讓學(xué)生在問題解決的過程中建構(gòu)知識

朱靜

摘 要： 高中物理新課程要體現(xiàn)物理學(xué)科本質(zhì)，培養(yǎng)現(xiàn)代公民必備的物理核心素養(yǎng)，從物理觀念、科學(xué)思維、實(shí)驗(yàn)探究和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任等方面深入挖掘和提煉科學(xué)育人的價(jià)值.本節(jié)“動能”教學(xué)設(shè)計(jì)通過真實(shí)情境引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)和提出問題，讓學(xué)生根據(jù)解決問題的需要，收集和選擇有用的信息，經(jīng)歷科學(xué)探究、科學(xué)推理和科學(xué)驗(yàn)證的不斷完善的過程，逐步建構(gòu)知識，從中體會科學(xué)研究的方法，發(fā)展科學(xué)思維和科學(xué)探究能力.

關(guān)鍵詞： 動能;問題解決;核心素養(yǎng);知識建構(gòu)

1 理論基礎(chǔ)

1.1 新課程標(biāo)準(zhǔn)的理念

高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)基本理念指出引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，提倡教學(xué)方式多樣化.高中物理課程通過創(chuàng)設(shè)學(xué)生積極參與、樂于探究、善于實(shí)驗(yàn)、勤于思考的學(xué)習(xí)環(huán)境，培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力.通過多樣化的教學(xué)方式，利用現(xiàn)代信息技術(shù)，引導(dǎo)學(xué)生理解物理學(xué)的本質(zhì)，整體認(rèn)識自然界，形成科學(xué)思維習(xí)慣，增強(qiáng)科學(xué)探究能力和解決實(shí)際問題的能力[1].

1.2 布魯納的認(rèn)知發(fā)現(xiàn)學(xué)說

布魯納認(rèn)為，人的認(rèn)識過程是把新學(xué)得的信息和以前學(xué)習(xí)所形成的心理框架聯(lián)系起來，積極的構(gòu)成他的知識的過程.在這個(gè)過程里面，個(gè)人把他的感覺資料和他的世界模式聯(lián)系起來，推論出一個(gè)關(guān)于外部事物的假設(shè)，然后用這個(gè)事物的一些性質(zhì)來驗(yàn)證他的假設(shè).布魯納反對把人的認(rèn)識過程看成一個(gè)在認(rèn)識上被動的接受者，而把人的認(rèn)識過程看成是一種積極的構(gòu)造過程[2].

1.3 建構(gòu)主義理論

建構(gòu)主義認(rèn)為學(xué)習(xí)是一種個(gè)體主動參與的過程.世界是客觀存在的，但是對于世界的理解是由每個(gè)人自己決定的，個(gè)人是以自己的經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)來建構(gòu)現(xiàn)實(shí)或解釋現(xiàn)實(shí)，個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)不同，對外部世界的理解也會不同.所以建構(gòu)主義者更關(guān)注如何在原有的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上來建構(gòu)新的經(jīng)驗(yàn).在建構(gòu)的過程中，不斷的通過同化和順應(yīng)實(shí)現(xiàn)對認(rèn)知沖突的解決，達(dá)到新的平衡，從而促進(jìn)認(rèn)知的發(fā)展.所有的知識都是以先前的知識為基礎(chǔ)進(jìn)一步發(fā)展而成的，并隨著知識基模和環(huán)境的互動而改變.[2]

1.3 科學(xué)概念理解的發(fā)展層級模型

北京師范大學(xué)物理系課程與教學(xué)論郭玉英教授提出的科學(xué)概念的發(fā)展層級模型見表1：

整合 學(xué)生能由核心概念統(tǒng)整對某一科學(xué)觀念（例如物質(zhì)觀念、能量觀念等）的理解，并建構(gòu)科學(xué)觀念間和跨學(xué)科概念（例如系統(tǒng)、尺度等）之間的聯(lián)系.

2 結(jié)合理論基礎(chǔ)進(jìn)行的“動能”教學(xué)設(shè)計(jì)思路

2.1 讓學(xué)生在問題解決的過程中建構(gòu)知識

本節(jié)課在學(xué)生已有的動能概念和動能影響因素的基礎(chǔ)上提出問題：如何尋找動能和質(zhì)量、速度間的具體關(guān)系？通過分析生活中的實(shí)例引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)力對物體做功的過程中動能的大小發(fā)生改變，進(jìn)而使學(xué)生認(rèn)識到可以通過研究運(yùn)動過程中力對物體做的功與物體動能變化量之間的關(guān)系來尋找規(guī)律，確定了研究的思路.首先設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究環(huán)節(jié)，讓學(xué)生獲得在實(shí)際情境中解決物理問題的體驗(yàn)，形成把情境和知識相關(guān)聯(lián)的意識;在實(shí)驗(yàn)事實(shí)的基礎(chǔ)上引導(dǎo)學(xué)生利用運(yùn)動學(xué)公式和牛頓第二定律，用邏輯推理的方法進(jìn)行理論研究，最后結(jié)合兩方面研究讓學(xué)生逐步建構(gòu)動能的概念，并認(rèn)識到合力做功與動能變化量間的關(guān)系.

本節(jié)課核心問題框架如下（如圖1所示）：

2.2 基于進(jìn)階的教學(xué)設(shè)計(jì)流程圖（如圖2所示）

3 “動能”教學(xué)實(shí)施過程及設(shè)計(jì)意圖

3.1 創(chuàng)設(shè)情境

教師：海水將貝殼沖到沙灘上、大風(fēng)將路邊的樹木吹歪（如圖3所示）.運(yùn)動的物體具有對外做功的本領(lǐng)，說明運(yùn)動的物體具有能量，物理學(xué)中把物體由于運(yùn)動而具有的能量稱為動能.

提問：動能的大小和哪些因素有關(guān)呢？

學(xué)生：回顧初中所學(xué)過的動能的概念.動能的大小和物體的質(zhì)量、速度大小有關(guān).質(zhì)量相同時(shí)，速度越大，動能越大;速度相同時(shí)，質(zhì)量越大，動能越大.

【設(shè)置意圖】復(fù)習(xí)初中動能的概念，復(fù)習(xí)初中動能大小的影響因素.

3.2 分析確定研究思路

提問：如何比較圖4中兩個(gè)物體動能的大??？

學(xué)生：無法比較二者動能

教師：無法比較質(zhì)量和速度都不同的兩個(gè)物體的動能大小.我們還需要去尋找動能和質(zhì)量、速度之間的更加具體的關(guān)系.

提問：怎么來尋找呢？

教師演示：小球下落，下落過程中動能變了嗎？

學(xué)生：重力和阻力的作用，合力向下，使物體加速，動能變大.

教師：可以用牛頓定律的知識來解釋.換一個(gè)角度，物體下落的過程中重力、空氣阻力的合力對物體做功，物體動能發(fā)生了改變.

學(xué)生：舉出生活中力對物體做功使物體動能發(fā)生改變的實(shí)例.

確定研究思路：

力對物體做功，物體的動能變化→力對物體做功和物體動能關(guān)系→力對物體做功和物體速度關(guān)系

【設(shè)計(jì)意圖】通過問題設(shè)計(jì)，引出尋找動能與質(zhì)量、速度關(guān)系的必要性，引出本節(jié)課的主題.引導(dǎo)學(xué)生從力做功與動能變化關(guān)系的角度去研究問題.

3.3 實(shí)驗(yàn)探究

教師：物理常用的研究方法有實(shí)驗(yàn)探究和理論推導(dǎo)，下面來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究.首先控制質(zhì)量不變，探究力對物體做功和物體速度關(guān)系.課堂上先選一個(gè)比較簡單、比較容易操作的運(yùn)動情境來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究.選什么樣的運(yùn)動情境來研究呢？

學(xué)生：分析討論最后確定研究對象做落體運(yùn)動.

提問：落體運(yùn)動中需要測量哪些物理量？分別需要什么實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行測量呢？具體實(shí)施方案是什么？

學(xué)生：（1）測量不同位置的物體速度;功不可以直接測量，可以測出重力、重力方向上下落的高度，計(jì)算出功.（2）測量速度用光電門，減少課堂上處理紙帶時(shí)間.（3）計(jì)算得出從初始釋放點(diǎn)到不同位置重力做的功，測量出不同位置的速度，分析數(shù)據(jù)，尋找規(guī)律.

【設(shè)計(jì)意圖】設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究的方案.

教師：物體下落過程中還不可避免的會受到空氣阻力，空氣阻力的影響不大的情況下可以把它忽略，這樣研究的運(yùn)動情境就變成了自由落體.

【設(shè)計(jì)意圖】滲透“理想化模型”的物理思想.

教師介紹實(shí)驗(yàn)裝置（五個(gè)傳感器并列固定在鐵架臺上如圖5所示），進(jìn)行課堂實(shí)驗(yàn).

【設(shè)計(jì)意圖】進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，給學(xué)生以直觀的體驗(yàn).

師生共同進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理.

學(xué)生：討論如何尋找W和v的關(guān)系，利用Excel表格處理 數(shù)據(jù)，最后得出W和v2成正比的關(guān)系（如圖6所示）.

提問：實(shí)驗(yàn)得出的這個(gè)規(guī)律對你有什么啟發(fā)？

學(xué)生：動能的表達(dá)式中應(yīng)該有v2，而且力做的功W應(yīng)該還與質(zhì)量m有關(guān)，應(yīng)該再探究一下力做的功和質(zhì)量m的關(guān)系.

教師：改變下落物體的質(zhì)量m，得到多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（如圖7、圖8所示）.觀察數(shù)據(jù)能發(fā)現(xiàn)什么規(guī)律？

學(xué)生：發(fā)現(xiàn)m越大，k越大，k近似的為m的1/2.

【設(shè)計(jì)意圖】利用傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，能夠快速的得出不同位置的速度，在課堂上利用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)據(jù)處理和分析的能力.通過實(shí)驗(yàn)事實(shí)使學(xué)生認(rèn)識到：w和v2平方成正比，而且比例系數(shù)和質(zhì)量m有關(guān).

3.4 理論推導(dǎo)

教師：由于實(shí)驗(yàn)過程中阻力的存在，還有測量誤差的關(guān)系，無法得到一個(gè)精確的關(guān)系式，研究物理問題還有一種常用的方法是理論推導(dǎo)，試試從理論上推導(dǎo)看看會有什么收獲.

提出問題：理論推導(dǎo)自由落體過程中任意兩個(gè)位置之間重力做功W與m、v的關(guān)系（如圖9所示）.

教師：推導(dǎo)過程中如果需要用到其他的物理量可以先假設(shè)，最后要消掉.

學(xué)生：利用所學(xué)的運(yùn)動學(xué)知識和牛頓定律的知識進(jìn)行理論推導(dǎo)，推導(dǎo)出后找一個(gè)學(xué)生將推導(dǎo)過程在黑板上進(jìn)行板書.

學(xué)生將表達(dá)式進(jìn)行整理，把位置1的相關(guān)物理量和位置2的相關(guān)物理量分開寫，得出表達(dá)式：W= mv22/2- mv21/2

教師：這個(gè)關(guān)系又能給你帶來哪些啟發(fā)或思考呢？可不可以幫助我們找到動能與m、v的具體關(guān)系呢？

學(xué)生：因?yàn)榱ξ矬w做功，物體的動能在變化.而m和v剛好是動能的兩個(gè)影響因素， mv2/2這個(gè)量可以用來表示動能

教師：實(shí)驗(yàn)探究的結(jié)果和理論推導(dǎo)的結(jié)果是一致的.

提問：自由落體運(yùn)動物體只受一個(gè)力作用.如果物體同時(shí)受多個(gè)力的作用，哪個(gè)力的功等于物體動能的變化量？

學(xué)生：推導(dǎo)落體運(yùn)動不忽略空氣阻力情況下，力做功與物體動能變化的關(guān)系.最后得出結(jié)論：這個(gè)過程中合力的功等于動能的變化量

【設(shè)計(jì)意圖】在實(shí)驗(yàn)探究的基礎(chǔ)上進(jìn)行理論推導(dǎo)，幫助學(xué)生在頭腦中建構(gòu)更完整更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹R體系.并進(jìn)一步完善已有知識，得出規(guī)律：合力做的功等于動能的變化量.

3.5 小結(jié)

教師：這節(jié)課我們分別從實(shí)驗(yàn)探究和理論推導(dǎo)兩個(gè)角度去尋找動能和m、v的具體關(guān)系，動能的表達(dá)式為：

Ek= mv2/2.

在這個(gè)尋找的過程中還發(fā)現(xiàn)了一個(gè)重要的規(guī)律，力對物體做的功和動能變化量的關(guān)系：

W= mv22/2- mv21/2.

3.6 拓展

（1）課后閱讀：查閱資料了解一下歷史上科學(xué)家們尋找動能表達(dá)式的過程.

（2）物體下落過程中重力勢能減少，動能增加，那總的能量如何？

4 教學(xué)反思

本節(jié)課實(shí)施后，結(jié)合課堂實(shí)施情況進(jìn)行以下反思，并提出改進(jìn)思路：

4.1 教師創(chuàng)設(shè)問題情境后如何更有效的引導(dǎo)

本節(jié)課不足之處：引入新課教學(xué)的環(huán)節(jié)中，教師提出了“如何比較質(zhì)量和速度都不一樣的兩個(gè)物體的動能的大小關(guān)系？”，學(xué)生回答出“無法比較”后，教師很快提出“這節(jié)課的主題為研究動能和速度、質(zhì)量之間更加具體的關(guān)系.”

【改進(jìn)思路】教師在課堂上創(chuàng)設(shè)了某種情境，不應(yīng)直接提出要研究的問題，而應(yīng)讓學(xué)生在觀察后有所思考，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)的思維，自己提煉出應(yīng)該探究的科學(xué)問題.培養(yǎng)學(xué)生把生活中的真實(shí)情境和物理知識相關(guān)聯(lián)的能力.

4.2 小組討論學(xué)習(xí)的有效性

本節(jié)課不足之處：小組討論環(huán)節(jié)中由于老師的問題設(shè)計(jì)啟發(fā)性不足，導(dǎo)致有些學(xué)生在討論時(shí)思路不是很清楚;在小組討論后全班交流的環(huán)節(jié)，由于時(shí)間的關(guān)系沒有讓學(xué)生充分的暴露出自己的困惑.

【改進(jìn)思路】教師應(yīng)盡可能的去引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)和提出問題，設(shè)計(jì)由淺入深的啟發(fā)式的問題引導(dǎo)學(xué)生思考，盡可能讓學(xué)生自己得出相應(yīng)的結(jié)論，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力;當(dāng)學(xué)生的結(jié)論中有錯(cuò)誤時(shí)教師不要著急更正，而是讓學(xué)生充分暴露出自己的問題，引導(dǎo)再次討論和交流，在同伴的幫助下更正問題，培養(yǎng)學(xué)生的質(zhì)疑精神和解決問題的能力.

4.3 注意知識之間的融會貫通

本節(jié)課不足之處：在實(shí)驗(yàn)探究環(huán)節(jié)中，利用Excel表格處理數(shù)據(jù)得出W和v2成正比的關(guān)系后，學(xué)生討論提出猜想：力做的功W應(yīng)該還與質(zhì)量m有關(guān)，應(yīng)該再探究一下力做的功W和質(zhì)量m的關(guān)系.教師緊接著就進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究“力作的功W與質(zhì)量m的關(guān)系”.

【改進(jìn)思路】學(xué)生提出“力做的功W應(yīng)該還與質(zhì)量m有關(guān)”，教師可以引導(dǎo)進(jìn)一步思考這樣猜想的依據(jù)是什么，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究驗(yàn)證猜想之前可以從單位制的角度去初步驗(yàn)證這一猜想是否正確.在教學(xué)的過程中遇到合適的時(shí)機(jī)可以將相關(guān)的知識進(jìn)行恰當(dāng)應(yīng)用，注意知識之間的融會貫通.

4.4 知識拓展環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)

本節(jié)課不足之處：得出動能概念及合力做功與動能變化量之間的關(guān)系之后，雖然提出了“動能和重力勢能都變化時(shí)總量如何？”，但是對啟發(fā)學(xué)生思考方面效果不夠好.

【改進(jìn)思路】啟發(fā)學(xué)生思考還有那些問題需要研究，給學(xué)生發(fā)表自己觀點(diǎn)的機(jī)會，讓學(xué)生將頭腦中困惑的地方都暴露出來，激發(fā)學(xué)生的物理學(xué)習(xí)熱情，為后續(xù)的學(xué)習(xí)做準(zhǔn)備.

5 小結(jié)

本節(jié)內(nèi)容是在學(xué)生知道了重力做功與重力勢能之間關(guān)系的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步用做功與能量的關(guān)系探索另一種能量：動能，并在探索的過程中認(rèn)識到合外力做功與動能變化的關(guān)系.本節(jié)課對學(xué)生理解 “功是能力變化的量度”這個(gè)核心觀念起著很重要的作用.通過本節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，深化了學(xué)生對功的概念的理解，拓展了求功的思路，為機(jī)械能守恒定律的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)，本節(jié)內(nèi)容是本章的關(guān)鍵內(nèi)容，也是重點(diǎn)內(nèi)容.讓學(xué)生經(jīng)歷動能概念的建構(gòu)過程，對發(fā)展學(xué)生的能量觀念和培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維方式、科學(xué)研究方法都起到很重要的作用.

學(xué)生已經(jīng)知道動能的概念和動能與質(zhì)量、速度之間定性的關(guān)系，本節(jié)課是在學(xué)生原有知識基礎(chǔ)上延伸和提升，實(shí)現(xiàn)知識結(jié)構(gòu)的發(fā)展和完善;學(xué)生已具有一定的實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)能力、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的能力，在圖線處理時(shí)能夠通過改變坐標(biāo)量把關(guān)系不明的曲線轉(zhuǎn)化為關(guān)系較明朗的直線;學(xué)生具備了相關(guān)的運(yùn)動學(xué)知識和牛頓力學(xué)的知識， 有自主進(jìn)行理論推導(dǎo)得出功和動能變化之間關(guān)系的能力.在總結(jié)歸納動能的表達(dá)式過程中，要求學(xué)生具有高度的分析和概括能力，這對學(xué)生來說有一定的困難，需要教師的引導(dǎo).

以往的教學(xué)設(shè)計(jì)通常將實(shí)驗(yàn)探究和理論推導(dǎo)分為兩課時(shí)，把側(cè)重點(diǎn)放在實(shí)驗(yàn)操作或是理論推導(dǎo)的公式應(yīng)用上，不能很好的突出動能概念的建構(gòu)過程.本教學(xué)設(shè)計(jì)圍繞“尋找動能和速度、質(zhì)量之間的具體關(guān)系”這一主線展開，首先通過分析生活中的實(shí)例引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)“力對物體做功的過程中動能的大小發(fā)生改變”，進(jìn)而認(rèn)識到可以通過研究運(yùn)動過程中力對物體做的功與物體動能變化量之間的關(guān)系來尋找規(guī)律，確定了研究思路;接著設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究環(huán)節(jié)，在課堂上利用光電門傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并利用Excel處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)， 可以快速方便的得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)而將側(cè)重點(diǎn)放在對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析討論上;在充分討論的基礎(chǔ)上引導(dǎo)學(xué)生利用所學(xué)公式進(jìn)行理論研究，并再次對推導(dǎo)的結(jié)果進(jìn)行分析討論，最后結(jié)合兩方面研究讓學(xué)生逐步建構(gòu)動能的概念，這樣設(shè)計(jì)有利于學(xué)生動能概念建構(gòu)過程的完整性.通過真實(shí)情引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)和提出問題，讓學(xué)生根據(jù)解決問題的需要，收集和選擇有用的信息，經(jīng)歷科學(xué)探究、科學(xué)推理和科學(xué)驗(yàn)證的不斷完善的過程，逐步建構(gòu)知識，從中體會科學(xué)研究的方法，發(fā)展科學(xué)思維和科學(xué)探究能力.

參考文獻(xiàn)：

[1] 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[M].北京：北京師范大學(xué)出版社， 2017.

[2] 林崇德，張奇.學(xué)習(xí)理論[M].武漢：湖北出版社，2001.