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摘要：本文以机械能守恒定律为例，提出物理核心素养下规律课优化设计思路，以遵循学生认知发展为主线，采用探究式的教学方法，保证学生主体地位，理论探究机械能守恒，引导学生从整体化角度对规律进行探究，深刻理解机械能守恒本质，培养转化与守恒观念，锻炼思维能力，提高物理核心素养。
关键词：机械能守恒定律；理论探究；物理核心素养
本文引用格式：冯亚儒.基于物理核心素养优化规律课教学——以机械能守恒定律教学设计为例[J].教育现代化,2019,6(62):240-242.
新修订的高中物理课程标准将之前的三维课程目标提炼与升华为物理核心素养。物理核心素养是指学生在接受物理教育过程中逐步形成的适应个人终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力，是学生通过物理学习内化的带有物理学科特性的品质，是学生科学素养的重要构成[1]。物理核心素养主要由“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”四个方面的要素构成。机械能守恒定律是学生在高中阶段接触的第一个具有守恒思想的定律，守恒思想在整个高中物理模块中具有非常重要的作用。由于没有认知基础，机械能守恒定律的设计更需要遵循学生认知发展规律，在理论探究中渗透物理观念，培养科学思维、科学态度与责任，进而提高物理核心素养。
一 教材分析
人教版《机械能守恒定律》一节，以单摆模型进行引入，接着列举物体自由落体或沿光滑斜面滑下，指出动能与势能相互转化，接着定义机械能，并以物体沿光滑曲面滑下为例，理论探究机械能守恒，得出机械能守恒定律。
设置单摆运动情景时，小球受力复杂，动能、势能的变化较为抽象，学生很难将二者建立转化联系。但若设置物体自由落体情景，速度、高度的变化是这一运动状态的表观现象，更容易引起学生对二者之间的转化关系的猜想，倘若学生能够从简单的运动状态背后发觉物理量之间的关联，则更加有利于学生建立物理观念，激励学生多观察身边事物，时刻从物理学角度观察身边事物，提高物理核心素养。
由观察自由落体或光滑斜面下滑运动的物体，发现重力势能减小，动能增大，直接得出重力势能转化为动能的观点有些牵强，事实上，并没有直接的证据能够表明这一转化过程，因此，引导学生进行猜想，假设二者之间具有某种转化关系，更加符合逻辑，也更适于学生的思维特点。
对于理论探究机械能守恒定律，教材中的推导过程未能体现守恒的本质，保守力做功是动能势能互相转化的根本原因。机械能本身并不守恒，只是系统不与外界进行能量交换，系统内部任意状态下的机械能才守恒。
二 学情分析
高一的学生之前已经对能量、功、动能定理有了一定的认识基础，因此用原有知识通过公式变换对机械能守恒进行理论探究符合学生的认知发展规律。高中学生尚处于由“形象思维和感性思维”向“抽象思维和理性思维”的过渡时期[2]，而机械能守恒过于抽象，守恒思想又是学生第一次接触，但这一思想贯穿于整个高中的物理学习，对于学生物理水平的提高极为重要，学生学习难免有些吃力，因此，通过探究引导学生深刻理解守恒的本质，建立“守恒”和“转化”的观念是本节学习的重点。
三 教学目标
物理观念：从能量的角度理解机械能守恒定律中能量的永恒不变，深刻理解机械能守恒的本质，能够从动能势能等量转化的角度理解机械能守恒，建立能量“守恒”和相互“转化”的物理观念。
科学思维：理解机械能能够守恒的原因，明白建立能量守恒定律的整个理论推导过程，能够运用整体思维对运动状态进行分析。
科学探究：能够熟练运用动能定理、动能、势能公式对机械能守恒定律进行理论探究。
科学态度和责任：进阶地探究机械能守恒定律，培养学生严谨的科学研究态度，培养社会使命感。
四 教学过程
（一） 创设情境，引发认知冲突
“球碰鼻子”魔术：一位同学将摆球拉到老师鼻尖处，老师保持头部不动，然后学生放手，摆球返回时最高点时刚好碰到鼻尖。
设计说明：通过创设魔术情境，将同学们带入神奇的未知世界，与原有认知产生冲突，充分调动起学生对本节课的学习兴趣，激励学生积极探索，体会物理学习重要性。
（二） 提出问题，引入新课
教师演示：小球从高处下落。
问：观察到小球状态有何变化（速度变大，高度变小），速度与高度之间是否存在某种变换？若存在交换，是等量代换还是差量代换？
设计说明：动能和势能之间的转换是极为抽象的，远没有速度和高度的变换来的直观，高中阶段的学生第一次接触守恒知识，很难建立起动能势能之间可以相互转换的逻辑联系，而通过先将速度、高度这种表观的物理量建立起联系，再进一步明确动能、势能的相互转化，更符合学生认知发展，增强定理可信度，培养学生缜密的思维，渗透物理观念。
（三） 验证猜想，探究守恒
1.教师带领下的理论探究
得出机械能守恒。
设计说明：首先，这个表达式直观地说明了动能、势能之间的转化是等量的，即等速度换等高度，接着定义动能、势能统称为机械能，进而得到了机械能守恒。学生运用以前学习过的公式进行变换的过程是“同化”过程，定义机械能，学生接受新信息，完成“顺应”过程，在“同化”与“顺应”的交替之中完成机械能守恒定律知识构建[3]。这一过程也体现了逻辑推理的强大力量，帮助学生建立物理观念，培养科学态度与责任。其次，从功能关系的角度来看，这一式子也说明了引起动能、势能相互转化的原因是重力做功，势能包括重力势能和弹性势能，因此，在只有重力或弹力做功的物体系统内，动能、势能互相转化，机械能保持不变。也再次印证逻辑的力量，明确了“守恒”的本质，体现了“功是能量转化的量度”。再次，强调理论推导所选取的状态为任意的，使论证更具有说服力，定理更具有普遍性。由于学生首次进行动能、势能的转化，难免无从下手，教师带领下对机械能守恒的理论推导很好地完成了学生认知的“被组织”过程，启发学生接下来更好地完成机械能守恒定律的多情况推导。
2.学生分组理论探究。
科学探究不仅是指实验探究，理论探究也是科学探究的一种非常重要的形式，让学生运用所学的动能定理、动能、势能表达式理论探究自由落体运动、平抛运动、圆周运动、光滑斜面上滑动这四种情形下的小球任意状态下动能、势能的等量转化，由学生们去发现和总结只有在重力做功的情况下，动能和重力势能的转化才是等量的。
设计说明：建构物理模型，学生自行推导不同情形下的机械能守恒问题，发现规律，自主达到“平衡”过程。整个过程是“自组织”过程，锻炼了学生自主探究能力，体现了学生的主体地位。通过对比鲜明的多种物理模型，更直观地发现内部规律，学生亲自完成科学探究过程，是培养核心素养的重要途径，既保证了学生主体的地位，也体现了教师的主导作用。
（四） 拓展探究，完善定律
机械能守恒定律不仅包含只有重力做功这一条件，还包含只有弹力做功或重力、弹力都做功的条件。教师引导下学生自主地从理论上对水平放置的弹簧（仅弹力做功），竖直放置的弹簧（弹力、重力均做功）在恢复原来状态过程中任意两处的机械能进行探究，建立完整的定律体系。
（五） 梳理知识，建构完整体系
教师提问机械能守恒定律的内容、条件、表达式，对本节知识进行梳理，并对重点知识进行强调，以教师为主导，以学生为主体，帮助学生建构完整的守恒体系，锻炼学生思维和表达概括能力，建构物理观念。
（六） 解答课前疑问
教师提问，学生经过思考，从能量守恒角度破解魔术奥秘。
设计说明：在对整节知识进行梳理后，学生已经在脑海中构建了完整的机械能守恒的知识体系，理论基础扎实，在此基础上对课前疑问进行答疑，是对机械能守恒定律的巩固和深化。
五 总结与启示
（一） 遵循学生认知发展规律，进阶式地进行科学探究
教师在对某节课进行处理和构思前，要全面的了解授课对象的认知基础，在全面掌握学生认知情况的基础之上，对教材的不合理之处进行大胆的变化和调整，设计出真正贴合学生思维的教学内容。根据皮亚杰认知发展理论，认知能力的提升需要经历四个阶段，图示—同化—顺应—平衡，对于一个新知识点的学习，学生是陌生的，接受起来难免有困难，教师如果能够准确找到新旧知识之间的联系，巧妙地引导学生建立这种联系，以学生为主体，循序渐进地，进阶地帮助学生实现前概念与新信息的平衡过程，就可以轻松地实现知识水平的提升，起到事半功倍的效果。
（二）建构简单的物理模型，发掘潜藏物理规律
简单的事物中往往蕴藏许多复杂规律。建立简单的经典物理模型，不仅有利于学生对物体更直观的分析，将探究过程简化，而且通过这种“以小见大”的过程，诱导学生学会用物理的角度观察事物，时刻用发现的眼睛寻找真理，有利于渗透物理观念，培养科学态度与责任，潜移默化中提高物理核心素养。
（三）高端备课，渗透物理观念
教师对于一节课的准备，目标不只是知识的传授，更是物理思想的传递；学生对于一节课的接受，不仅是知识水平的提高，更是观念、能力等得全方面提高。教师在对每一节课、每一知识点的准备中，要看透规律背后的物理思想，将方法教给学生，将思维授予学生，不仅要教会他们解题，更要引导他们做思想上的巨人，生活中的主人。
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[M].人民教育出版社，2004：4-5.
[2]吴宏伟.基于学习进阶的教学设计-机械能守恒定律[J].物理教师.2018，39(3)：15.
[3]陈信余.物理核心素养下的“机械能守恒定律”教学[J].教学月刊·中学版(教学参考),2017(06):19-23.
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