核心素养导向下的“机械能守恒定律”教学设计

(上海市莘庄中学,上海 201199)

《普通高中物理课程标准(2017年版)》强调培养学生的物理学科核心素养，教师应在核心素养的导向下进行教学设计，创设教学情境，组织教学活动。本文以沪科版高中物理教材中“机械能守恒定律”的教学为例，探讨在课堂教学中培养学生物理学科核心素养的设计思路。

1 设计意图

“机械能守恒定律”(第一课时)是学习各种形式能量转化规律的起点，亦是力学的重要组成部分，是认识自然、掌握自然规律的重要“工具”，是建立正确能量观的重要载体。在本节课的学习中，学生需经历实验探究与理论探究相结合的学习过程，通过功和能量变化关系的学习感受物质世界的不断变化与紧密联系，从而建立能量观念，感悟“守恒量”在物理研究中的重要意义。

2 培养目标

物理核心素养是由物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任四方面组成。

物理观念是关于物质观念、运动与相互作用、能量等的基本认识，是物理概念和规律等在头脑中的提炼与升华。本节主要涉及以下物理观念：(1) 运动观。机械能守恒定律的建立必须依托相应的运动模型，教学中利用摆的运动、自由落体运动、光滑斜面小车的运动等来探究机械能守恒定律。(2) 能量观。本节课先从理论上分析自由落体运动中的机械能守恒，再针对三种不同类型的运动，通过实验探究机械能守恒，从而帮助学生建立正确的能量观。

科学思维主要包括分析、模型建构、质疑、推理、论证等要素。本节主要涉及以下要素：(1) 模型建构。引导学生建构自由落体运动模型，对机械能守恒定律开展理论分析。(2) 科学推理。运用科学推理，将机械能守恒从自由落体运动这一特殊的运动形式推广到一般的运动形式。

科学探究是指提出物理问题、形成猜想和假设、制订探究方案、获取处理信息、基于证据得出结论、交流、反思等。本节课主要解决以下两个问题：(1) 机械能守恒定律是什么？(2) 在什么情况下机械能守恒？在理论推导的基础上，借助DIS实验系统进行实验探究与论证，从而解决本节课的教学重难点。

科学态度与责任是在认识科学本质，理解科学·技术·社会·环境(STSE)的关系基础上逐渐形成的对科学和技术应有的正确态度以及责任感。教学中通过三组不同的运动过程的实验探究，归纳总结出机械能守恒定律。希望学生通过严谨、细致、耐心的实验，分析实验数据，小组之间讨论与交流，体会科学探究中的守恒思想，养成正确的科学态度。

3 教学实施

3.1 创设情境，发现问题，初具能量观念

情境导入：课堂以综艺节目——“加油向未来”的一段视频来引入，小撒坐在摆球中被拉到距离地面8m高的空中，张腾跃则坐到和摆球完全对称的位置上。在摆球完成摆动的过程中，两人在8m的高空尝试击掌。

师:小撒坐在大摆球中能否与张腾跃在空中击掌成功，本节课的学习将为我们揭开谜底。

师:请说说视频中蕴含了有关功和能的哪些信息？在小撒的运动过程中，动能、重力势能发生了怎样的变化？

师:以下摆过程为例，高度越来越低，重力势能越来越小，重力势能到哪里去了？

生：下摆过程中小撒的高度越来越低，他的速度却越来越大，因此，重力势能转化为动能。做功过程中，动能和势能发生相互转化。

师:不仅重力势能和动能之间可以相互转化，弹性势能和动能之间也可以相互转化。

通过对视频中所涉及的动能、重力势能进行分析，引入机械能的概念。

3.2 问题引领，设计方案，培养科学思维

师:我们首先分析了在自由落体运动中动能和重力势能，机械能的变化又如何呢？

生：机械能是动能与势能的总和，在自由落体运动中，我们需要选择运动过程中的两个位置1和2，分别求出这两个位置的动能和重力势能之后，进而推导出机械能是否守恒。

学生分小组进行理论探究，通过交流，总结得出结论：做自由落体运动的物体机械能守恒。

图1

3.3 任务驱动，实验探究，提升探究能力

师:除了竖直方向的自由落体运动，还有什么运动形式也可以用来研究机械能守恒的问题呢？如果让你通过实验探究的方式去进行研究，你会如何设计实验方案？请根据已有的实验器材在组内讨论并完成实验方案的设计。

学生以小组为单位进行实验方案的设计并汇报。

甲组：我们组是在前面理论分析的基础上，进一步通过实验的方法去研究自由落体运动(如图1)，实验步骤如下：

(1) 将两个光电门传感器依次在固定铁架台上，并连接到数据采集器。

(2) 打开DIS通用软件，点击“开始”按钮，让物体从高处下落依次通过两光电门，则物体通过两只光电门时的挡光时间t1、t2会记录在屏幕上。

(3) 利用光电门测得的数据进行计算，得出物体在h1处的速度v1、h2处的速度v2。通过数据计算，比较两处的机械能大小。

乙组：结合课本“自主活动”栏目，我们组研究是斜面上小车的机械能守恒情况(如图2)，实验步骤如下：

图2

(1) 将光电门传感器固定在力学轨道上，并连接到数据采集器。

(2) 将轨道一端抬高，小车上安装宽度为0.02m的挡光片，使小车及挡光片能够顺利通过并挡光。

(3) 打开DIS通用软件，点击“开始”按钮，让小车从轨道的高端下滑，使挡光片依次通过两光电门，则挡光片通过两只光电门的时间t1、t2会记录在屏幕上。

(4) 利用光电门测得的数据进行计算，得出小车在h1处的速度v1、h2处的速度v2。通过数据计算，比较两处的机械能大小。

丙组：研究摆锤在摆动过程中的机械能情况(如图3)，实验步骤如下：

图3

(1) 架设好DIS机械能守恒实验器，光电门传感器接入数据采集器，将磁铁夹固定在机械能守恒实验器的A点。

(2) 点击教材专用软件主界面上的实验条目“研究机械能守恒定律”，打开该软件。

(3) 将摆锤直径0.0070m以及质量0.0080kg输入表格中。

(4) 点击“开始记录”按钮，在A点释放摆锤，摆锤通过光电门传感器的速度就会显示在表格中。

(5) 依次将光电门固定在B、C点，得到光电门在B、C位置的数据。

(6) 点击“数据计算”，得到摆锤通过A、B、C各点的动能、势能和机械能。

师:各组方案都比较成熟，下面的时间就交给同学们，根据制定的实验方案，进行实验，实验结束后我们以小组为单位进行交流。

学生合作完成实验，并进行交流展示。

甲组交流：我们对自由落体运动进行了研究，下落物体挡光的宽度为1.2cm，设物体质量为mkg，获得的数据如表1。对实验获得的数据进行处理后发现：在实验误差允许的范围内，物体在自由落体过程中两点的机械能大小相等。

表1

乙组：我们对斜面上小车的运动展开研究，实验中所用挡光片宽度为2cm,设小车质量为mkg,获得的数据如表2。经过数据处理，得出结论：在实验误差允许的范围内，运动的小车在斜面上两点间的机械能相等。

表2

丙组：数据分析，基于摆锤摆动过程进行研究。根据实验现象分析，摆锤从某处摆下总是可以到达对面等高的位置，实验数据如表3，该组实验数据分析可知：在摆锤摆动过程中机械能守恒。

表3

综合以上三组实验数据，我们可知在只有重力做功的情况下，物体的动能和重力势能发生相互转化，但机械能总量保持不变，这个规律叫做机械能守恒定律。

3.4 前后呼应，联系实际

师:学过机械能守恒定律后，我们来揭开视频的谜底，小撒和张腾跃能否在空中击掌？为什么他们不能在空中击掌成功？

生：如果不考虑一切阻力，机械能守恒，他们还有可能成功。因为有阻力的存在，机械能有损失，所以碰不到。

师:这位同学总结得很好。也就是说，不是任何情况下机械能都是守恒的，机械能守恒是有条件的。

师:本节课我们分别通过理论分析和实验探究、论证、归纳的方法去研究了机械能守恒定律，理解了机械能守恒定律的内容和定律成立的条件。在学习过程中我们用到了很多方法，希望同学们在今后的学习中，除了关注所学的知识本身，也要多关注思维方法、实验探究的方法，这些对我们的终身发展更有意义。

4 课后反思

(1) 在教学中用综艺节目的视频引入，激发了学生的兴趣。视频震撼，学生仿佛身临其境，将学生的注意力迅速聚焦到本节课的研究课题上。在新课引入时，只播放了视频的前半段，并提出问题：“小撒和张腾跃能否空中击掌成功？”给本节课的学习留下一个悬念，激发学生探索的欲望。在学完机械能守恒定律之后，播放了视频的后半段，让学生用学到的知识对视频结果进行解释，理解机械能守恒定律的成立条件。将视频与教学内容充分整合，将教学资源的作用发挥到最大。

(2) 建立自由落体运动模型，对机械能守恒进行理论推导，一方面是帮助学生初步建立能量守恒观，另一方面也为后面的实验探究提供理论支撑。同时，该过程也是学生科学思维、提升的过程，在推导过程中涉及动能、重力势能以及功和能量变化的关系等相关知识点，对学生知识应用的能力提出了较高的要求。在课堂教学中，还需关注学困生，多加指导。

(3) 实验中的三种典型的运动形式均来源于教材中，学生在设计实验方案时普遍感到难度不大。在实验研究的基础上，各小组对实验过程、观察到的现象以及实验数据进行了展示，最后全班同学将实验结论进行归纳。使得机械能守恒定律的内容在学生们的相互协作中应运而生，实现了“做”中学。通过实验探究，学生能清晰地理解实验中出现机械能守恒“不和谐”的原因：有除了重力之外的力在做功。

在课堂教学中，教师要去指导全班学生进行三种分组实验，显然分身乏术。针对每种实验，教师在课前准备了相应的工作单，学生可以根据工作单上的提示，完成相应的设计，展开实验。但是在实际教学过程中依然出现了个别小组对课桌上的一堆实验器材无从下手的情况，也有些小组在最后的数据处理上出现问题，所以提升学生的科学探究能力任重而道远。