的动能的表达式.

问题5：思考：“W=mv2-mv12”中，W是指什么力做的

功呢？

教师：实际的教学过程中，很多学生会说W是拉力或者是“动力”对物体做的功，其实这种回答是一个很好的素材。下面我们通过两个物理模型让学生来理解W究竟是指什么力做的功。

设计意图：单独一个恒力做功与动能变化的关系，不能等同于动能定理，所以需要逐步深化，让物体在运动中由一个力做功逐渐过渡到多个力做功：由只有动力做功到含有阻力做功，不断改变变量，从特殊过程向一般过程演化。使学生逐渐认识到最终应该是寻找合外力做功与动能变化的关系，从而得到动能定理。在这里我们由平面拓展到斜面，进行无摩擦和有摩擦两种情况的探究（如图5、图6），主要的目的是让学生了解，一个实验结论的得出，远不是像完成一组实验就可以得出结论那么简单，需要不断增加变量，分析各种情况，并且收集更多的证据，才能够得出结论。这也是形成学科核心素养的重要过程。

现行人教版的教材到此，《动能定理》的教学进入到规律的基本应用环节，并没有通过实验来探究动能定理，个人觉得动能定理这节课是一节非常典型的综合性的科学探究课例，它不同于前面学习过的《摩擦力》《力的合成》。这两节课是科学探究中以实验方式为主的探究课例，而动能定理中的科学探究应该是把数学推导、实验论证及抽象思维高度结合在一起的，用牛顿第二定律的推导与实验探究的结合才能建构动能定理。在动能定理的探究过程中，实验探究应包含理论推导和实验测量与检验两部分内容。它可以帮助学生了解事物的运作方式，这也是我们逐步培养学生核心素养的一种有效途径。

实验探究3：合外力的功与物体动能变化量之间的关系

设计意图：在这里实验所要探究的是，动能定理表达式中的各个物理量是不是可以测量，怎么测，是探究恒力做功还是变力做功，通过实验如何求证它们是否满足表达式所表达的关系，让学生理解做功与动能转化之间的物理意义。

值得注意的是探究做功与物体动能变化的关系时，恒力做功与动能变化的关系，只是动能定理所对应的在恒力作用下这种特殊情况下的功和动能之间的关系，不能代表具有普遍性的动能定理。我们需要在这个基础之上，使模型得到不断的完善，越来越接近动能定理的最终模型，就应该采用控制变量的研究方法，不断地增加变量，不断地通过实验与理论推导，一步步地使模型变得更加接近动能定理所描述的，最终才能得到能定理的结论。

创设实验情境，抽象出能够描述这个物体运动过程的物理模型，对模型进行研究，探究变力做功与动能变化的关系。

提供器材：气垫导轨与光电门（数字毫秒计）、弹簧片、滑块（如图7、8）

分组讨论：如何通过上述器材检验动能定理的表达式？并回答下列问题

问题6：功的大小如何测量？一定要定量测量吗？

学生：可以将一个弹簧片水平固定在气垫导轨的一端，用滑块（图8）将弹簧片挤压到一定程度后松手，设弹簧片做功为W，第二次将两个完全一样弹簧片上下排列，一起水平固定在气垫导轨的一端，将弹簧片挤压到上次相同的程度后松手，则弹簧片做功为2W.

问题7：如何实现上述两次弹簧片的挤压程度相同？

学生：可以利用气垫导轨上的刻度

教师：如图8，可在滑块上固定一个指针，让前后两次挤压时，指针都指向气垫导轨上的同一刻度，挤压时控制在弹簧片的弹性限度以内，不宜压缩过大（1cm内）。

问题8：如何测量每一次弹簧片做功过程中滑块的动能变化量？

学生：将挤压的弹簧片的滑块无初速释放，脱离弹簧片后滑块在气垫导轨上匀速运动，设滑块上遮光片的宽度为d，数字毫秒计的示数为t，则弹簧片做功的过程，滑块的动能变化量ΔEK=m（）2-0。

问题9：通过实验如何求证做功的过程是否满足 W=mv22-mv12所表达的关系？

学生：若做功的过程满足W=mv22-mv12，压缩一个弹

簧片做功W，数字毫秒计读数为t1，压缩二个弹簧片做功2W，数字毫秒计读数为t2，如果满足，则可证明W=mv22-mv12。

教师：尝试实验一次，测出相应的t1和t2，但往往会发现两者的关系和相差较远，这是为什么呢？

教师：数字毫秒计上显示的时间都非常短，只测量一次，偶然误差必然会对结果产生影响，若能多次测量，取平均值可能效果会更佳。

基于提升学生物理核心素养的教学是物理教学的立身之本，本教学设计在动能概念提出的基础上，让学生理解mv2

的物理意义，理解mv2能够描述做功与能量变化之间的关

系，优化“物理概念”的形成过程。在理论和实验探究功与动能变化的过程中，让学生的“科学思维”得到锻炼，譬如建模、推理论证等思想与方法。在探究过程中，让学生发现问题、设计实验探究方案和获取证据、分析论证、合作交流、评估反思等，促进学生“科学探究”能力的提升，养成严谨的科学态度等。希望通过此案例为同行们提升学生的物理核心素养提供一些参考。

【参考文献】

[1]邓铸.问题解决中对问题的外部表征和内部表述[J].心理学动态，2001，9（3）：193-200.

[2]梁德雄.从物理概论的建立看物理概念教学[J].物理教师，2011（4）：7-8.