基于魔术实验的初中物理递进式问题教学设计

李少带

【摘要】以人教版初中物理第十一章第四节机械能及其转化为例，进行基于魔术实验的递进式问题教学设计，导入魔术实验，引发认知冲突，激发学习兴趣，开展递进式问题教学，推动学生认知过程维度从低阶向高阶过渡。

【关键词】初中物理;魔术实验;递进式问题;机械能及其转化;科学思维

培养和提高中学生的物理学科核心素养是我国新课程标准的基本理念，也是广大物理教学工作者的主要教学目标。物理学科核心素养主要包括物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任四个方面。

笔者以人教版初中物理第十一章第四节机械能及其转化为例，进行基于魔术实验的递进式问题教学设计。本教学设计通过引入魔术实验，培养和提升科学思维，达成新知识的建构，提高学生核心素养。

一、教学内容及目标

（一）教材解读

机械能及其转化是第十一章“功和机械能”的最后一节内容，是对前一节知识的概括与延伸。

（二）教学目标

二、学情分析

根据初中生学习心理特点，具体、形象、感性的知识比抽象的知识更易于被学生接受。另外，递进式问题教学设计能适合各个层次学生的学习需要，给予他们成功体验，利于提高他们的学习主动性，促进他们完成对新知识的建构。

三、教学过程

（一）导入魔术实验，引发认知冲突，激发学习兴趣

教师准备一个倾斜角度为20度的斜面和一个外观普通的圆筒（图1）。

教师提出问题：如果将圆筒从斜面的最高处释放，圆筒会怎样？

学生提出猜想：圆筒会沿着斜面滚下去，到达水平面后继续往前滚动一段距离后，最终停下来。

教师演示实验，验证学生的猜想。实验结果如图2、3、4所示：

圆筒从最高点a处释放，沿斜面滚落经过b、c 处，到达d处后并未停止（图2），反而向左边回滚，滚上斜面到达e处（图3），然后向下滚落至f处，再从f 处滚上斜面（图4）。如此反复几次，最终圆筒停止在水平面上。

（二）開展递进式问题教学，推动学生认知维度从低阶向高阶过渡，培养和提升科学思维，达成新知识建构

问题1：圆筒从斜面滚下的原因是？

回答1：圆筒受重力作用。

问题2：圆筒到达c处后，为什么继续向前滚？

回答2：圆筒具有惯性。

问题3：圆筒为何最终停下来？

回答3：圆筒在水平面滚动时，产生摩擦力，阻碍圆筒继续滚动。

问题4：圆筒从a到达c处， 发生怎样的能量转化？

回答4：重力势能转化为动能。

问题5：两者的大小关系怎样？你的依据是什么？

回答5：重力势能减小，动能增大。依据是圆筒从a处到达c处，质量不变，高度减小，所以势能减小。又因为圆筒的速度增大，所以动能增大。

问题6：在水平方向，圆筒并未受到任何的外力作用。圆筒向左回滚到斜面。说明是靠圆筒的内部力量。这个力量如何来的呢？

教师撕掉圆筒的外包装，向学生展示圆筒内部结构。教师重新演示魔术实验。

问题7：圆筒从a滚到c处，从c处滚到d处，从d处滚到e处的过程中，分别是什么能量的转化？

回答7：圆筒从a滚到c处的过程是重力势能转化为动能和弹性势能。圆筒从c处滚到d处的过程是动能转化为弹性势能。圆筒从d处滚到e处是弹性势能转化为动能和重力势能。

问题8：圆筒在滚动的过程中，动能和势能之间是完全相互转化吗？

回答8：圆筒在滚动的过程中，由于阻力的存在，圆筒克服阻力做功，能量消耗，所以动能和势能之间并不是完全相互转化。

问题9：什么是机械能？

回答9：动能，重力势能和弹性势能统称机械能。

问题10：什么是机械能守恒？

回答10：只有动能和势能相互转化，机械能总和不变，机械能守恒。

问题11：圆筒在滚动的过程中，机械能守恒吗？比较圆筒在a、b、c、 d、e、f处机械能的大小关系。

回答11：圆筒在滚动的过程中，动能和势能之间并不是完全相互转化，所以机械能不守恒。从a到f处，机械能逐渐减小。

问题12：请结合机械能守恒知识，解释为何圆筒在水平面向右滚动的距离，一次比一次近？在斜面向上滚动的高度，一次比一次低？

回答12：由于阻力的存在，圆筒在往返滚动的过程中，都需要克服阻力做功，能量消耗，机械能逐渐减小，机械能不守恒。圆筒在水平面滚动时，动能一次比一次小，所以运动距离减小;圆筒在斜面向上滚动时，重力势能一次比一次小，所以运动距离高度减小。

问题13：列举日常生活中有关动能和势能相互转化的其他例子，并判断机械能是否守恒。

回答13：荡秋千、蹦蹦床、过山车、拍皮球、单摆、滚摆、人造地球卫星……

继而，教师介绍有关大湾区海上风电场建设以及白鹤滩水电站建设的新闻报道。

问题14：风电场发电过程是什么能量转化？ 水电站发电过程是什么能量转化？

回答14：风电场发电过程风能转化为机械能再转化为电能，水电站发电过程水能转化为机械能再转化为电能。

问题15：列举日常生活中机械能和其他形式能量相互转化的其他例子。

回答15：电风扇、汽车……

通过时事新闻的报道，使学生认识到物理源于生活，服务于生活，现代科技发展离不开物理知识，使学生充分认识到科学、技术、社会和环境（STSE）之间的关系，培养学生的社会参与意识和社会责任感。同时达成新知识的构建3：机械能和其他形式的能量之间相互转化。

问题16：整合前面一节和这一节课的内容，完成以机械能核心知识的思维导图。如此，笔者通过整合单元知识，构建知识网络，达成认知高阶思维要求。

四、总结与反思

基于魔术实验的递进式问题教学设计是以生动有趣的魔术实验为导入，创设良好的认知冲突情境，极大地激发了学生的学习，再通过递进式问题的设置，推动各层次的学生认知思维从低阶到高阶的过渡，培养和提高学生的科学思维，并帮助学生完成新知识的构建，是一种培养和提高中学生物理学科核心素养的有效的教学设计方式。

【本文系广州市白云区教育教研小型课题“魔术实验”的后续开发——递进式问题教学模式的研究（课题编号2021XKT041）】

【参考文献】

[1]中华人民共和国教育部.物理课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2020.

[2]安德森.布鲁姆教育目标分类学修订版 分类学视野下的学与教及其测评[M].北京：外语教学与研究出版社，2017.

[3]林勤.思维的跃迁 高阶思维能力的培养及教学方式[M].上海：华东师范大学出版社，2019.

（责任编辑：洪冬梅）