培養學生學科核心素養的物理教學過程設計研究

馮新娥

摘 要：以高中物理必修2“動能 動能定理”的教學為例，遵從“課前準備—新課引入—理論探究—升華應用”的教學過程主線，設計出一個符合新課程改革理念，努力將物理學科核心素養理念有效地融入教學內容的教學過程設計案例，以期對培養高中學生物理學科核心素養的課堂實踐教學提供借鑒和參考。

關鍵詞：核心素養;教學設計;高中物理;動能和動能定理

Abstract： Taking the section of “Kinetic Energy and Kinetic Energy Theorem” in the second compulsory physics in senior high school as an example， following the teaching main line of “Pre-class preparation - Introduction to new lessons - The theoretical exploration - Sublimation and application”. Designed a instructional design case which conforms to the new curriculum reform idea and effectively integrates the core literacy concept of physics into the teaching objective and content. With a view that providing reference for the classroom practice teaching of cultivating high school students’ core literacy of physics subject.

Key words： core literacy; instructional design; physics in senior high school; kinetic energy and kinetic energy theorem

1.研究背景

為進一步深化基礎教育課程改革，2013年，教育部組織了260多名專家，開展了普通高中課程的修訂工作。本次修訂對21世紀以來中國普通高中課程改革十余年的寶貴經驗進行了深入總結，并借鑒了國際科學教育的最新發展和課程改革的突出成果，共歷時4年完成了對普通高中課程方案和14門學科課程標準的修訂工作。2018年1月，教育部發布的《普通高中物理課程標準（2017年版）》（以下簡稱課程標準）明確界定：學科核心素養是學科育人價值的集中體現，是學生通過學科學習而逐步形成的正確價值觀念、必備品格和關鍵能力。物理核心素養主要包括“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態度與責任”四個方面。[1]課程標準的基本理念從雙基到三維目標再到物理學科核心素養，充分體現了基礎教育課程和教學改革的基本思想已從知識本位到以人為本的轉變。高中物理教師也應適應核心素養發展的時代要求，及時轉變教學理念，努力將物理核心素養的培養貫穿于物理教學的全過程中。教學設計作為教學實踐的重要環節，在培養高中學生物理核心素養的過程中起著相當重要的作用，對物理核心素養要求下教學設計的研究也具有了重要意義。[2]因此，筆者從培養和發展學生物理學科核心素養的角度出發，對高中物理“動能 動能定理”一節進行了教學過程設計研究與分析。

2.教學過程設計實例

2.1課前準備

將學生分為4人一組，布置預習任務。通過查閱資料等方式調查：

1.汽車超載與超速行駛的危害有哪些？

2.什么叫汽車的剎車距離（制動距離）？

學生將查到的結果在課前以書面報告的形式上交。

思考：為什么汽車超載或超速行駛能造成如此大的危害？

2.2新課引入

學生活動1——小組討論：對汽車超載與超速行駛（不規范行駛）造成嚴重事故的感受及思考，并對思考中的問題進行猜想。（教師引導學生從動能、能量守恒的角度分析推理。）

學生活動2——觀看“從物理學角度分析汽車超載與超速行駛的危害”動畫視頻：我們已經知道動能的大小主要由物體的質量和速度決定。當汽車超載行駛時，就意味著汽車的質量很大，質量越大，慣性就越大，動能也越大。同樣的道理，當汽車超速行駛時，汽車的速度就很大，速度越大，動能也越大。在剎車時，只有地面對車的滑動摩擦力做負功，根據功能關系，汽車剎車時動能越大，汽車的剎車距離就會延長，在遇上緊急突發情況下，剎車來不及的話，車輛很容易會發生碰撞，從而造成嚴重的交通事故。學生在觀看視頻的同時，在作業紙上記錄并分析汽車超載與超重造成嚴重后果的主要原因，（教師引導學生從功能關系出發構建簡單的物理模型，并引導學生嘗試用物理表達式表示剎車過程中的功能關系。）并在組內交流，提出需要深入研究的問題。

學生通過上述活動，初步了解了汽車超載與超速造成交通事故的主要原因，初步構建了汽車剎車過程中功能轉化的表達式，（“滑動摩擦力做負功=車的動能變化”即“-Fl=0-車的動能”）并提出需要深入探究的核心問題：我們如何用物理符號表示的表達式來描述汽車的動能進而描述汽車剎車過程中摩擦力做的功與汽車動能的轉化關系？

2.3理論探究

教師將學生分為3個大組。

問題1：動能的變化是用什么力做的功來度量的呢？

師：我們很少直接去研究某個能量，往往是通過做功研究某種能量的變化進而得出某種能量的具體形式，因為功是能量轉化的量度。例如重力勢能的變化用重力做的功來量度，進而定義了重力勢能的表達式，在汽車剎車過程中的動能的變化用摩擦力做的功來量度，那在更一般的情況下，動能的變化又用什么力做的功來度量，我們又該如何去構建物理模型呢？

活動1——小組討論：由對汽車剎車過程中功能轉化關系以及動能的影響因素的分析，我們構建的物理模型中應該要有哪些物理量？

要求：同組同學之間討論交流觀點，不同小組的同學之間再相互討論發表見解。

活動2——建構物理模型

由活動1的探究結果可知，我們構建的物理模型中應該包括描述功的物理量力（F）和位移量（l），以及描述動能的物理量質量（m）和速度（v），但又要使動能發生變化，為了研究方便，我們應該建立恒力和位移方向在同一直線上，且速度發生變化的直線運動物理模型。（教師引導學生構建模型，并利用演繹推理的方法進行理論探究。）

情境1：如圖2.1所示，質量為m的物體沿著光滑水平面運動，并在與運動方向相同的恒力F的作用下發生一段位移l，速度從v1增加到v2，求用功描述的物體動能變化的表達式。

情境2：如圖2.2所示，質量為m的物體沿著粗糙水平面運動，并在摩擦力Ff的作用下發生一段位移l，速度從v1變化到v2，求用功描述的物體動能變化的表達式。

情境3：如圖2.3所示，質量m為的物體在與運動方向相同的恒力F的作用下，沿粗糙的水平面運動了一段位移l，受到的摩擦力為Ff，速度從v1變為v2，求用功描述的物體動能變化的表達式。

活動3——演繹推理

第1組同學完成情境1的探究任務。

第2組同學完成情境2的探究任務。

第3組同學完成情境3的探究任務。

要求：

①每位學生獨立完成該小組的探究任務。（教師可引導學生用牛頓第二定律和運動學規律來推導力做功與物體動能的轉化關系。）

②同組同學對探究結果分析討論后，歸納探究結論。

③每組派1位代表講解本組理論探究過程中用到的方法、物理規律等，并總結本組理論探究的結論。

④根據自己組與其他組的理論探究匯報成果，先完成表2.1中EK的物理表達式，再完成表2.1探究1～4。

⑤如果用EK2表示一個過程中的末動能，用EK1表示這個過程的初動能，用W表示這個過程中合外力做的功，完成表2.1探究5。

教師也可增加“活動5——演示實驗”來通過實驗驗證動能定理，使同學們更深入的體會動能定理的正確性。關于演示實驗部分，教師可以自由發揮，選擇適合實際教學情況的實驗方案。

2.4升華應用

例1：一輛重1500kg的小轎車在平直的公路上以10m/s的速度行駛，忽然發現前方20m處有一靜止的大貨車，司機立刻剎車制動，司機的反應時間為0.5s，小轎車與地面的摩擦因數為0.5，請問，小轎車會不會與大貨車發生碰撞？

要求：分別使用動能定理和牛頓第二定律兩種方法進行解答。并討論哪種方法更簡便。

師：在我們理論探究中，動能定理是在物體受恒力作用，并且做直線運動的情況下得到的，當物體受變力作用，或物體做曲線運動時，大家可以采用過去的“微元法”，把變力或曲線過程分解為許多小段，可認為物體在每小段運動中受到的是恒力，且運動的軌跡是直線，從而能得到更一般情況下的動能定理，我們將在下節課的習題課中進行理論證明，有興趣的同學可以先查閱相關資料進行證明。正因為動能定理適用于變力做功和曲線運動的情況，所以在解決一些實際力學問題時，它得到了比牛頓第二定律更廣泛的應用。

3.教學過程設計的解釋和說明

本節課的教學通過精心設計的活動、問題、表格等很好的促進了學生物理學科核心素養的全面發展。課前準備以汽車超載與超速行駛為情景素材，并讓學生調查汽車超載與超速行駛的危害以及原因，以書面報告形式展現調查結果，密切聯系學生實際生活，很好的培養了學生的數據收集能力和調查能力。教師緊接著用電影《流浪地球》的經典臺詞引入新課，通過小組討論交流，發表自己對汽車超載與超速行駛的感受，激發學生的學習動機和社會責任感。接著通過觀看“從物理學角度分析汽車超載與超速行駛的危害”動畫視頻，并在紙上記錄主要數據，培養學生通過觀看視頻獲取有用信息的能力，進而提出需要探究的核心問題。

理論探究過程以“功是能量轉化的量度”作為切入點，主要圍繞著“根據核心問題的需要如何建構物理模型以及建構怎樣的物理模型”展開。主要培養和發展學生的科學思維能力。在分組探究中，除了探究過程中主要運用到的演繹推理法培養了學生的科學思維能力，還主要培養了學生探究時交流合作的精神，培養學生發現問題，主動探索的意識。通過探究表格的完成過程，培養學生對信息的綜合處理能力。最后，通過升華應用的例題，培養學生將理論應用于實踐的能力，進一步培養學生的科學態度與責任感。

通過本節課的學習，培養了學生的運動觀念和本節課的核心物理觀念——能量的觀念。使學生理解動能的概念，并通過運動與能量聯系觀念的深化，逐步掌握動能定理，并學會使用動能定理解決實際問題?？梢?，本節課的教學過程的設計重視理論探究，更符合新課程改革理念，切實做到了將物理學科核心素養理念有地融入教學目標和課堂教學內容各個方面，從而達到全面發展學生的物理學科素養的要求。

4.總結和展望

物理核心素養導向的教學是體現物理課程價值的必由之路，教師應該轉變教學觀念，以學生核心素養提升為目標，改革教學的方法和過程，關注學生個體知識的建構和應用，創設有利于能力發展的學習和現實情景，以身作則培養學生的物理核心素養。[3]核心素養教育作為新提出的教育理念，有很大的進步意義。為了更好的培養高中學生的物理學科核心素養，廣大的教育工作者有責任和義務，積極的探索物理學科核心素養導向下的教學設計研究，豐富物理學科核心素養導向下的物理教學設計案例，并努力將培養高中學生物理學科核心素養的教學設計應用到不同類型的物理課中，包括概念課、規律課、實驗課、習題課等。

參考文獻

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2]趙志成.培養高中學生物理核心素養的教學設計研究[D].揚州：揚州大學，2018.

[3]林欽，陳峰，宋靜.關于核心素養導向的中學物理教學的思考[J].課程·教材·教法，2015，（12）：90-95.