利用原有认知 促生思维型课堂

郑其丰

摘 要：本文以“动能和动能定理”的教学设计为例，就在课堂教学中如何系统利用教材内容与学生的原有认知，利用问题导引、情境设置等方式引导学生进行积极有效的思考，促生思维型课堂，提高教学效率进行了尝试与探究。

关键词：动能；动能定理；原有认知；思维型课堂

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2015）12-0028-4

依据建构主义理论，物理知识是学生个体经验的合理化，学习是学生积极主动建构的过程，是不断对原有的认知进行评价与不断完善的过程，可见对于学习者来说，先前的经验和知识是很重要的。纵观新课程标准教材的内容编排，在《机械能》这一章中充分考虑了学生认知水平的发展，内容由浅入深，难度由易到难，结构由基础概念到综合应用。因此，教师在新课教学中不能割裂教材内容之间的联系，要充分利用教材前面知识与学生的原有认知，创设合理的物理情境、物理问题，让学生积极参与到课堂中来，利用旧的知识寻找新知识的生长点，促进学生思维水平的发展，让学习过程建立在学生自主活动及经历情感体验的基础上，真发挥学生的主体作用，使教学更有效。下面结合“动能 动能定理”的具体课例谈谈如何在物理课堂教学设计中渗透这一理念。

1 设计思想

1.1 指导思想

本节课教学设计通过“提出问题—猜想假设—理论分析—实验验证”，引导学生进行有效思考，充分挖掘学生已有的知识，寻找新的知识生长点，使学生在学习中体验科学探究过程，领会科学探究方法，在掌握知识与技能的过程中受到情感态度与价值观的熏陶，努力体现新课程的三维目标。

1.2 设计特色

在学法上突出以学生为主体的特点，尤其关注学生认知结构的层次，充分利用学生原有的认知，在课堂教学过程中引导学生进行积极有效地思考，运用评价手段不断引导学生学习，较好地将新课程理念结合于教学实际中。其次，在课堂中采用多媒体课件作为辅助手段，创设物理情景，启发引导学生，帮助学生建立形象直观的认识，有利于调动学生学习的积极性。

2 教材分析

本章前面几节介绍了动能与功的概念，明确了功与能量转化的关系，并通过实验探究了功与速度变化的关系，因此本节内容在《机械能》这一章中起到了承上启下的作用。通过动能定理的推导使学生既深化了对“功”概念的理解，又加深了对“功是能量转化的量度”的认识，通过动能定理的学习更进一步拓展了在具体问题中求功的思路，为机械能守恒定律的学习打下了基础，为功能关系问题提供了思路，动能定理的应用甚至是贯穿了高中阶段大部分的物理知识，因此本节内容是本章的关键内容也是重点内容。

3 学情分析

本节课之前学生已有的知识结构：1.学生有生活中的体验，如运动的汽车发生碰撞会损坏，高速运动的子弹能击穿木块等……认识到运动的物体具有能量；2.必修一“牛顿运动定律”的学习后认识到可以通过物理量与单位之间的关系来初步判断某个表达式是否正确；3.第1节“追寻守恒量——能量”已经给出动能的概念，学生知道物体由于运动而具有的能量叫动能；4.第2节“功”使学生认识到能量及其转化的认识与功的概念紧密相连，功的计算常常能够为能量的定量表达与能量的转化提供分析的基础；5.第4节“重力势能”的学习过程使学生不仅知道重力势能的大小与什么因素有关，还能定量表述重力势能的大小；6.第6节实验“探究功与速度变化的关系”探究得到合外力对物体做的功与物体速度的平方成正比。

本节课之前教材内容的编排已为学生探究动能和动能定理的表达式做了许多的铺垫，这些内容是相互联系相辅相成的，因此在“动能 动能定理”教学中有必要把这些内容充分联系起来，根据学生已有的认知结构，创设有序探究互动，引导学生进行有效思维，促生思维型课堂，提高学生认知结构构建的有效性。

4 教学目标

根据上述对教材和学习者情况的分析，确定本节课教学目标如下：

4.1 知识与技能

①理解动能的确切含义和表达式；②理解动能定理及其推导过程、理解其物理意义；③锻炼学生对物理过程分析、探究和理论推导的能力。

4.2 过程与方法

①设置问题推动学生思考，让学生探索解决问题的方法；②让学生经历探究过程，尝试探究的方法及途径。

4.3 情感态度与价值观

①通过动能表达式的推导，培养学生的科学探究的兴趣；②通过探究培养合作精神和积极参与的意识；③领略自然规律的奇妙和谐，培养好奇心与求知欲使学生乐于探索。

5 教学重点和难点

①理解动能的物理意义及动能的表达式；②理解动能定理的物理意义。

6 教学过程

6.1 创设情景，唤起旧识

利用真实照片“高速运动的赛车”“子弹击穿苹果”创设情境，学生看图回忆本章第1节给出的动能的定义。

设计说明：利用教科书本章第1节动能定义，引入过程科学、自然，达到开门见山，直奔主题的效果，能使学生较快进入课堂学习状态。

6.2 创设实验，感知影响动能大小的因素

创设实验再现初中进行过的探究过程如图1所示：

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图1 探究影响动能大小因素实验示意图

（1）质量不同的小球从同一高度静止释放，重的球把木块撞出的距离远，可见动能与物体质量有关，物体质量大，动能大；

（2）质量相同的球从不同高度静止释放，高处释放的球撞击木块时速度大，把木块撞出的距离也远，可见动能与物体的速度有关，速度大，动能大。

设计说明：实验的可视性与真实性强，使学生对于影响动能大小的因素印象深刻，为下一步探究动能表达式奠定基础。

6.3 类比引导，激发探寻新知的欲望

类比之前重力势能的学习，不仅知道重力势能的大小与什么有关，还能具体定量计算重力势能的大小，引导学生继续探究动能的定量表达式。

设计说明：通过类比引导，即能为学生发现新的问题提供思路，也能激发学生探究动能表达式的欲望，起到承上启下的作用。

6.4 探究互动，寻找动能表达式

（1）猜想假设

根据现有认知结构，知道物体的质量越大、速度越大，动能就越大，可以猜测动能表达式中肯定有物体质量m与物体速度v的存在。依据这个思路，学生猜测动能表达式可能为EK=kmv2、 EK=kmv？、EK=km2v……或许还有更复杂的表达式。

设计说明：充分展现学生的思维活动，不同的猜测体现了学生不同的思维水平，反应学生面对物理问题时的思维品质，同时也揭露不同学生所处的不同认知结构。

（2）理论分析

力学单位制的学习给我们一个启示：根据物理量单位之间的关系，可以粗略判断某个表达式是否正确。基于这个思路引导学生进行有效的思维，利用已有知识寻找动能的单位，并在提出的猜想假设中寻找到动能的表达式可能为EK=kmv2，其中k为比例系数。

设计说明：学习物理的最终目的是规律的应用，解决实际的物理问题，应用之前的物理知识来解决现在的问题，让学生体会到物理是有用的，激发继续学习物理的兴趣。

（3）实验验证

通过本章第2节“功”的学习，认识到能量及其转化的认识与功的概念紧密相连，功的计算常常能够为能量的定量表达与能量的转化提供分析的基础，依据这个思路我们通过研究做功的多少来寻找动能的表达式。利用照片创设真实情境展示“猴子从树上静止掉下”，师生共同简化猴子下落过程，抽象出理想化的过程模型——自由落体运动，共同分析重力势能与动能的变化关系，从中可知在这个过程中：

“重力势能变化=WG=动能变化”。

学生利用已掌握的匀变速直线运动规律与功的计算公式计算下落过程重力做功：

W■=mgh=mg·■=■m（v■■-v■■）=■mv■■-■mv■■，进一步看成是wG=表达式B-表达式A，结合之前的两个认识 “重力势能变化=WG=动能变化”与“EK=kmv2”，易得动能的表达式：EK=■mv2。

设计说明：任何物理规律、表达式的推导应该是依据学生的认知水平，通过选择教学素材，选择教学方式，创设有效的物理情景将学生的认知结构一步一步地有序完成构建，这个过程是水到渠成而不是拔苗助长。通过“猜想—假设—分析—验证”，能让学生真正体会科学探究的过程，发现规律，体验成功的乐趣。

6.5 具体实例，加深动能的理解

由动能表达式可见物体的质量越大、 速度越大，动能也就越大，反证之前动能大小与什么因素有关的认识完全一致。

案例 网球的质量0.2 kg，速度为100 m/s，运动员质量50 kg，某时刻跑步速度5 m/s。比较两者谁动能大？

设计说明：通过具体实例让学生熟悉动能表达式，理解动能的物理意义，知道动能是标量，只有大小没有方向。

6.6 探究互动 寻找动能定理表达式

（1）回顾实验 发现问题

创设图片情境“探究合外力做功与速度变化关系”实验装置如图2所示，学生回忆实验装置用途，知道实验过程的重要步骤——平衡摩擦力，并知道平衡摩擦力的原因是为了保证小车受到橡皮筋的拉力是小车受到的合外力。

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图2 探究合外力做功与速度变化关系实验装置图

创设图片情境“探究合外力做功与速度变化关系”实验结果图像如图3所示，引导学生变换坐标，从中看出外力做功能使得小车的动能增加。引导学生探究合外力做功与小车动能变化的数量关系。

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图3 探究合外力做功与速度变化关系实验图

（2）抽象模型 解决问题

简化实验装置，构建物理模型，设置理想条件：橡皮筋拉力为恒力共同探究合外力做功与物体动能的具体关系，结合匀变速规律计算可得：

FL=■mv2，进一步分析将FL=■mv2改写得到动能定理的表达式：

W合=FL=■mv■■-■mv■■。

设计说明：通过已有问题发现新的问题，并利用现有知识结构来解决发现的问题，不仅体现学生发现问题的能力，更锻炼学生抽象物理模型解决物理问题的能力，满足高中物理新课标强调的培养学生创新精神和实践能力的目标。

6.7 分析过程，明确表达式意义

引导学生认识到动能定理是针对于物体运动的某一个过程，W合是合外力对物体所做的功或外力做功之和，■mv■■是运动过程中末状态的动能，■mv■■是运动过程中初状态的动能。合外力对物体做正功，物体动能增加，合外力对物体做负功，物体动能减小。

设计说明：通过简单的分析让学生对合外力做功与动能变化的关系有更明确的认识，同时弄清动能定理公式表达中各物理量的对应关系，为下一步总结运用动能定理解决问题的思维策略打下基础。

6.8 实例应用，总结思维策略

案例1 一架喷气式飞机，质量m=5.0×103 kg，起飞过程中从静止开始滑跑的路程为s=530 m时，达到起飞速度v=60 m/s。在此过程中飞机受到的平均阻力是飞机重量的0.02倍（k=0.02）。求飞机受到的牵引力F？

过程说明：解题中注重解题规范的渗透与应用动能定理解决问题的思维策略的总结，总结如图4所示：

案例2 如图5所示轨道AC由半径R=0.5 m的1/4圆弧轨道AB与水平轨道BC组成，小球质量为1 kg，半径远小于轨道半径，从A点静止释放，到达B点的速度为2 m/s，小球与轨道的摩擦系数均为0.2。求AB段运动过程中摩擦力对小球做的功？求小球在水平轨道前进的距离？

设计说明：通过实例应用与思维策略总结，使学生认识到动能定理也是一种求功的方法，特别是变力做功的求解，体会学以致用的快乐，激发学习物理的积极性。

7 评价与反思

1.本节课教学设计充分利用了学生的原有认知与教材前面的内容，依据学生的认知结构精心设计问题梯度，激发学生的兴趣，打开学生的思路。本节课的成功之处，就在于充分考虑学生的原有认知，在学生原有认知的基础上建构科学知识，保持物理学科知识的系统性。

2.学生的思维具有开放性，学生面对问题时表现出来的反应不一定会与教师预设的方向保持一致。因此，教师需要在教学过程中进行合理的引导，精心设计问题情境，让学生更容易理解和掌握教材内容。比如，在猜测出动能的可能表达式后判断表达式是否合理时，如果不经提示学生不一定会想到用力学单位制来判断表达式是否正确这条思维策略。

参考文献：

[1]林崇德，胡卫平.思维型课堂教学的理论与实践[J]. 北京师范大学学报（社会科学版）2010，217（1）：29—36.

[2]梁旭.三维认知教学目标对教学的解释与指导[J].物理教师，2014，35（2）：2—7.

（栏目编辑 李富强）