运用PCK理论优化教学

徐超

摘 要：本文运用PCK理论系统分析机械能守恒定律的地位、价值、难点和教学策略，将学科知识进行组织、调整与呈现，以进行有效教学，使知识主线更加明晰，教学策略更加科学高效。

关键词：机械能；PCK；守恒；条件

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2018）7-0028-2

机械能守恒定律是高中物理中非常重要的定律，也是教学及考查的重点，然而，学生很难理解抽象的能量总量不变。PCK与其说是一种知识，不如说是教师特有的“转化”的智能，即将学科知识“转化”成学生有效获得知识的学科教学智能。教师先通过教学设计，将学科的知识转化成教学的知识，再通过课堂教学，使教学的知识转化为学生的知识。在两次转化中，要考虑下面4个方面问题。

1 “机械能守恒定律”的内容及其教育价值

机械能守恒定律的内容：在只有重力或弹力做功的物体系统内，动能与势能可以相互转化，而总的机械能保持不变。

教育价值：它是能量守恒定律在机械能中的具体体现，是理解“守恒”这一重要思想的重要契机，对今后学习其他守恒定律有非常大的帮助。

2 “机械能守恒定律”与其他教学内容的联系

学生知道重力做功会引起重力势能的变化，弹力做功将使弹性势能发生变化，合外力的功将引起物体动能的变化。机械能守恒定律可以看作前面所学动能定理在只有重力和弹力做功情形下的特殊形式，同时也是能量守恒的特殊形式，为后面全面学习能量守恒定律奠定基础。学好这一定律对学生全面理解“守恒”这一重要的物理思想有很重要的意义。

3 学生学习机械能守恒定律时可能的困难

能量是看不见摸不着的，虽然能量的变化很好体会，但量的确定比较困难，尤其是总量不变更加难以界定，所以对守恒的建立过程有很大的难度。其次，机械能守恒定律是有条件的守恒，对条件中只有重力或弹力做功的理解，也是学生经常理解不到位的地方。

4 帮助学生理解机械能守恒定律的教学策略

策略一：运用实验化抽象为形象，进行“预测—观察—解释”的实验教学。

实验加对比：释放一个大铁球在最低点撞玻璃板（碎）， 在最高点撞纸（不破）。

诱思：摆球为什么會撞破玻璃，动能来自哪里？摆回过程中，动能到哪里去了？

在微阻力的情况下，弹簧振子（如图1）动能和势能相互转化，可以长时间运动。

对比时可以关掉气泵，弹簧振子很快停下来。学生很好理解只有弹力做功，机械能也是守恒的。阻力的作用会使机械能损失。

策略二：运用DIS将隐藏的能量显现出来。

摆球能够摆动到原来的高度，说明摆动过程中，重力势能的变化和动能的变化有什么关系？

猜想：可能相等。怎么样确定是否相等呢？

验证：动能和势能的总和是否变化。

摆球实验：如图2所示，4个光电门测时间，已知摆球直径d=0.01 m，可以计算出经过每一个光电门时的速度。

策略三：理论探究。重力势能的减少量和动能的增加量近似相等，是一种偶然吗？怎样证明？

实验是一种思路，想严密还需进行理论探究。为了更好地证明，我们继续对摆球进行分析，仅仅围绕引入的摆球运动，不用转换研究对象。

情景：如图3所示，摆球摆动过程中，经过离地面高度为h1的A点时速度为v1，下落到高度为h2的B点时速度为v2，试写出物体在A点时的机械能和在B点时的机械能，试判断物体在A点的机械能E1和在B点的机械能E2的关系。

利用实验，通过理论推导，让学生更加全面地理解机械能守恒定律。

策略四：直接讲机械能守恒的条件，学生不容易理解，让学生反过来思考摆球为什么会停下来，发现是阻力的作用将机械能转变成其他形式的能量，进而理解为什么只能是重力（或弹力）做功。

拓展：举出你认为机械能守恒的例子并从简单到复杂进行分类。

（1）只受重力或弹力。

（2）除重力或弹力外还受其他力，但其他力不做功。

荡秋千慢慢停下来的过程中，机械能守恒吗？为什么不？怎样可以摆到原来的高度？展示电动秋千，如果及时补充因阻力做功损失的机械能，那么就可以保持机械能守恒。

（3） 除了重力或弹力做功外，其他力也做功，但是其他力做的功为零。

策略五：反思拓展。得到机械能守恒定律是在只有重力做功的情况下，我们通过引导还可以发现弹力做功也有类似的规律，于是进一步拓展形式和条件，推广机械能守恒定律的使用范围。

第二种：△Ek=-△EP，从转化的角度，动能增加量等于势能减小量。

策略六：生活化的例题。

【例题】 在下列实例中运动的物体，不计空气阻力，机械能不守恒的是（ ）

A.物体做平抛运动

B.在竖直平面内转动的过山车

C.沿滑梯下滑的你

D.起重机匀速吊起货物

结语：运用PCK理论可以让我们更加清楚地知道传授物理知识的重要作用和教学难点，引导我们综合运用多种手段降低教学难点，优化教学流程，培养学生的物理思维，提高核心素养。

参考文献：

[1]朱连云.小学数学新手和专家教师PCK比较的个案研究——青浦实验的新世纪行动之四[J].上海教育科研，2007（10）：47-50.

（栏目编辑 邓 磊）