让学生在问题解决的过程中建构知识

朱静

摘 要： 高中物理新课程要体现物理学科本质，培养现代公民必备的物理核心素养，从物理观念、科学思维、实验探究和科学态度与责任等方面深入挖掘和提炼科学育人的价值.本节“动能”教学设计通过真实情境引导学生发现和提出问题，让学生根据解决问题的需要，收集和选择有用的信息，经历科学探究、科学推理和科学验证的不断完善的过程，逐步建构知识，从中体会科学研究的方法，发展科学思维和科学探究能力.

关键词： 动能;问题解决;核心素养;知识建构

1 理论基础

1.1 新课程标准的理念

高中物理课程标准基本理念指出引导学生自主学习，提倡教学方式多样化.高中物理课程通过创设学生积极参与、乐于探究、善于实验、勤于思考的学习环境，培养和发展学生的自主学习能力.通过多样化的教学方式，利用现代信息技术，引导学生理解物理学的本质，整体认识自然界，形成科学思维习惯，增强科学探究能力和解决实际问题的能力[1].

1.2 布鲁纳的认知发现学说

布鲁纳认为，人的认识过程是把新学得的信息和以前学习所形成的心理框架联系起来，积极的构成他的知识的过程.在这个过程里面，个人把他的感觉资料和他的世界模式联系起来，推论出一个关于外部事物的假设，然后用这个事物的一些性质来验证他的假设.布鲁纳反对把人的认识过程看成一个在认识上被动的接受者，而把人的认识过程看成是一种积极的构造过程[2].

1.3 建构主义理论

建构主义认为学习是一种个体主动参与的过程.世界是客观存在的，但是对于世界的理解是由每个人自己决定的，个人是以自己的经验为基础来建构现实或解释现实，个人的经验不同，对外部世界的理解也会不同.所以建构主义者更关注如何在原有的经验基础上来建构新的经验.在建构的过程中，不斷的通过同化和顺应实现对认知冲突的解决，达到新的平衡，从而促进认知的发展.所有的知识都是以先前的知识为基础进一步发展而成的，并随着知识基模和环境的互动而改变.[2]

1.3 科学概念理解的发展层级模型

北京师范大学物理系课程与教学论郭玉英教授提出的科学概念的发展层级模型见表1：

整合 学生能由核心概念统整对某一科学观念（例如物质观念、能量观念等）的理解，并建构科学观念间和跨学科概念（例如系统、尺度等）之间的联系.

2 结合理论基础进行的“动能”教学设计思路

2.1 让学生在问题解决的过程中建构知识

本节课在学生已有的动能概念和动能影响因素的基础上提出问题：如何寻找动能和质量、速度间的具体关系？通过分析生活中的实例引导学生发现力对物体做功的过程中动能的大小发生改变，进而使学生认识到可以通过研究运动过程中力对物体做的功与物体动能变化量之间的关系来寻找规律，确定了研究的思路.首先设计实验探究环节，让学生获得在实际情境中解决物理问题的体验，形成把情境和知识相关联的意识;在实验事实的基础上引导学生利用运动学公式和牛顿第二定律，用逻辑推理的方法进行理论研究，最后结合两方面研究让学生逐步建构动能的概念，并认识到合力做功与动能变化量间的关系.

本节课核心问题框架如下（如图1所示）：

2.2 基于进阶的教学设计流程图（如图2所示）

3 “动能”教学实施过程及设计意图

3.1 创设情境

教师：海水将贝壳冲到沙滩上、大风将路边的树木吹歪（如图3所示）.运动的物体具有对外做功的本领，说明运动的物体具有能量，物理学中把物体由于运动而具有的能量称为动能.

提问：动能的大小和哪些因素有关呢？

学生：回顾初中所学过的动能的概念.动能的大小和物体的质量、速度大小有关.质量相同时，速度越大，动能越大;速度相同时，质量越大，动能越大.

【设置意图】复习初中动能的概念，复习初中动能大小的影响因素.

3.2 分析确定研究思路

提问：如何比较图4中两个物体动能的大小？

学生：无法比较二者动能

教师：无法比较质量和速度都不同的两个物体的动能大小.我们还需要去寻找动能和质量、速度之间的更加具体的关系.

提问：怎么来寻找呢？

教师演示：小球下落，下落过程中动能变了吗？

学生：重力和阻力的作用，合力向下，使物体加速，动能变大.

教师：可以用牛顿定律的知识来解释.换一个角度，物体下落的过程中重力、空气阻力的合力对物体做功，物体动能发生了改变.

学生：举出生活中力对物体做功使物体动能发生改变的实例.

确定研究思路：

力对物体做功，物体的动能变化→力对物体做功和物体动能关系→力对物体做功和物体速度关系

【设计意图】通过问题设计，引出寻找动能与质量、速度关系的必要性，引出本节课的主题.引导学生从力做功与动能变化关系的角度去研究问题.

3.3 实验探究

教师：物理常用的研究方法有实验探究和理论推导，下面来进行实验探究.首先控制质量不变，探究力对物体做功和物体速度关系.课堂上先选一个比较简单、比较容易操作的运动情境来进行实验探究.选什么样的运动情境来研究呢？

学生：分析讨论最后确定研究对象做落体运动.

提问：落体运动中需要测量哪些物理量？分别需要什么实验仪器进行测量呢？具体实施方案是什么？

学生：（1）测量不同位置的物体速度;功不可以直接测量，可以测出重力、重力方向上下落的高度，计算出功.（2）测量速度用光电门，减少课堂上处理纸带时间.（3）计算得出从初始释放点到不同位置重力做的功，测量出不同位置的速度，分析数据，寻找规律.

【设计意图】设计实验探究的方案.

教师：物体下落过程中还不可避免的会受到空气阻力，空气阻力的影响不大的情况下可以把它忽略，这样研究的运动情境就变成了自由落体.

【设计意图】渗透“理想化模型”的物理思想.

教师介绍实验装置（五个传感器并列固定在铁架台上如图5所示），进行课堂实验.

【设计意图】进行实验探究，给学生以直观的体验.

师生共同进行实验数据处理.

学生：讨论如何寻找W和v的关系，利用Excel表格处理 数据，最后得出W和v2成正比的关系（如图6所示）.

提问：实验得出的这个规律对你有什么启发？

学生：动能的表达式中应该有v2，而且力做的功W应该还与质量m有关，应该再探究一下力做的功和质量m的关系.

教师：改变下落物體的质量m，得到多组实验数据（如图7、图8所示）.观察数据能发现什么规律？

学生：发现m越大，k越大，k近似的为m的1/2.

【设计意图】利用传感器进行实验，能够快速的得出不同位置的速度，在课堂上利用Excel进行数据处理，培养学生的数据处理和分析的能力.通过实验事实使学生认识到：w和v2平方成正比，而且比例系数和质量m有关.

3.4 理论推导

教师：由于实验过程中阻力的存在，还有测量误差的关系，无法得到一个精确的关系式，研究物理问题还有一种常用的方法是理论推导，试试从理论上推导看看会有什么收获.

提出问题：理论推导自由落体过程中任意两个位置之间重力做功W与m、v的关系（如图9所示）.

教师：推导过程中如果需要用到其他的物理量可以先假设，最后要消掉.

学生：利用所学的运动学知识和牛顿定律的知识进行理论推导，推导出后找一个学生将推导过程在黑板上进行板书.

学生将表达式进行整理，把位置1的相关物理量和位置2的相关物理量分开写，得出表达式：W= mv22/2- mv21/2

教师：这个关系又能给你带来哪些启发或思考呢？可不可以帮助我们找到动能与m、v的具体关系呢？

学生：因为力对物体做功，物体的动能在变化.而m和v刚好是动能的两个影响因素， mv2/2这个量可以用来表示动能

教师：实验探究的结果和理论推导的结果是一致的.

提问：自由落体运动物体只受一个力作用.如果物体同时受多个力的作用，哪个力的功等于物体动能的变化量？

学生：推导落体运动不忽略空气阻力情况下，力做功与物体动能变化的关系.最后得出结论：这个过程中合力的功等于动能的变化量

【设计意图】在实验探究的基础上进行理论推导，帮助学生在头脑中建构更完整更严谨的知识体系.并进一步完善已有知识，得出规律：合力做的功等于动能的变化量.

3.5 小结

教师：这节课我们分别从实验探究和理论推导两个角度去寻找动能和m、v的具体关系，动能的表达式为：

Ek= mv2/2.

在这个寻找的过程中还发现了一个重要的规律，力对物体做的功和动能变化量的关系：

W= mv22/2- mv21/2.

3.6 拓展

（1）课后阅读：查阅资料了解一下历史上科学家们寻找动能表达式的过程.

（2）物体下落过程中重力势能减少，动能增加，那总的能量如何？

4 教学反思

本节课实施后，结合课堂实施情况进行以下反思，并提出改进思路：

4.1 教师创设问题情境后如何更有效的引导

本节课不足之处：引入新课教学的环节中，教师提出了“如何比较质量和速度都不一样的两个物体的动能的大小关系？”，学生回答出“无法比较”后，教师很快提出“这节课的主题为研究动能和速度、质量之间更加具体的关系.”

【改进思路】教师在课堂上创设了某种情境，不应直接提出要研究的问题，而应让学生在观察后有所思考，引导学生进行科学的思维，自己提炼出应该探究的科学问题.培养学生把生活中的真实情境和物理知识相关联的能力.

4.2 小组讨论学习的有效性

本节课不足之处：小组讨论环节中由于老师的问题设计启发性不足，导致有些学生在讨论时思路不是很清楚;在小组讨论后全班交流的环节，由于时间的关系没有让学生充分的暴露出自己的困惑.

【改进思路】教师应尽可能的去引导学生发现和提出问题，设计由浅入深的启发式的问题引导学生思考，尽可能让学生自己得出相应的结论，培养学生的科学思维能力;当学生的结论中有错误时教师不要着急更正，而是让学生充分暴露出自己的问题，引导再次讨论和交流，在同伴的帮助下更正问题，培养学生的质疑精神和解决问题的能力.

4.3 注意知识之间的融会贯通

本节课不足之处：在实验探究环节中，利用Excel表格处理数据得出W和v2成正比的关系后，学生讨论提出猜想：力做的功W应该还与质量m有关，应该再探究一下力做的功W和质量m的关系.教师紧接着就进行实验探究“力作的功W与质量m的关系”.

【改进思路】学生提出“力做的功W应该还与质量m有关”，教师可以引导进一步思考这样猜想的依据是什么，在进行实验探究验证猜想之前可以从单位制的角度去初步验证这一猜想是否正确.在教学的过程中遇到合适的时机可以将相关的知识进行恰当应用，注意知识之间的融会贯通.

4.4 知识拓展环节的设计

本节课不足之处：得出动能概念及合力做功与动能变化量之间的关系之后，虽然提出了“动能和重力势能都变化时总量如何？”，但是对启发学生思考方面效果不够好.

【改进思路】启发学生思考还有那些问题需要研究，给学生发表自己观点的机会，让学生将头脑中困惑的地方都暴露出来，激发学生的物理学习热情，为后续的学习做准备.

5 小结

本节内容是在学生知道了重力做功与重力势能之间关系的基础上，进一步用做功与能量的关系探索另一种能量：动能，并在探索的过程中认识到合外力做功与动能变化的关系.本节课对学生理解 “功是能力变化的量度”这个核心观念起着很重要的作用.通过本节内容的学习，深化了学生对功的概念的理解，拓展了求功的思路，為机械能守恒定律的学习打下基础，本节内容是本章的关键内容，也是重点内容.让学生经历动能概念的建构过程，对发展学生的能量观念和培养学生的科学思维方式、科学研究方法都起到很重要的作用.

学生已经知道动能的概念和动能与质量、速度之间定性的关系，本节课是在学生原有知识基础上延伸和提升，实现知识结构的发展和完善;学生已具有一定的实验方案设计能力、实验数据处理的能力，在图线处理时能够通过改变坐标量把关系不明的曲线转化为关系较明朗的直线;学生具备了相关的运动学知识和牛顿力学的知识， 有自主进行理论推导得出功和动能变化之间关系的能力.在总结归纳动能的表达式过程中，要求学生具有高度的分析和概括能力，这对学生来说有一定的困难，需要教师的引导.

以往的教学设计通常将实验探究和理论推导分为两课时，把侧重点放在实验操作或是理论推导的公式应用上，不能很好的突出动能概念的建构过程.本教学设计围绕“寻找动能和速度、质量之间的具体关系”这一主线展开，首先通过分析生活中的实例引导学生发现“力对物体做功的过程中动能的大小发生改变”，进而认识到可以通过研究运动过程中力对物体做的功与物体动能变化量之间的关系来寻找规律，确定了研究思路;接着设计实验探究环节，在课堂上利用光电门传感器进行实验，并利用Excel处理实验数据， 可以快速方便的得出实验结果，进而将侧重点放在对实验结果的分析讨论上;在充分讨论的基础上引导学生利用所学公式进行理论研究，并再次对推导的结果进行分析讨论，最后结合两方面研究让学生逐步建构动能的概念，这样设计有利于学生动能概念建构过程的完整性.通过真实情引导学生发现和提出问题，让学生根据解决问题的需要，收集和选择有用的信息，经历科学探究、科学推理和科学验证的不断完善的过程，逐步建构知识，从中体会科学研究的方法，发展科学思维和科学探究能力.

参考文献：

[1] 中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[M].北京：北京师范大学出版社， 2017.

[2] 林崇德，张奇.学习理论[M].武汉：湖北出版社，2001.