科学探究“守恒定律” 提高物理核心素养

摘 要：本文以“机械能守恒定律”教学设计为例，突出“实验探究”和“理论探究”这一核心。该设计采用探究式教学方法，以问题为主线，以科学探究为载体，以体验为收获，以发现为动力，引导学生经历机械能守恒定律科学探究过程，领悟科学探究方法，提高其物理核心素养。

关键词：实验探究；理论探究；机械能守恒定律；物理核心素养

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2017）6-0031-5

高中物理新课程标准要求高中物理教学应进一步促进学生物理核心素养的养成和发展。“科学探究”指的是学生用以获取知识、领悟科学的思想观念和方法而进行的各种活动与能力，是物理核心素养的重要方面。守恒思想是高中物理重要的思想方法，机械能守恒定律是高中物理学习中体现守恒思想的第一个定律，在整个高中物理学习中起着承前启后的作用。“机械能守恒定律”这节课的教学对学生思维的发展和能力的发展都是革命性的提升。因此，在本节课处理中不仅要传授知识与技能，更重要的是通过探究式教学设计，使学生亲历规律的发现，领悟科学探究的方法，提高物理核心素养。

1 教材内容简析

现行某版本高中物理教材首先引导学生观察思考荡秋千和撑杆跳过程中动能与势能的相互转化，接着利用单摆实验观察小球能否到达对称等高的位置，然后利用平抛运动理论探究得出机械能守恒定律；最后通过一个小球从斜坡轨道滚下能否通过圆形轨道最高点的活动思考和上海“明珠线”轻轨车站的设计来加深机械能守恒定律的理解和应用。

笔者认为，教材的处理存在以下值得商榷之处：一是实验探究仅比较摆球在左右最高点等高，而“守恒”是全过程一直保持不变，该设计未能体现全过程机械能守恒，从而使学生不能准确理解“守恒”概念；二是理论探究仅以平抛运动为例就推导出机械能守恒条件是仅有重力做功，未能体现由“特殊到一般”归纳得出结论；三是对于有弹力做功的系统内机械能守恒未进行任何探究就给出结论，缺乏探究的普遍性、科学性和严谨性。

笔者认为，本节课的教学核心在于创设情境帮助学生主动探究“动能和势能如何转化”“实验探究守恒量”“理论探究守恒量”，应采用启发式教学设计和探究式教学设计，采取“情境―探究―建构―发展”模式展开教学，从而使学生顺利建构“机械能守恒定律”这一规律，培养学生的探究能力。

2 学生情况分析

本节课教学对象是高一学生，高一学生在已经掌握了动能、势能和功、牛顿运动定律、动能定理等知识和规律，具备了学习本节课的知识基础。但本节课教学内容抽象性强，较难理解和掌握；“守恒思想”学生是第一次涉及，学生理解和掌握“守恒思想”有一定的难度；机械能守恒定律的探究过程是本节课需要突破的重点和难点，亦是培养学生科学素养的一个平台和路径。

3 教学目标设计

本节课是规律的探究课，根据新课程标准要求，我们设定具体目标如下：

（1）知道什么是机械能，知道物体的动能和势能可以相互转化；

（2）理解机械能守恒定律及其适用条件；

（3）会判定机械能是否守恒，并能应用机械能守恒解题；

（4）经历实验探究和理论探究机械能守恒定律的过程，初步学会从能量转化和守恒的观点来解释物理现象，分析问题；

（5）通过能量守恒的教学，使学生树立科学观点，理解和运用自然规律，并用来解决实际问题。

4 教学过程设计

4.1 提出问题，引入新课

师生共同复习回顾功能关系、动能定理及动能、重力势能、弹性势能概念，提出以下3个问题：

问题1：重力势能、弹性势能、动能，这些能统称为什么能？

问题2：机械能具有什么特点？

问题3：不同形式的机械能如何进行转化？

设计说明：通过复习功能关系、动能定理，为本节课探究提供知识储备，通过复习重力势能、弹性势能、动能引入机械能概念，使学生理解掌握机械能的系统性、标量性和相对性，同时使学生进一步理解“功是能转化的量度”，激发了学生的求知欲，进入新课学习。

4.2 设情境，激发思考

教师创设提供三个视频情景，激发学生分别在仅有重力做功、仅有弹簧弹力做功和重力、弹力都做功情况下分析动能与势能的相互转化。

问题4：观察分析荡秋千过程中重力做功情况及动能和重力势能如何转化？

问题5：观察分析在光滑水平面上，一物体以一定初速度压缩弹簧及被弹簧弹回过程中，弹力做功情况及物体动能与弹簧弹性势能的相互转化？

问题6：观察分析蹦极下降过程重力及弹力做功情况及动能与重力势能、弹性势能如何相互转化？

设计说明：本教学片断对教材内容作了调整和补充，通过三个不同情景的观察、分析、思考，使学生理解并掌握重力与弹力做功时动能与势能相互转化的定性规律：

（1）仅有重力做负功，动能转化为重力势能；仅有重力做正功，重力势能转化为动能；

（2）仅有弹簧弹力做负功，物体动能转化为弹性势能；仅有弹力做正功，弹性势能转化为物体动能；

（3）蹦极下降过程，重力和弹力都做功。重力做正功，弹力做负功，重力势能减少，弹性势能增大，动能先增大后减少。

这一设计丰富了动能和势能转化的类别，为科学系统地探究转化过程守恒量奠定思维基础。

4.3 引发猜想，探究守恒

在上述观察分析的基础上，教师及时启迪学生思维引发猜想，并引领学生亲历探究守恒量的过程。

问题7：上述动能、势能相互转化的过程中，有没有规律？转化过程中有没有不变量？

学生通过思考交流与讨论会猜想出“仅有重力做功的运动过程中机械能不变”，然后教师引领学生实验探究和理论探究机械能守恒定律。

（4）守恒的思想：（机械能总量）一直保持不变。

设计说明：通过学生自我归纳、总结建构机械能守恒定律，体现学生的主体意识，实现自我探究、自我发现、自我领悟、自我教育发展，进一步提升学生理论探究的自觉意识和创新能力。

4.5 巩固知识，发展能力

4.5.1 巩固知识――学会判断机械能守恒

建构规律后，可以通过例1巩固机械能守恒定律知识的同时，进一步引导学生掌握判断机械能是否守恒的两种方法：

（1）条件分析法：判断是否只有重力或弹力做功；

（2）定义分析法：判断机械能总量是否不变。

例题1 下列情况中说法正确的是（ ）

A.若只有重力做功，物体机械能一定守恒

B.把一个物体竖直向上匀速提升的过程，机械能守恒

C.做匀变速直线运动的物体的机械能可能守恒

D.物体除了受到重力，还受到其他力的作用时，机械能将不守恒

E.自由下落的小球落到竖直的弹簧上，将弹簧压缩到最短的过程中，小球机械能守恒

4.5.2 深化应用――发展学生能力

物理来源于生活，应用于生活，学生掌握了机械能守恒定律之后，为了发展学生的能力，通过例题2启发学生思考地铁站设计的优点，学会应用机械能守恒定律。

例题2 如图6所示是上海“明珠线”某轻轨车站的设计方案，与站台连接的轨道有一个小坡度，电车进站时要上坡，出站时要下坡。（1）试根据今天所学知识来解释这样的设计有什么好处？（2）如果坡高2 m，电车在坡底的速度是25.2 km/h，此后便切断电动机的电源，不考虑电车所受的摩擦力。电车能否冲上站台？如果能冲上，到达站台的速度多大？

学生思考交流后，在实物投影仪上讲解自己的解答，并相互讨论，归纳总结应用机械能守恒定律解题的步骤、优点和注意点。

（1）步骤：①确定系统②确定过程③确定守恒④确定参考面；

（2）优越性：比动力学解题更方便，适用范围更广；

（3）注意点：必须明确初末状态的机械能，要确定符合机械能守恒的条件。

设计说明：通过例题与思考，帮助学生进一步深刻理解机械能守恒定律，并通过学生自我总结应用机械能守恒定律解题的要点、步骤，体会应用定律解题的优越性，引导学生学会应用守恒思想方法解决实际问题。

4.5.3 布置作业――提升学生科学素养

作业1：课后思考课本第73页小球从光滑轨道斜坡由静止释放能够到达半径为R的圆形轨道内侧最高点的条件，并分组讨论交流。

作业2：有一种其尾部有一个小帽能伸缩的圆珠笔，将笔尾部向下用力压笔，笔将竖直弹起一定高度。请你用这样的实验粗略测定压笔的小帽时其内部弹簧弹性势能的增加量，并撰写实验报告。

设计说明：学生课后动手、动脑探究思考，解决实际问题，能将科学思想方法内化于心、外化于行，培养学生探索创新的科学精神，真正提升科学素养。

5 教学课后反思

科学思想方法是解决问题的灵魂，是物理教学的根本；探究学习，不仅是科学方法，更是一种学习方式。本节课教学后我们有以下反思：

（1）本节课教学采用探究式教学模式，注重了过程和方法的教学，让学生经历了科学探究的一般过程和思路，即：“创设情景―提出问题―猜测结论―实验探究―理论探究―得出结论―迁移应用”。教学的重点在于培养学生的科学态度与科学精神，亲自参与知识的发现过程是培养学生能力的关键。教学设计既重视实验探究又重视理论探究，既重视定性实验又创设定量实验，实验探究坚持定性和定量并举，理论探究体现“由特殊到一般”的科学探究本质。

（2）本节课教学设计突出了学生的主体地位，教师教学要把“发现”的任务交给学生，让学生成为“发现”的主人。师生共同探究物理现象和规律，坚持以学生为主体，变革学生的学习方式，学生参与到实验与探究中来，参与到合作交流中，让学生体会实验的过程，体验探究的情境。

总之，本节课的教学，通过问题层层设计，让学生经历科学探究过程，发现机械能守恒定律，I悟科学探究的方法，提升意志品质和物理核心素养。这些都有利于将学生培养成科学素养高、创新意识强、主动发展的新型人才。

参考文献：

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