核心素养视域下的“势能及其改变”教学设计

刘玉树　许芙蓉

摘 要：“势能及其改变”是高中物理能量部分的重要内容.核心素养是新一轮课改的焦点，是教育教学发展的根本宗旨.以“势能及其改变”为例，阐述了在物理课堂中如何提升学科核心素养.

关键词：势能;核心素养;教学设计

中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1008-4134（2021）07-0052-04

作者简介：刘玉树（1969-），男，福建莆田人，本科，中学高级教师，研究方向：中学物理教学;

许芙蓉（1995-），女，福建莆田人，硕士，中学二级教师，研究方向：中学物理教学.

1 教学目标设计

本节为鲁科版（2019年版）高中物理必修第二册第一章第4节的内容.能量是物理学中重要的概念之一，而对能量概念的精准把握和体系构建却是物理教学中最困难和抽象的.“势能”是能量的一个下位概念，是继“动能”之后学生接触的另一能量形式，深刻理解并掌握本节内容，将为后续的机械能、电势能等的学习奠定坚实基础.

课程标准要求学生“理解重力势能”，并“知道重力势能的变化与重力做功的关系.定性了解弹性势能[1]”.学生在初中阶段已接触并学习了重力势能和弹性势能的定义，对功的理解和计算也有了相应的学习基础，日常生活中势能的相关经验也较为丰富，但是高一学生的抽象思维能力、类比迁移能力仍较为薄弱，对于“重力势能”的定量表达式及其与“重力做功”的关系很难把握清楚.根据课程标准的要求和物理学科核心素养的总体目标，结合“势能及其改变”的内容特点及学情，本节课的教学目标设计如下.

1.1 物理观念

通过理论推导和实验验证，初步建立“重力势能”概念，进而建立其上位概念——势能，形成能量观念.经历例题计算结合所学，解决实际问题;通过演示实验，观看相关视频，体验“势能”的力量，进而学会用其描述并解释生活中相关物理现象.

1.2 科学思维

通過对本章“功和机械能”知识脉络的展示，领悟并学会归纳，提升科学推理能力;先后经历了在验证和思考为何重力做功相等的过程，学会寻找和使用证据来表达自己的观点;对不同知识的呈现方式提出质疑，学会从不同角度思考物理问题;在探究重力做功的特点时，通过问题引导，感受从理论和实验两种不同方式解决物理问题的方法.

1.3 科学探究

在分析了两条山路的区别和共性后，能依此提出问题，根据所探究的问题在教师引导下设计实验方案;根据实验结果和数据进行科学分析并处理，发现数据特点，并具备形成合理结论的素养;能对科学探究过程和结果进行交流、评估、反思.

1.4 科学态度与责任

了解势能在生活中的应用，认识到物理来源于生活又服务于生活的科学本质;通过重力势能概念的形成过程认识到物理学是人类对自然现象的描述和解释，感受物理概念建立的必要性和简洁性;通过实验探究过程，认识到物理概念是建立在实验研究基础上，养成尊重事实、严谨认真的科学态度;同时，培养了学习和研究物理的兴趣和热情，养成乐于与他人合作共享成果的态度和习惯.通过对“势能”概念的应用和实例分析，感悟物理在生活中的应用价值;通过对生活现象的解释加强安全意识，养成不高空坠物、遵纪守法的良好习惯，促进STEM教育发展，进而成为一位合法公民.

2 教学设计思路

根据拟定的教学目标，本节课的教学设计以“科学探究”为主线，在科学探究中完成“势能”概念教学，兼顾落实物理学科核心素养，整体设计思路如图1所示.

3 教学环节设计

3.1 复习旧知，新课引入

问题：（1）势能分为哪些？（2）什么是重力势能、弹性势能？（3）重力势能大小与什么因素有关？

向学生展示本章大致的知识脉络（如图2）.引导学生回忆以上问题，以此引入本节课所学——“势能的改变”.

设计意图：通过问题复习引入让学生温故而知新，知晓初中仅是对势能的定性了解，高中须进行较为深入的定量分析，了解初高中知识的关联和递进关系，带着本节课的任务走入课堂，做到心中有数，使学生更快地进入学习状态，促进物理观念的建立和提升.通过展示知识脉络图，一则让学生对本章内容有更为宏观的认知，二则借助知识与知识之间的联结培养学生科学推理的素养，其中对“功”和“动能”相关内容的回顾也为本节课的教学做了相应铺垫.

3.2 科学探究，发现特点

问题1：如图3和图4，汽车上山时，通常选择蜿蜒曲折的大路，相较于直抵山顶的路，二者有何区别和共性？

问题2：导致这一共性的原因是什么？

学生思考讨论发现，无论是省距离费力直抵山顶的路，还是省力费距离蜿蜒曲折的山路，二者做功均相等，都不省功.教师引导学生学会将真实问题情境转变为物理模型，如图5所示，分别求出汽车在两种情形下的重力做功大小.直线AO表示直抵山顶的山路，设沿该途径重力做功为WA;折线BCDO表示蜿蜒曲折的山路，同样设其重力做功为WB.学生亲自动笔计算，投影展示并比对计算结果，如图6所示，从而初步得到验证——汽车沿两条山路行驶确是重力做功相等.

对第2个问题，由于前面的推导，学生明白导致两次做功一样是因为高度相同.最后学生在教师的启发下得出结论：两次重力做功之所以相等是因为高度差一样，重力做功与路径无关，只与高度差有关.

问题3：从理论角度已初步验证了重力做功只与高度有关，能否通过实验更深一步验证？又该如何设计实验和表格？

教师引导学生设计实验：当两次实验物体的高度差一样时，路径不同的重力做功情况，当改变高度差时，重力做功是否发生变化.实验如图7所示.将两个大小质量都相同的带有遮光条的小球A、B系于长度不同但都悬挂于O点的细绳上，选定两个平面a、b，其距地面的高度分别为h1、h2，并在a平面安装有2个光电门1，在b平面装有2个光电门2，即可借助光电门获得A、B小球在a、b平面时的动能，完成表1，根据动能定理，可以求出两球在不同路径、相同高度差时的重力做功大小，间接验证了重力做功只与高度差有关的结论.

设计意图：以身边熟悉的情境“山路十八弯”作为切入点，创设物理情境，填表分析，发现问题，建立模型，从理论上初步验证;进而设计实验和表格，进行实验探究，分析实验结果，总结实验结论，理论演算与实验研究相结合，体验科学探究的过程，感悟严谨的科学态度，发展合作和创新意识.分析综合并得出结论增强学生理论与实际相结合的意识，渗透以物理学视角描述并解释生活情境的科学论证和科学推理的素养.在培养建模能力的同时，提高其从情境中发现和提出问题的本领.相较于常规的理论推导单调性，本环节以学生为主体、教师为主导，在这一系列的教学启发和诱导下，合作学习和探究学习相结合，基于最近发展区理论，学生更为深入地理解了重力做功的特点，为重力势能概念的建立奠定了重要且坚实的基础.

3.3 找出关联，建立概念

问题1：如果汽车上山之后又返回至出发点，该过程重力做功等于多少？

问题2：合外力做功对应动能的改变，重力做功又对应什么能量的改变？

问题3：重力做功与该能量是什么关系？

前面的理论推导和实验探究得出重力做功仅与始末高度差有关，汽车上山后返回出发点的高度差为零，因此该过程重力不做功，这反映重力做功具有保守性，如果一个力所做的功仅由受力质点的始末位置决定，而与受力质点所经历的路径无关，这种力叫作保守力[2].

已知重力做功的表达式可写为WG=mgh1-mgh2.根据动能定理，类比迁移可知，重力做功一定也伴随着某个能量的改变，观察发现，这个能量的表达式为mgh，故其应代表一种能量，该能量与重力和位置密切相关，物理学中将mgh称为重力势能，其表达式书写为Ep=mgh，单位是焦耳，属于标量，同时也是状态量.

要解决问题3，需回到刚才重力做功的表达式，所以WG=Ep1-Ep2，又因为变化量为末态减初态，ΔEp=Ep2-Ep1，所以有WG=Ep1-Ep2=-ΔEp，引导学生思考如何理解该关系，意为重力做正功，重力势能减少，重力做负功，重力势能增加.

设计意图：依据重力做功的特点，计算当始末位置相同时的重力做功，以此引入重力做功的保守力特点，进而为“势能”概念的建立甚至后续的“弹性势能”“电势能”做铺垫.根据建构主义思想，将重力做功与合外力做功进行联结构建，提升学生的类比迁移的学习能力，培养了科学推理的素養.整个过程“重力势能”概念的获得、观念的生成水到渠成、一气呵成，学生对此也有了更为深刻的理解，同时也形成了更为完备且结合紧密的知识框架.展示了物理学科的系统性和逻辑严谨性，发展了对科学的兴趣和热情.

3.4 结合实例，深入理解

问题1：重力势能中的高度h是相对于谁的高度而言？

问题2：重力势能有哪些特点？

问题3：回忆机械功的大小比较方法，重力势能的大小如何比较？

多数学生会认为h是相对于地面的高度，教师肯定了大多数情况下地面为参考平面，但是继续反问，只能是地面吗？回忆上学期的“参考系”概念，它的选取只能是地面吗？学生恍然大悟，此时引入零势能参考平面的概念.对于同一个物体，相对于不同的零势能参考平面，所对应的高度不同，自然此时的重力势能也不同.从而推出重力势能具有相对性的特点.

为进一步探究重力势能的特点，针对以下两种情境，质量为1kg的小球分别在不受空气阻力（如图8（a））和受空气阻力的作用下（如图8（b））从A位置运动到B位置，已知h1=2m，h2=1m，f=2N，g取10m/s2.学生完成表2和表3.

观察表格数据，分小组讨论得出结论：（1）物体在各处的重力势能与零势能面的选取有关，但在初末位置一定时，重力势能的改变量与其无关;（2）重力势能的改变量等于重力做功的负值，与是否受其他力无关;（3）重力势能虽然是标量但是有正负.

教师提问：功和重力势能都是标量且有正负，功的正负表示动力或阻力，比较大小看绝对值，重力势能也如是吗？实则否然.在完成表格时，学生已经有了初步感知，物体位于零势能面以上，重力势能为正，位于以下，重力势能为负.类比数轴或温度计，正数一定大于负数，因此与功不同，重力势能大小比较即为数学上的数字大小比较，数字大的重力势能大.

教师补充：重力是由于地球的吸引而产生的，势能也称位能，与相互作用的物体的相对位置有关.重力势能是由地球和地面上物体的相对位置决定，因此重力势能实则是物体与地球所构成的系统共同拥有的，平时所说的“物体的重力势能”是一种简化的说法.

物体因为发生弹性形变而具有的能量称为弹性势能.而弹性势能与形变的大小和劲度系数有关.如对同一根弹簧，形变量越大，对外做功的本领越大，所具有的弹性势能也越大，同样的，对相同的形变量而言，劲度系数大的物体，在恢复原状的过程中对外做功越多.教师提问，弹性势能与弹力做功有什么关系.学生类比重力势能与重力做功，容易得出，弹力做正功，弹性势能减少，弹力做负功，弹性势能增加.

设计意图：通过问题和师生互动，暴露学生的前概念，认为高度一定是相对于地面而言，与零势能参考平面的引入形成认知冲突，学习了参考系选取的任意性，对零势能参考平面的理解并无障碍.通过对问题情境的相关物理量求解和计算，让学生自主学习，发现规律，提高学生的学习能动性和积极性，知识在头脑中的留痕也更为深刻和清晰.培养了发现问题和归纳综合的能力，进一步发展科学思维、科学探究和科学态度的核心素养.在弹性势能的学习中，深刻体会“类比法”在物理学习中的重要地位.

3.5 应用概念，联系实际

问题：势能在日常实际生活中有哪些应用，如何有效利用和防止？

教师提前布置学生，分小组收集势能在生产生活中的应用资料并展示.

情境：地铁车站的轨道为何往往建得高一些？如图9所示.进站后一般需要减速，轨道有一定坡度从能量上讲可以将动能转化为重力势能，减缓速度，可以减少由于刹车所造成的耗损;出站时重力势能转化成动能，无需额外加速，节约能源.

情境2：势能在体育竞赛中的应用.如撑杆跳、跳水、蹦床、举重、射击、射箭等;势能在生产生活实践的应用.如游乐场的滑滑梯、小孩玩的蹦蹦床，打桩机，水坝等.如图10所示.

情境3： 势能在生活实际中的防范.让学生自由发言讨论，提出相关防范举措.如处于高处的物体具有重力势能，因此要禁止高空抛物;如雪崩的极大杀伤力;物品不放在阳台护栏处，以免不慎掉落砸伤来往的行人或车辆;安装好防盗网，看管好小孩.如图11所示.

设计意图：该环节意在让学生做个生活的有心人，无论在校内或校外，学会用所学的知识解释生活现象，进一步实现创造和创新.在解释和提出解决措施中，既巩固了本节课所学，还渗透了社会责任，提出并解决问题的核心素养.

参考文献：

[1]中国人民共和国教育部.普通高中物理课程标准[M].北京：人民教育出版社，2018.

[2]漆安慎，杜婵英.普通物理学教程 力学（第三版）[M].北京：高等教育出版社，2012.

[3]许芙蓉，欧剑雄.核心素养视域下的“加速度”教学设计[J].物理教师，2020，41（10）：10-13.

（收稿日期：2020-12-14）