基于核心素养的重力势能和动能的教学改进

文∣朱忠来

一、提出问题

《普通高中物理课程标准(2017年版)》要求“理解动能，理解重力势能，学会从机械能转化和守恒的视角分析物理问题，形成初步的能量观念”，如果教学只重视规律的运用，而轻视规律的来由，是偏离《普通高中物理课程标准(2017年版)》和物理核心素养中科学本质要求的。教学中，教师应回归教材，分析教材是如何导出重力势能和动能表达式的。

二、分析原因

笔者选取人教版2010年4月第3版《普通高中课程标准实验教科书·物理(必修2)》、粤教版2010年7月第1版《普通高中课程标准实验教科书·物理(必修2)》，人教版2019年7月第1版《普通高中课程标准实验教科书·物理(必修第二册)》和粤教版2019年8月第1版《普通高中课程标准实验教科书·物理(必修第二册)》这四种不同版本教材。仔细分析比较重力势能和动能表达式的推导部分。

对重力势能表达式的推导，四种版本教材的思路基本相同。先通过生活事例确定重力势能与质量和位置有关，再计算出不同路径下重力做功的相同特点WG=mgh1-mgh2，然后提出mgh是具有特殊意义的物理量，由于mgh既与重力做功有关，又恰与重力势能特征(物体的质量越大，所处位置越高，重力势能就越大)相符，从而断定物理量mgh称为物体的重力势能。

四种版本教材在提出重力势能和动能表达式时不够明了，没有清晰说明“它们为何有特殊意义，有什么样的特殊意义，又依据了什么样的原理，能否严格推导出表达式”，教师在教学中可以通过情境创设、逻辑推理试图严谨导出重力势能和动能的表达式，揭示科学本质。

三、教学实践

重力势能和动能部分的教学设计如图1所示。此教学设计改变了原本的单一教学。

图1 教学设计

(一)通过实验演示，深刻理解功能关系

教师在教学时提出以下两个情境.

情境1：如图2所示，将左边烧杯中一部分红色液体通过量筒转移到右边烧杯，那么左边烧杯减少的液体体积、右边烧杯增加的液体体积和量筒量出的液体体积这三者有何关系呢？

情境2：物体做自由落体运动，物体的重力势能转化为动能，那么物体重力势能减少量、动能增加量和重力做的功这三者有何关系？

对两情境比较，让学生理解，原来功就好比量筒，量筒可以度量液体的转移量，功可以度量能量的转化量。这样相似迁移，直观易懂，理解深刻，根植的“功是能量转化的量度”这一功能关系就更加根深蒂固。

图2

(二)构建物理情境，计算重力做功情况

教师出示情境3。

情境3：如图3所示，一质量为m的小球自由下落，经过图中两位置时速度分别为v1，v2，两位置离地面高度分别为h1，h2，请用不同方法计算出重力做功。

图3

教师引导学生提出解法一。由功的公式W=Fscosθ，得重力做功W=mgh1-mgh2。

(三)结合功能关系，识别重力势能和动能表达式

教师向学生提问：在情境3中，结合功能关系分析重力做功与重力势能、动能有什么关系？你能依据他们之间的关系从解法一和解法二的重力做功表示式中识别出重力势能和动能表达式吗？

四、结束语

由以上教学实践可以看出，教学实践中直接推导出了重力势能、动能的表达式，过程科学严谨，思路清晰自然，简明通俗易懂，变学生生硬接受的内容为课堂主动生成，避免了晦涩难懂，教学设计符合学生的认知规律。同时，改进后的教学还有利于学生科学推理能力的培养，以及重力势能、动能和功能关系等能量观念的形成。此外，教师还可以创设如下情境，根据弹簧弹力做功使系统动能与弹性势能发生转化来推导出弹簧的弹性势能表达式，以启发学生物理思维。

作为教师，教学中要深入课堂深入学生了解学情，钻研教材教法，设计教学内容，采用合适的教学策略。善于发现问题，勇于思考，敢于质疑，“以问题为课题”，做研究型教师。同时，课堂教学中重视发展学生物理核心素养，在一章一节中落实，为学生成长成才铺路。