劉玉樹(shù)　許芙蓉

摘 要：“勢(shì)能及其改變”是高中物理能量部分的重要內(nèi)容.核心素養(yǎng)是新一輪課改的焦點(diǎn)，是教育教學(xué)發(fā)展的根本宗旨.以“勢(shì)能及其改變”為例，闡述了在物理課堂中如何提升學(xué)科核心素養(yǎng).

關(guān)鍵詞：勢(shì)能;核心素養(yǎng);教學(xué)設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1008-4134（2021）07-0052-04

作者簡(jiǎn)介：劉玉樹(shù)（1969-），男，福建莆田人，本科，中學(xué)高級(jí)教師，研究方向：中學(xué)物理教學(xué);

許芙蓉（1995-），女，福建莆田人，碩士，中學(xué)二級(jí)教師，研究方向：中學(xué)物理教學(xué).

1 教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)

本節(jié)為魯科版（2019年版）高中物理必修第二冊(cè)第一章第4節(jié)的內(nèi)容.能量是物理學(xué)中重要的概念之一，而對(duì)能量概念的精準(zhǔn)把握和體系構(gòu)建卻是物理教學(xué)中最困難和抽象的.“勢(shì)能”是能量的一個(gè)下位概念，是繼“動(dòng)能”之后學(xué)生接觸的另一能量形式，深刻理解并掌握本節(jié)內(nèi)容，將為后續(xù)的機(jī)械能、電勢(shì)能等的學(xué)習(xí)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ).

課程標(biāo)準(zhǔn)要求學(xué)生“理解重力勢(shì)能”，并“知道重力勢(shì)能的變化與重力做功的關(guān)系.定性了解彈性勢(shì)能[1]”.學(xué)生在初中階段已接觸并學(xué)習(xí)了重力勢(shì)能和彈性勢(shì)能的定義，對(duì)功的理解和計(jì)算也有了相應(yīng)的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，日常生活中勢(shì)能的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)也較為豐富，但是高一學(xué)生的抽象思維能力、類(lèi)比遷移能力仍較為薄弱，對(duì)于“重力勢(shì)能”的定量表達(dá)式及其與“重力做功”的關(guān)系很難把握清楚.根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)的要求和物理學(xué)科核心素養(yǎng)的總體目標(biāo)，結(jié)合“勢(shì)能及其改變”的內(nèi)容特點(diǎn)及學(xué)情，本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)如下.

1.1 物理觀念

通過(guò)理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，初步建立“重力勢(shì)能”概念，進(jìn)而建立其上位概念——?jiǎng)菽埽纬赡芰坑^念.經(jīng)歷例題計(jì)算結(jié)合所學(xué)，解決實(shí)際問(wèn)題;通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)，觀看相關(guān)視頻，體驗(yàn)“勢(shì)能”的力量，進(jìn)而學(xué)會(huì)用其描述并解釋生活中相關(guān)物理現(xiàn)象.

1.2 科學(xué)思維

通過(guò)對(duì)本章“功和機(jī)械能”知識(shí)脈絡(luò)的展示，領(lǐng)悟并學(xué)會(huì)歸納，提升科學(xué)推理能力;先后經(jīng)歷了在驗(yàn)證和思考為何重力做功相等的過(guò)程，學(xué)會(huì)尋找和使用證據(jù)來(lái)表達(dá)自己的觀點(diǎn);對(duì)不同知識(shí)的呈現(xiàn)方式提出質(zhì)疑，學(xué)會(huì)從不同角度思考物理問(wèn)題;在探究重力做功的特點(diǎn)時(shí)，通過(guò)問(wèn)題引導(dǎo)，感受從理論和實(shí)驗(yàn)兩種不同方式解決物理問(wèn)題的方法.

1.3 科學(xué)探究

在分析了兩條山路的區(qū)別和共性后，能依此提出問(wèn)題，根據(jù)所探究的問(wèn)題在教師引導(dǎo)下設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案;根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)分析并處理，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)特點(diǎn)，并具備形成合理結(jié)論的素養(yǎng);能對(duì)科學(xué)探究過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行交流、評(píng)估、反思.

1.4 科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

了解勢(shì)能在生活中的應(yīng)用，認(rèn)識(shí)到物理來(lái)源于生活又服務(wù)于生活的科學(xué)本質(zhì);通過(guò)重力勢(shì)能概念的形成過(guò)程認(rèn)識(shí)到物理學(xué)是人類(lèi)對(duì)自然現(xiàn)象的描述和解釋?zhuān)惺芪锢砀拍罱⒌谋匾院秃?jiǎn)潔性;通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程，認(rèn)識(shí)到物理概念是建立在實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，養(yǎng)成尊重事實(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度;同時(shí)，培養(yǎng)了學(xué)習(xí)和研究物理的興趣和熱情，養(yǎng)成樂(lè)于與他人合作共享成果的態(tài)度和習(xí)慣.通過(guò)對(duì)“勢(shì)能”概念的應(yīng)用和實(shí)例分析，感悟物理在生活中的應(yīng)用價(jià)值;通過(guò)對(duì)生活現(xiàn)象的解釋加強(qiáng)安全意識(shí)，養(yǎng)成不高空墜物、遵紀(jì)守法的良好習(xí)慣，促進(jìn)STEM教育發(fā)展，進(jìn)而成為一位合法公民.

2 教學(xué)設(shè)計(jì)思路

根據(jù)擬定的教學(xué)目標(biāo)，本節(jié)課的教學(xué)設(shè)計(jì)以“科學(xué)探究”為主線，在科學(xué)探究中完成“勢(shì)能”概念教學(xué)，兼顧落實(shí)物理學(xué)科核心素養(yǎng)，整體設(shè)計(jì)思路如圖1所示.

3 教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

3.1 復(fù)習(xí)舊知，新課引入

問(wèn)題：（1）勢(shì)能分為哪些？（2）什么是重力勢(shì)能、彈性勢(shì)能？（3）重力勢(shì)能大小與什么因素有關(guān)？

向?qū)W生展示本章大致的知識(shí)脈絡(luò)（如圖2）.引導(dǎo)學(xué)生回憶以上問(wèn)題，以此引入本節(jié)課所學(xué)——“勢(shì)能的改變”.

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)問(wèn)題復(fù)習(xí)引入讓學(xué)生溫故而知新，知曉初中僅是對(duì)勢(shì)能的定性了解，高中須進(jìn)行較為深入的定量分析，了解初高中知識(shí)的關(guān)聯(lián)和遞進(jìn)關(guān)系，帶著本節(jié)課的任務(wù)走入課堂，做到心中有數(shù)，使學(xué)生更快地進(jìn)入學(xué)習(xí)狀態(tài)，促進(jìn)物理觀念的建立和提升.通過(guò)展示知識(shí)脈絡(luò)圖，一則讓學(xué)生對(duì)本章內(nèi)容有更為宏觀的認(rèn)知，二則借助知識(shí)與知識(shí)之間的聯(lián)結(jié)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)推理的素養(yǎng)，其中對(duì)“功”和“動(dòng)能”相關(guān)內(nèi)容的回顧也為本節(jié)課的教學(xué)做了相應(yīng)鋪墊.

3.2 科學(xué)探究，發(fā)現(xiàn)特點(diǎn)

問(wèn)題1：如圖3和圖4，汽車(chē)上山時(shí)，通常選擇蜿蜒曲折的大路，相較于直抵山頂?shù)穆?，二者有何區(qū)別和共性？

問(wèn)題2：導(dǎo)致這一共性的原因是什么？

學(xué)生思考討論發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是省距離費(fèi)力直抵山頂?shù)穆罚€是省力費(fèi)距離蜿蜒曲折的山路，二者做功均相等，都不省功.教師引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)將真實(shí)問(wèn)題情境轉(zhuǎn)變?yōu)槲锢砟Ｐ?，如圖5所示，分別求出汽車(chē)在兩種情形下的重力做功大小.直線AO表示直抵山頂?shù)纳铰?，設(shè)沿該途徑重力做功為WA;折線BCDO表示蜿蜒曲折的山路，同樣設(shè)其重力做功為WB.學(xué)生親自動(dòng)筆計(jì)算，投影展示并比對(duì)計(jì)算結(jié)果，如圖6所示，從而初步得到驗(yàn)證——汽車(chē)沿兩條山路行駛確是重力做功相等.

對(duì)第2個(gè)問(wèn)題，由于前面的推導(dǎo)，學(xué)生明白導(dǎo)致兩次做功一樣是因?yàn)楦叨认嗤?最后學(xué)生在教師的啟發(fā)下得出結(jié)論：兩次重力做功之所以相等是因?yàn)楦叨炔钜粯樱亓ψ龉εc路徑無(wú)關(guān)，只與高度差有關(guān).

問(wèn)題3：從理論角度已初步驗(yàn)證了重力做功只與高度有關(guān)，能否通過(guò)實(shí)驗(yàn)更深一步驗(yàn)證？又該如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和表格？

教師引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)：當(dāng)兩次實(shí)驗(yàn)物體的高度差一樣時(shí)，路徑不同的重力做功情況，當(dāng)改變高度差時(shí)，重力做功是否發(fā)生變化.實(shí)驗(yàn)如圖7所示.將兩個(gè)大小質(zhì)量都相同的帶有遮光條的小球A、B系于長(zhǎng)度不同但都懸掛于O點(diǎn)的細(xì)繩上，選定兩個(gè)平面a、b，其距地面的高度分別為h1、h2，并在a平面安裝有2個(gè)光電門(mén)1，在b平面裝有2個(gè)光電門(mén)2，即可借助光電門(mén)獲得A、B小球在a、b平面時(shí)的動(dòng)能，完成表1，根據(jù)動(dòng)能定理，可以求出兩球在不同路徑、相同高度差時(shí)的重力做功大小，間接驗(yàn)證了重力做功只與高度差有關(guān)的結(jié)論.

設(shè)計(jì)意圖：以身邊熟悉的情境“山路十八彎”作為切入點(diǎn)，創(chuàng)設(shè)物理情境，填表分析，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，建立模型，從理論上初步驗(yàn)證;進(jìn)而設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和表格，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)論，理論演算與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合，體驗(yàn)科學(xué)探究的過(guò)程，感悟嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，發(fā)展合作和創(chuàng)新意識(shí).分析綜合并得出結(jié)論增強(qiáng)學(xué)生理論與實(shí)際相結(jié)合的意識(shí)，滲透以物理學(xué)視角描述并解釋生活情境的科學(xué)論證和科學(xué)推理的素養(yǎng).在培養(yǎng)建模能力的同時(shí)，提高其從情境中發(fā)現(xiàn)和提出問(wèn)題的本領(lǐng).相較于常規(guī)的理論推導(dǎo)單調(diào)性，本環(huán)節(jié)以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)，在這一系列的教學(xué)啟發(fā)和誘導(dǎo)下，合作學(xué)習(xí)和探究學(xué)習(xí)相結(jié)合，基于最近發(fā)展區(qū)理論，學(xué)生更為深入地理解了重力做功的特點(diǎn)，為重力勢(shì)能概念的建立奠定了重要且堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).

3.3 找出關(guān)聯(lián)，建立概念

問(wèn)題1：如果汽車(chē)上山之后又返回至出發(fā)點(diǎn)，該過(guò)程重力做功等于多少？

問(wèn)題2：合外力做功對(duì)應(yīng)動(dòng)能的改變，重力做功又對(duì)應(yīng)什么能量的改變？

問(wèn)題3：重力做功與該能量是什么關(guān)系？

前面的理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)探究得出重力做功僅與始末高度差有關(guān)，汽車(chē)上山后返回出發(fā)點(diǎn)的高度差為零，因此該過(guò)程重力不做功，這反映重力做功具有保守性，如果一個(gè)力所做的功僅由受力質(zhì)點(diǎn)的始末位置決定，而與受力質(zhì)點(diǎn)所經(jīng)歷的路徑無(wú)關(guān)，這種力叫作保守力[2].

已知重力做功的表達(dá)式可寫(xiě)為WG=mgh1-mgh2.根據(jù)動(dòng)能定理，類(lèi)比遷移可知，重力做功一定也伴隨著某個(gè)能量的改變，觀察發(fā)現(xiàn)，這個(gè)能量的表達(dá)式為mgh，故其應(yīng)代表一種能量，該能量與重力和位置密切相關(guān)，物理學(xué)中將mgh稱(chēng)為重力勢(shì)能，其表達(dá)式書(shū)寫(xiě)為Ep=mgh，單位是焦耳，屬于標(biāo)量，同時(shí)也是狀態(tài)量.

要解決問(wèn)題3，需回到剛才重力做功的表達(dá)式，所以WG=Ep1-Ep2，又因?yàn)樽兓繛槟B(tài)減初態(tài)，ΔEp=Ep2-Ep1，所以有WG=Ep1-Ep2=-ΔEp，引導(dǎo)學(xué)生思考如何理解該關(guān)系，意為重力做正功，重力勢(shì)能減少，重力做負(fù)功，重力勢(shì)能增加.

設(shè)計(jì)意圖：依據(jù)重力做功的特點(diǎn)，計(jì)算當(dāng)始末位置相同時(shí)的重力做功，以此引入重力做功的保守力特點(diǎn)，進(jìn)而為“勢(shì)能”概念的建立甚至后續(xù)的“彈性勢(shì)能”“電勢(shì)能”做鋪墊.根據(jù)建構(gòu)主義思想，將重力做功與合外力做功進(jìn)行聯(lián)結(jié)構(gòu)建，提升學(xué)生的類(lèi)比遷移的學(xué)習(xí)能力，培養(yǎng)了科學(xué)推理的素養(yǎng).整個(gè)過(guò)程“重力勢(shì)能”概念的獲得、觀念的生成水到渠成、一氣呵成，學(xué)生對(duì)此也有了更為深刻的理解，同時(shí)也形成了更為完備且結(jié)合緊密的知識(shí)框架.展示了物理學(xué)科的系統(tǒng)性和邏輯嚴(yán)謹(jǐn)性，發(fā)展了對(duì)科學(xué)的興趣和熱情.

3.4 結(jié)合實(shí)例，深入理解

問(wèn)題1：重力勢(shì)能中的高度h是相對(duì)于誰(shuí)的高度而言？

問(wèn)題2：重力勢(shì)能有哪些特點(diǎn)？

問(wèn)題3：回憶機(jī)械功的大小比較方法，重力勢(shì)能的大小如何比較？

多數(shù)學(xué)生會(huì)認(rèn)為h是相對(duì)于地面的高度，教師肯定了大多數(shù)情況下地面為參考平面，但是繼續(xù)反問(wèn)，只能是地面嗎？回憶上學(xué)期的“參考系”概念，它的選取只能是地面嗎？學(xué)生恍然大悟，此時(shí)引入零勢(shì)能參考平面的概念.對(duì)于同一個(gè)物體，相對(duì)于不同的零勢(shì)能參考平面，所對(duì)應(yīng)的高度不同，自然此時(shí)的重力勢(shì)能也不同.從而推出重力勢(shì)能具有相對(duì)性的特點(diǎn).

為進(jìn)一步探究重力勢(shì)能的特點(diǎn)，針對(duì)以下兩種情境，質(zhì)量為1kg的小球分別在不受空氣阻力（如圖8（a））和受空氣阻力的作用下（如圖8（b））從A位置運(yùn)動(dòng)到B位置，已知h1=2m，h2=1m，f=2N，g取10m/s2.學(xué)生完成表2和表3.

觀察表格數(shù)據(jù)，分小組討論得出結(jié)論：（1）物體在各處的重力勢(shì)能與零勢(shì)能面的選取有關(guān)，但在初末位置一定時(shí)，重力勢(shì)能的改變量與其無(wú)關(guān);（2）重力勢(shì)能的改變量等于重力做功的負(fù)值，與是否受其他力無(wú)關(guān);（3）重力勢(shì)能雖然是標(biāo)量但是有正負(fù).

教師提問(wèn)：功和重力勢(shì)能都是標(biāo)量且有正負(fù)，功的正負(fù)表示動(dòng)力或阻力，比較大小看絕對(duì)值，重力勢(shì)能也如是嗎？實(shí)則否然.在完成表格時(shí)，學(xué)生已經(jīng)有了初步感知，物體位于零勢(shì)能面以上，重力勢(shì)能為正，位于以下，重力勢(shì)能為負(fù).類(lèi)比數(shù)軸或溫度計(jì)，正數(shù)一定大于負(fù)數(shù)，因此與功不同，重力勢(shì)能大小比較即為數(shù)學(xué)上的數(shù)字大小比較，數(shù)字大的重力勢(shì)能大.

教師補(bǔ)充：重力是由于地球的吸引而產(chǎn)生的，勢(shì)能也稱(chēng)位能，與相互作用的物體的相對(duì)位置有關(guān).重力勢(shì)能是由地球和地面上物體的相對(duì)位置決定，因此重力勢(shì)能實(shí)則是物體與地球所構(gòu)成的系統(tǒng)共同擁有的，平時(shí)所說(shuō)的“物體的重力勢(shì)能”是一種簡(jiǎn)化的說(shuō)法.

物體因?yàn)榘l(fā)生彈性形變而具有的能量稱(chēng)為彈性勢(shì)能.而彈性勢(shì)能與形變的大小和勁度系數(shù)有關(guān).如對(duì)同一根彈簧，形變量越大，對(duì)外做功的本領(lǐng)越大，所具有的彈性勢(shì)能也越大，同樣的，對(duì)相同的形變量而言，勁度系數(shù)大的物體，在恢復(fù)原狀的過(guò)程中對(duì)外做功越多.教師提問(wèn)，彈性勢(shì)能與彈力做功有什么關(guān)系.學(xué)生類(lèi)比重力勢(shì)能與重力做功，容易得出，彈力做正功，彈性勢(shì)能減少，彈力做負(fù)功，彈性勢(shì)能增加.

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)問(wèn)題和師生互動(dòng)，暴露學(xué)生的前概念，認(rèn)為高度一定是相對(duì)于地面而言，與零勢(shì)能參考平面的引入形成認(rèn)知沖突，學(xué)習(xí)了參考系選取的任意性，對(duì)零勢(shì)能參考平面的理解并無(wú)障礙.通過(guò)對(duì)問(wèn)題情境的相關(guān)物理量求解和計(jì)算，讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)，發(fā)現(xiàn)規(guī)律，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能動(dòng)性和積極性，知識(shí)在頭腦中的留痕也更為深刻和清晰.培養(yǎng)了發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和歸納綜合的能力，進(jìn)一步發(fā)展科學(xué)思維、科學(xué)探究和科學(xué)態(tài)度的核心素養(yǎng).在彈性勢(shì)能的學(xué)習(xí)中，深刻體會(huì)“類(lèi)比法”在物理學(xué)習(xí)中的重要地位.

3.5 應(yīng)用概念，聯(lián)系實(shí)際

問(wèn)題：勢(shì)能在日常實(shí)際生活中有哪些應(yīng)用，如何有效利用和防止？

教師提前布置學(xué)生，分小組收集勢(shì)能在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用資料并展示.

情境：地鐵車(chē)站的軌道為何往往建得高一些？如圖9所示.進(jìn)站后一般需要減速，軌道有一定坡度從能量上講可以將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為重力勢(shì)能，減緩速度，可以減少由于剎車(chē)所造成的耗損;出站時(shí)重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化成動(dòng)能，無(wú)需額外加速，節(jié)約能源.

情境2：勢(shì)能在體育競(jìng)賽中的應(yīng)用.如撐桿跳、跳水、蹦床、舉重、射擊、射箭等;勢(shì)能在生產(chǎn)生活實(shí)踐的應(yīng)用.如游樂(lè)場(chǎng)的滑滑梯、小孩玩的蹦蹦床，打樁機(jī)，水壩等.如圖10所示.

情境3： 勢(shì)能在生活實(shí)際中的防范.讓學(xué)生自由發(fā)言討論，提出相關(guān)防范舉措.如處于高處的物體具有重力勢(shì)能，因此要禁止高空拋物;如雪崩的極大殺傷力;物品不放在陽(yáng)臺(tái)護(hù)欄處，以免不慎掉落砸傷來(lái)往的行人或車(chē)輛;安裝好防盜網(wǎng)，看管好小孩.如圖11所示.

設(shè)計(jì)意圖：該環(huán)節(jié)意在讓學(xué)生做個(gè)生活的有心人，無(wú)論在校內(nèi)或校外，學(xué)會(huì)用所學(xué)的知識(shí)解釋生活現(xiàn)象，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造和創(chuàng)新.在解釋和提出解決措施中，既鞏固了本節(jié)課所學(xué)，還滲透了社會(huì)責(zé)任，提出并解決問(wèn)題的核心素養(yǎng).

參考文獻(xiàn)：

[1]中國(guó)人民共和國(guó)教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)[M].北京：人民教育出版社，2018.

[2]漆安慎，杜嬋英.普通物理學(xué)教程 力學(xué)（第三版）[M].北京：高等教育出版社，2012.

[3]許芙蓉，歐劍雄.核心素養(yǎng)視域下的“加速度”教學(xué)設(shè)計(jì)[J].物理教師，2020，41（10）：10-13.

（收稿日期：2020-12-14）