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“动能和动能定理”的教学设计与实践

江苏省苏州中学吴怡选自《物理教师》2009年第6期

1．问题的提出

新课程物理教材（人教版）对“动能和动能定理”的编写思路较过去教材作了调整。与以往所不同的是，新教材在用牛顿第二定律推导动能定理及提炼动能表达式前安排了“探究功与物体速度变化关系”的实验，其出发点在于更加充分体现探究教学的精神，培养学生的思维能力，这种立意很好。但笔者在教学实践中发现，新教材虽然突出了“探究性”，却忽视了学生的认知规律，由于学生缺乏对动能概念的科学建构，并且还没有充分理解功能关系的科学思想，因而对于动能表达式及动能定理接受起来觉得比较生硬、勉强，于是就引起了笔者对该部分内容的教学设计进行了新的思考、调整。

科学发展史告诉我们，科学家对科学规律的认识最初总是与朴素、经验的直观认识相联系，经过必要的逻辑推理和实验论证逐渐发展至较为精确的科学观念。科学概念发展的这样一种规律与学生的认知发展规律是相一致的，当学生在前概念基础上建构的认识还未达到科学概念时，与物理发展史上此概念的形成有着内在相似性。基于这样的设想，笔者在本次教学设计中尝试引导学生从个体对自然的理解和个体的经验出发，通过与实际的探究对象的互动，促使他们在最初认识的基础上进行调整、修正与深化，从中提炼出科学问题，然后进一步引导学生从定性到定量进行探索、研究，逐渐建构和发展起对动能及动能定理的科学描述及认识。

2．关于“动能和动能定理”教学设计与实践的探讨

2．1能量及动能概念的引入

从物理教学的角度来看，学生在不同阶段对同一个物理概念的接受能力、理解层次、知识要求是不一样的。对于能量这么一个历经了近200多年形成过程的物理概念来说，不可能一开始就给出一个完满精确的描述，而应当从学生的认知水平出发，先给出一个较为浅显而直观的描述，为学生进一步探索新的规律奠定基础。

在此，笔者借鉴了国外物理教材中的一些做法。首先通过多媒体等多种手段向学生呈现自然界中的具有各种形式的能量，例如，奔腾的骏马、川流不息的瀑布、高速旋转的龙卷风、熊熊燃烧的火堆……通过对这些场景的观察思考，让学生对自然界物体具有的某种“能力”获得一种强烈的感受和直观的认识，在此基础上做出这样的描述：“如果物体能使自己或外界产生变化，我们就说物体具有能量。”这样引入能量的问题，虽然有些粗糙，不够精确，但学生比较容易接受，符合初学者的认知能力。学生有了能量的初步观念后，便容易接受动能的概念，即“运动物体因其位置随时间发生变化而具有能量”，这从某种程度上反映了运动物体的运动能力。

2．2探究动能的表达式

科学追求的是深层次的思维，在思中做，在做中思，最佳的探究方式应该是内隐的心理探究和外显的探究活动的有机结合。在探究动能表达式的过程中，笔者通过设置一些层层递进的问题，引导学生经历猜测、联想、推理等思维过程，将他们自己的生活经验上升为科学感悟，在此基础上进行实验设计和实验操作，最终促使学生对动能概念的理解从感性认识发展到理性认识，从定性描述发展到定量描述。

2．2．1初步的理论探究

首先，让学生紧密联系生活实际，猜测影响动能的因素可能会有哪些。学生举出不少生活中的例子，例如，“同样速度飞行的乒乓球和铅球，铅球更加可怕，应该是铅球的动能大”、“同样的子弹，静止在桌上时非常安全，而从枪口射出时动能很大可以穿透人体”……在这方面学生有着丰富的生活体验，比较容易想到质量和速度是影响动能的两个因素。

接着。为帮助学生逐步深入到对动能的定量研究，笔者设置了一个开放性的问题以引发学生们的积极联想：“既然动能的大小和速度、质量有关，那么，到底存在怎样的定量关系呢？能否首先试图寻找一种方式把动能表现出来，以便我们进行量度呢？”学生经过相互讨论后，比较容易想到的方案如下。

方案1：将物体以一定初速竖直抛出，所达到的最大高度可用来反映物体抛出时动能的大小。

方案2：将物体抛向光滑斜面，物体在斜面上所爬到的最大高度可反映出抛出时动能的大小。

方案3：在一足够大且粗糙的水平面上，给物体一定的水平初速度，由于摩擦阻力的存在，物体的运动越来越慢，最后停止，看物体在水平面上的运动能够维持多远，从物体最后所停的位置与抛出点的距离可以反映出它开始时的动能大小。

方案4：将运动的物体去压缩弹簧，从弹簧发生的形变量可以反映出物体抛出时动能的大小。

从学生提出的想法中可以看出，实际上学生已经初步认识到：“物体的动能可表现为物体克服阻力运动多远或者使其他物体运动多远”，这一点是学生在前概念基础上构建的观念，虽然不够科学，却是对动能进行定量研究的重要环节，并且，还与物理学史上莱布尼茨当年研究“活力”时提出的一些想法有着内在的相似性。

然后，笔者进而引导学生结合原有所学知识进行理论推导。“大家想得都不错，那么能否在此