基于核心素养导向下的高中物理教学设计——以“探究弹性势能的表达式”为例

宋海峰 薛丽娟

(江苏省天一中学，江苏 无锡 214101)

1 教学指导思想

新一轮基础教育课程改革中,迎接物理课堂教学转型的挑战,难以绕过“物理核心素养”这一重要问题．物理核心素养是学生在接受物理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,是学生通过物理学习内化的带有物理学科特性的品质,其主要由物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任等4个方面的要素构成．物理学科的核心素养相对三维目标而言,是站在一个更高的物理文化层面对高中物理教学提出的要求,超越对具体知识的学习,但又是以具体知识为载体,引导学生通过高水平的思维活动,实现由“知识传递”向“知识建构”转型．

2 教学过程

2.1 创设情境,激思导入

图1

情景1:如图1所示,重物A的质量为m,置于水平地面上,其上表面连接一根竖直的轻质弹簧,弹簧的长度为x0,劲度系数为k．现将弹簧的上端P缓慢地竖直上提一段H,当重物A刚要离开地面时,则:

问题1:此时重物A具有的重力势能为多少(以地面为参考平面)?

问题2:那通过拉力做功转化而来的能量呢?

情景2:播放体育运动项目视频:撑杆跳高、拉弓射箭、跳板跳水.

问题3:请同学们仔细观察弯曲的杆、拉开的弓、压弯的跳板,从能量角度谈谈它们共同的特征是什么?请同学们再举几个物体具有弹性势能的例子?

设计思想:物理学的概念、规律是人们在大量观察和实验的基础上,经过反复的科学抽象而形成的,具有很强的抽象性和逻辑性．如果教师只是一味地让学生在抽象的问题中去探究那些干巴巴的结论,学生就会因此而厌倦,学习兴趣就会因此而冷淡．这就要求教师在物理概念导入时不仅要科学、准确,而且还要引趣、激思,恰到好处的导入能创设良好的教学情境,帮助学生启迪思维．情景1的设计简洁、准确、设疑、激思,能温故知新．情景2的三段学生喜闻乐见的体育运动项目视频,将形、声、色、光、动、静融为一体,突破时空的限制,让学生身临其境般地体验物理概念形成的过程,这对帮助学生建立能量的观念,理解能量守恒的物理思想,培养学生的物理核心素养具有关键性的作用．

2.2 以生为本,点出主题

问题4:关于弹性势能,你已经知道了哪些知识?还想知道哪些知识呢?

设计思想:基于“核心素养”导向下的课堂教学应该由“知识传递”转向“知识建构”,即从“教堂”转向“学堂”．真正的“学堂”,学生应该成为课堂的主导者,而非被迫的接受者;教师应该成为课堂的协助者,而非主宰者．教师应该让学生根据自身知识的特点,今后发展的需要,自主决定课堂探究的主题,只有这样,才能打造“学生会的教师一定不讲,教师讲的一定是学生最想听的”高效课堂．

2.3 科学探究,寻找规律

(1) 提出问题,猜想假设.

问题5:你认为弹性势能Ep可能跟哪些因数有关呢?依据是什么?

学生猜想:形变量x、劲度系数k．生活依据:生活中拉弹弓,橡皮筋的形变量越大,石子被弹得越远;橡皮筋根数越多,石子被弹得越远．

学生体验:感受弹性势能Ep与形变量x、劲度系数k的关系(提供一软一硬两根弹簧)

问题6:通过你的亲身体验,你觉得Ep与x、k存在怎样的关系?

设计思想:牛顿说过:“没有大胆的猜想,就做不出伟大的发现”,物理学史上很多伟大的发明和发现都源于猜想．猜想作为科学探究中的重要环节,在培养学生创造性思维,发展学生的科学探究能力等核心素养方面有着不可替代的作用．在课堂教学中,教师要为学生的猜想假设提供开放的环境和充足的时间,给学生畅所欲言的机会,允许学生突发奇想,甚至异想天开．学生根据自己的生活经验以及教师创设的情境亲身体验后应该比较容易就能得出弹性势能跟形变量和劲度系数有关,且形变量越大,弹性势能越大;劲度系数越大,弹性势能越大的定性结论．但弹性势能与形变量和劲度系数到底存在怎样的定量关系,学生就会存在思维的瓶颈,学生大多只能猜想到弹性势能与劲度系数成正比,而与形变量的关系,有学生会猜想可能与形变量成正比,也有学生会猜想可能与形变量的平方成正比……通过猜想假设,能极大地调动学生学习的主动性和积极性,激发学生探索新知的欲望．教师要放开手脚,解放学生的头脑,抓住每一个可以让学生猜想的机会,鼓励学生大胆猜想,敢于怀疑,以此培养学生的创新精神．

课堂生成:教学中,在大家还在纠结弹性势能到底与形变量成正比还是形变量平方成正比时,一位学生站起来回答说弹性势能应该与形变量的平方成正比．理由是首先他也认为弹性势能Ep与弹簧的劲度系数k成正比,如果弹性势能Ep与形变量x成正比,则弹性势能Ep正比于劲度系数k和形变量x的乘积,这样Ep的单位J与k和x乘积的单位N前后不统一;如果弹性势能Ep与形变量x2成正比,则弹性势能Ep正比于劲度系数k和形变量x2的乘积,这样Ep的单位J与k和x2乘积的单位J前后就可以统一了．德国教育学家第斯多惠说过:“一个坏的教师奉送真理,一个好的教师教人发现真理．”“石本无火,相击而发灵光”,教师要多通过提出问题、讨论交流等方式留下“空白”,引发学生思考与探究;教师要多通过耐心倾听、允许出错等方式抓住课堂的生成,激发学生质疑意识与潜能,这对培养学生的创新思维有重大的现实意义．

(2) 设计方案,交流评估.

问题7:研究一个物理量与两个物理量间的关系,采用什么方法?

问题8:分组讨论设计实验方案,各小组代表把自己小组的实验方案作一简要的汇报交流．

提醒学生请从下列四个方面入手: ① 明确实验目的; ② 设置实验情景; ③ 选用实验器材; ④ 拟定实验方法．

图2

方案1:如图2所示,将弹簧的下端固定．保持劲度系数k一定,将小球向下压缩到不同位置,测量弹簧的形变量x,测出物体上升的最大高度h,研究Ep(h)与x的关系;保持压缩量x一定,将小球向下分别压缩不同型号的弹簧,测出物体上升的最大高度h,研究Ep(h)与k的关系．

图3

图4

方案3: 该方案与方案2类似,只不过速度v不是通过光电门测得,而是通过平抛运动规律测得．由平抛原理s∝v0,得到Ep∝s2,改变形变量x,从而研究Ep与x关系．

学生讨论:

图5

方案1理论可行,但实际操作中存在两个问题:① 小球弹起过程中不能保证竖直② 小球上升到的最高点如何确定．改进如图5,弹簧下端固定在铁架台上,小球改为小环,这样可以保证小环在竖直方向上升,不足之处物体与竖直杆的摩擦有时比较大．关于小环上升到最高点位置的确定,可以参考平抛运动实验中轨迹确定的方法,即用笔尖在小环可能到达的最高点等待．

图6

方案3理论可行,暂时没有想出改进方案．

设计思想:著名教育家苏霍姆林斯基说过:“在人的心灵深处,都有一种根深蒂固的需要,这就是希望自己是一个发现者、研究者、探索者,而在青少年的精神世界中,这种需要特别强烈．”所以教师在进行实验指导时,要摆脱以教师中心的束缚,将课堂的时间尽最大可能还给学生,只有在学生出现思维障碍时,方可给予指导,真正做到“贵在引导,要在转化,妙在开窍”．教师要让学生参与物理实验的设计过程,多让学生想想应该怎么做,说说为什么这么做,以此打开学生的思路,启迪学生的思维;教师要让学生亲历物理问题的解决过程,多让学生议议实验方案中的问题,谈谈自己的新见解,以此培养学生克服困难的坚强意志,体验和享受合作的成果,在潜移默化中培养学生的科学思维能力和锲而不舍的创新精神．

(3) 学生实验,分析论证.

提供器材:铁架台、粗细0.8 mm长12 cm内径的弹簧一根、粗细1.5 mm长12 cm内径的弹簧一根、PVC圆管两个(长2.5 cm,外径17 mm)、米尺

学生根据按照方案1的改进方案分组实验,教师巡视指导,最终学生得到弹性势能与劲度系数成正比,与形变量平方成正比的结论．

设计思想:“纸上得来终觉浅,绝知此事要躬行”,只有亲身经历过的事情,印象才是最深刻的．通过分组实验,让学生深度参与实验过程,亲历思维的发展历程,不仅能培养学生的实验动手能力与语言表达能力,增强学生的协同意识与合作精神,而且对学生形成严谨求实的科学态度,终身学习的意识等核心素养有着深远的意义．

(4) 理论探究,体验逻辑力量.

问题9:请同学们回忆一下我们研究过的重力势能与重力做功的关系?能否通过类比得出弹性势能与弹性做功的关系呢?

问题10:再请同学们回忆一下,我们是怎样得到重力势能的表达式的?能否运用同样的思路,来分析弹力做功的情况呢?

图7

问题11:有一原长为x0,劲度系数为k的弹簧,一端固定．在外力F作用下,缓慢从O拉到A,伸长量为x,则此过程中弹簧弹力所做的功?

铺垫1:弹簧弹力在拉伸过程中是否发生变化?

铺垫2:变力做功可以怎么处理?我们以前有没有学过类似的方法?

铺垫3:重力势能具有相对性,同样弹性势能也具有相对性,一般取原长处为弹性势能零点．

学生思考,讨论,交流.

方案1： 微元法

把弹簧从O到A的过程分成很多小段Δx,在每个小段Δx上,弹力可以看成恒力

W=W1+W2+…+WN=

-(kΔx·Δx+k2Δx·Δx+…+kNΔx·Δx)=

因为W=-ΔEp=-(Ep-Ep0)=-Ep.

方案2: 图像法

图8

类比迁移: 匀加速直线运动的位移:v-t图像中应用微元法; 外力F(变力)做的功:F-x图像中应用微元法

因为WF=ΔEp=Ep-Ep0=Ep-0，

设计思想:美国著名物理学家密立根说:“科学靠两条腿走路,一是理论,一是实验．有时这一条腿走在前面,有时另一条腿走在前面,但只有使用两条腿走路才能前进．”可见,理论探究与实验探究相结合的方法才是最科学的研究方法,更具有严谨性和说服力．教师通过创设问题情境,引导学生重演物理规律发现的过程,加深学生对规律的认识,体悟探究中运用科学方法．首先通过重力势能表达式探究的过程类比确定弹性势能表达式探究的方向,然后分析发现弹力是变力的问题,再通过借鉴匀变速运动中利用微元法化变为不变的思想,利用等差数列求和公式或图像法解决问题．通过弹性势能表达式的理论探究,渗透类比、微元、图像等物理思想方法,培养学生运用数学知识解决物理问题的能力以及知识的迁移能力,最终达到发展智力,培养学生的科学思维能力．

倡导基于核心素养的课堂教学是新时代教育的诉求,这种诉求说到底就在于实现课堂的转型,即由“教堂”转为“学堂”,由“知识为本的物理教学”转为“培育核心素养为主的物理教育”．在此思想指引下,教师要突出学生学习的主体性,充分相信学生,让学生在富有活力的课堂上自主探究．让我们一起努力,使核心素养在物理课堂茁壮成长.