基于课程标准的“机械能及其转化”的教学设计

邸传迪 李新乡

（曲阜师范大学物理工程学院，山东 曲阜 273165）

实施基于课程标准的教学，基础性的工作是基于课程标准的教学设计.威金斯和迈克泰提出的“逆向设计模式”主张：在教学设计中首先明确源于课程标准的学习目标；然后先于教与学活动设计，设计检测学习目标是否达到的评价活动；最后设计教与学的活动.实施逆向设计，可以使教师带着问题思考教学，确保学习目标的实现；确保实现标准、教学与评价的一致性.

1 教学任务分析

“能量的转化和守恒”是自然界最普遍、最重要的基本定律之一，它反映了物质运动和相互作用的本质，不仅贯穿在声现象、热现象、力现象、电磁现象等整个物理教学过程中，而且广泛渗透在各门学科中，并和各种产业及日常社会息息相关.机械能是最常见的一种能量，转化是最基本的科学思想.通过动能、势能和机械能及其转化的内容，使学生加深认识功和能的关系，同时向学生渗透转化的思想，对今后的学习具有基础性的意义.

《义务教育物理课程标准（2011年版）》对该内容的相关要求是“知道动能、势能和机械能.通过实验，了解动能和势能的相互转化.举例说明机械能和其他形式能量的相互转化.例如，用荡秋千的过程定性说明动能和势能的转化情况”.其中，“知道”、“了解”、“举例说明”是知识与技能维度的要求，“通过实验”是过程性要求.

2012年新版物理教材将其安排在8年级第11章“功和机械能”，其中“机械能及其转化”是第11章的第4节内容.它既是前面所学“动能和势能”的延伸，又为后面学习“能量的转化和守恒”奠定基础，起到了承上启下的作用.教材内容由“机械能及其转化”和“水能和风能的利用”两个板块组成，包括两个“想想做做”、一个“科学世界”，图文并茂，符合学生认知规律.虽然本节内容与生活实际密切相关，但所涉及的物理知识比较抽象，因此给教师对教材的处理、整合、发挥留下了足够的空间.

综上所述，动能和势能的相互转化是本节课的教学重点.

2 学情分析

在前面的学习中，学生已经学过动能和势能的概念，定性地了解影响动能和势能大小的因素，对动能和势能有初步的认识.同时学生在生活中见到过很多动能和势能相互转化的实例，但不会也不可能从动能和势能的转化对其进行分析，无法由动能和势能的变化联系到两者之间的相互转化，从而形成教学难点.

3 教学目标

依据基于课程标准的教学理念和上述两项分析，设计出源于课程标准的学习目标.

知识与技能：① 知道机械能的概念.

② 了解动能和势能的相互转化.

③举例说明机械能和其他形式能量的相互转化.

过程与方法：④ 经历归纳建立机械能转化规律的过程，提高分析和归纳能力.

情感态度与价值观：⑤ 体会机械能转化在生产生活及科学中的应用.

4 评价设计

基于课程标准的教学设计要求评价活动设计先于教学活动的设计，为检测教学目标的达成，设计了“上滚瓶”原理分析等2个题目.

（1）通过问题1～3及练习题（1）检测教学目标①的达成.

（2）通过问题4～10及练习题（1）、（2）检测教学目标②和④的达成.

（3）通过问题11、12检测教学目标③和⑤的达成.

5 教学媒体设计

5.1 上滚瓶

制作方法：上滚瓶的外部是由两个剪掉瓶底的塑料瓶粘在一起构成，两端的瓶盖上打两个孔，固定橡皮筋；内部是一块小木板和一节干电池固定，两条橡皮筋穿过木板和电池的连接处，将其拉紧悬空在塑料瓶的内部.具体的制作如图1所示.

图1

操作方法：让“上滚瓶”从不太陡的斜面滚下.

设计意图：“上滚瓶”蕴含动能、重力势能和弹性势能三者之间的转化，其神奇之处在于下滚后会沿斜面自动向上爬坡，这一现象与学生以往的认知冲突，能够激发学生的学习兴趣.

5.2 弹簧滚摆

制作方法：将轻质弹簧一端固定在支架下方中间，另一端固定在横杆上，横杆连接滚摆，滚摆固定在支架上，如图2所示.

操作方法：手动转动滚摆，拉伸弹簧后松开滚摆.

设计意图：课程标准要求通过实验理解动能和势能的相互转化，而教材中并没有动能和弹性势能转化的实验，且大多数利用弹簧所做的实验并不利于学生的观察，因此在滚摆实验装置的基础上改装成弹簧滚摆，既不存在重力势能的干扰，又使实验现象清晰呈现在学生眼前，让学生了解不仅动能和重力势能可以互相转化，而且动能和弹性势能也可以互相转化.

图2

6 教与学的活动设计

6.1 利用趣味实验创设情境，导入新课

教师活动1：讲授新课前，教师将提前准备好的“上滚瓶”展现给学生，然后将其放在具有一定倾斜程度的木板上，让瓶子沿木板下滚.

学生活动1：仔细观察“上滚瓶”的神奇之处.描述现象：瓶子下滚后自动向上滚动.

设计意图：一开始上课，教师就利用自制的“上滚瓶”，演示学生从未见过新奇有趣的现象，创设引发学生的认知冲突的物理情境，激发学生的好奇心和求知欲，引起物理学习的兴趣.

6.2 利用问题驱动法，形成机械能的概念

教师活动2：利用多媒体展示动态图片，依次提出问题链，并适当点拨、明确概念.

问题1：水平公路上行驶的汽车、悬挂在天花板的吊灯、被拉开的弹弓具有动能还是势能？为什么？

问题2：空中飞行的飞机具有动能还是势能？为什么？

问题3：高空中物体下落过程，物体的动能和势能如何变化？为什么动能和势能同时发生不同的变化？

学生活动2：独立思考，同桌交流，依次回答问题，建构知识.

设计意图：物理课程标准强调“从生活走向物理”，利用生活中常见的现象既能拉近学生与物理的关系，又可以温故知新.问题链的设置层层递进，既明确了机械能的概念，又为建立动能和势能的转化规律提出了探究问题.

6.3 利用任务驱动法，建立动能和重力势能转化的规律

实验1：学生分组进行滚摆实验.

图3

教师活动3：教师出示滚摆装置（如图3所示），并简单介绍滚摆的构造、实验的做法，让学生分组实验.

问题4：摆轮上升或下降过程中运动快慢如何？

问题5：摆轮上升或下降过程中动能和重力势能如何变化？

学生活动3：根据教师的指导分组进行实验，观察摆轮的运动情况，并分析摆轮运动过程中动能和重力势能的变化.

描述并分析现象：开始释放摆轮时，摆轮在最高点处于静止状态只有重力势能，没有动能；摆轮下降过程中，高度减小，速度增加，重力势能逐渐减小，动能逐渐增大；在最低点时速度最大，摆轮的重力势能最小，动能最大.上升过程重力势能逐渐增大，动能逐渐减小，在最高点时只有重力势能，没有动能.

教师活动4：提出问题，引导学生将动能和重力势能的变化联系到二者的相互转化.

问题6：以摆轮下降过程为例，减小的重力势能去哪里了？增加的动能从何而来？

问题7：为什么摆轮最终会停下来？如果动能和重力势能之间完全相互转化，摆轮将会出现什么情况？

学生活动4：思考、交流，建构动能和重力势能相互转化的规律.

总结规律：摆轮上升过程中，动能转化为重力势能；摆轮下降过程中，重力势能转化为动能.

设计意图：滚摆实验是教材“想想做做”中动能和重力势能转化的实验之一，通过学生的分组实验既能培养观察能力，又能为学习动能和重力势能的转化提供支持.问题6能够引导学生将动能和重力势能的变化联系到两者的相互转化，问题7在于引导学生认识到因为“阻力”的存在使得动能和重力势能并不能完全转化，为以后学习机械能守恒做铺垫.

6.4 利用方法迁移，建立动能和弹性势能转化的规律

实验2：教师演示“弹簧滚摆”实验.

教师活动5：教师简单分析、讲解图2所示“弹簧滚摆”的制作和特点，然后进行演示实验，让学生利用建立动能和重力势能相互转化规律的分析方法，观察现象、分析现象、建立规律.

问题8：弹簧收缩或拉伸过程中，摆轮的运动快慢如何？

问题9：弹簧收缩或拉伸过程中，摆轮的动能和弹性势能如何变化？

问题10：为什么摆轮最终会停下来？如果动能和弹性势能之间完全相互转化，摆轮将会出现什么情况？

学生活动5：观察弹簧与摆轮的运动情况，通过合作学习，分析动能和弹性势能的变化，建立动能和弹性势能的转化规律.

描述并分析现象：（以弹簧拉伸的过程为例）开始时弹簧处于压缩状态，弹性势能最大，摆轮静止，没有动能；弹簧逐渐恢复，弹性势能减小，摆轮的动能逐渐增大；弹簧恢复原状时，弹簧没有弹性势能，摆轮的动能最大.

建立规律：弹簧拉伸的过程中，弹簧的弹性势能转化为摆轮的动能；弹簧压缩过程中，摆轮的动能转化为弹簧的弹性势能.

设计意图：依据课程标准要求，合理设计实验，通过小组合作学习，学生经历建立规律的过程，提高分析和归纳能力，体会转化思想的应用.

6.5 自主学习，了解机械能和其他形式能量的转化

教师活动6：提出任务要求，留给学生适当时间.

问题11：机械能转化在生活中有哪些应用？与其他形式能量之间如何转化？

问题12：你还能列举出哪些机械能与其他形式能量转化的实例？并说明其中的能量转化.

学生活动6：自主阅读“水能和风能的应用”和“科学世界”两部分，思考、交流.

设计意图：教材中所涉及的部分与生活、科技密切相关，通过阅读让学生认识到机械能的广泛应用，了解机械能和其他形式能量之间的转化.

6.6 课堂练习，内化新知

教师活动7：利用多媒体出示练习题（1），学生完成后检测结果.

图4

（1）如图4所示，使单摆偏离原来静止位置到A1.当摆球从A1向下摆动时，它的速度越来越快，当摆球到最低点O1时，它的动能最______、势能最________.此后，摆球又向B1的位置运动，随着摆球的上升，它的动能逐渐转变成_______能；小球摆动起来后，它在O1处的机械能比在O2处的机械能________（选填“大”、“小”）.

学生活动7：独立思考，完成练习，并将结果反馈给教师.

教师活动8：再次演示“上滚瓶”，讲解制作流程，引导学生利用动能和势能的转化分析原理.

（2）让学生运用本节课所学的知识讨论并分析“上滚瓶”的原理.

学生活动8：小组合作讨论，个别学生说明分析结果，其他学生补充.

设计意图：针对本节课教学重难点和所学知识，有计划、有目的地设计上述练习，目的是检测动能和势能的相互转化以及机械能守恒等知识的掌握情况，内化新知.

6.7 课堂小结，升华提高

教师活动9：引导学生总结这节课运用什么方法、学到哪些知识？除此之外还有何收获？

学生活动9：先自己思考，后小组讨论，然后全班交流.

（1）机械能的概念.

（2）动能和势能的相互转化.

（3）机械能和其他形式能量的转化.

接着教师结合三维教学目标进行点评与归纳总结.

设计意图：在教师引导下，学生从知识、方法、情感3个方面谈本节课的收获和体会，既是对本节内容的总结升华，又紧扣教学目标，保持课程标准与课堂教学的一致性.

6.8 布置作业，复习巩固

（1）分析一下小时候玩的游戏——“旋转钮扣”的原理.

（2）近年来不断出现行人被高空坠物砸伤的事件，大到铁板，小到螺丝钉，运用所学知识分析一下螺丝钉成为“凶器”的原因.

（3）开动脑筋，运用身边的物品，设计并制作一个动能和势能相互转化的小实验装置.

设计意图：作业内容力争做到既能深化对知识的理解，又能激发学生学习兴趣，突出以兴趣引导学习的理念.学生通过独立完成作业，能够达到对机械能转化的复习巩固.

基于课程标准的“机械能及其转化”的教学设计在解读课程标准的基础上，根据机械能转化的特点，以“目标——评价——教学”的模式为指导，设计出了本节课的5条教学目标；围绕教学目标设计了由12个问题、3个作业题组成的评价活动；利用问题引导和任务驱动等教学法设计了9项教师活动与学生的活动.利用自制的教具“上滚瓶”与“弹簧滚摆”设计实验，有效地突破了教学难点.

1 中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准［M］.北京：北京师范大学出版社，2012.

2 彭前程.义务教育教科书物理八年级下册［M］.北京：人民教育出版社，2012.

3 李新乡，张军朋.物理教学论［M］.北京：科学出版社，2009.