“实验：验证机械能守恒定律”教学设计

刘宇婧　刘健智　胡惠琪　齐思远　唐惠惠

摘 要：为了全面提高学生的物理学科核心素养，基于课程标准、教材分析和学情分析制定了“实验：验证机械能守恒定律”的教学目标、教学重难点、教法与学法，最后设计了完整的教学过程。主要创新点：①教具创新：自制教具和改进实验装置，用电磁铁和光电门代替打点计时器，利用DISLab软件和Excel快速地处理数据并得到实验结论，改进了传统的数据处理方法;②内容改造：让学生了解传统实验的不足，尝试改进实验装置，培养了学生的质疑创新和科学探究能力;③教法与学法：采用了“递进的探究式教学”，从易到难，层层递进探究物理规律，符合学生的认知规律。

关键词：机械能守恒定律;实验验证;实验设计;教学设计

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2022）6-0026-5

“实验：验证机械能守恒定律”是2019年人教版普通高中物理教材必修二第八章第5节的内容，授课对象是高一学生，主要内容包括设计实验、进行实验操作、数据处理、得到实验结论。本节课注重学生动手能力的培养，融入STEM教育理念，能提升学生的科学探究水平和培养学生的问题解决能力[1]。通过改进实验装置，开展探究性实验，指导物理深度学习[2]，让学生学会欣赏现代信息技术，达到培养学生实验能力的目的。本文在教材分析、学情分析的基础上，制定教学目标、教学重难点及教学过程。

1    教材分析

1.1    本节内容在物理知识体系中的地位

机械能守恒是高中物理中的第一个守恒量，对其他守恒量的研究与学习具有示范作用，为今后学习动量守恒、电荷守恒等守恒定律打下基础。但由于守恒思想和有关概念、规律的抽象性，学生要真正掌握和灵活运用存在难度。本内容安排在学习机械能守恒定律之后，目的是使学生在了解机械能守恒定律的理论基础上，通过实验对定律进行验证，从而加深对机械能守恒定律及其守恒条件的认识。

1.2    教材内容与体系安排

首先，从机械能守恒定律及其守恒条件出发，寻找符合机械能守恒定律的运动过程，确定实验对象。然后，根据实验原理和目的自主设计实验。教材展示了两个参考实验：实验①研究自由下落物体的机械能，采用打点计时器打出纸带后测量速度，用刻度尺测量高度，最后让学生分组进行实验操作、数据处理及误差分析;实验②研究沿斜面下滑物体的机械能，拓展了教材知识面，用气垫导轨、光电门进行实验。实验①可以让学生熟悉打点计时器的操作和对纸带的处理，但是实验过程中比较难打出符合要求的纸带，数据处理过程缓慢，实验误差很大，会让学生怀疑机械能守恒定律的正确性，不利于学生对机械能守恒定律的正确理解。因此，教学设计过程中需要对实验①进行改进。

2    学情分析

2.1    知识层面

学生掌握了动能、重力势能等概念，学习和掌握了动能定理和机械能守恒定律;知道功是能量转换的量度以及机械能守恒的条件。

2.2    思维层面

学生对满足机械能守恒定律的运动过程有一定认知，了解如何选取合适的物理过程来验证机械能守恒定律。

2.3    能力层面

学生已经具备了一定的实验操作技能：会操作打点计时器，并会根据纸带的点迹计算某点的瞬时速度大小，有一定的误差分析能力。但自主改进实验装置能力不够，需要在教师的指导下改进实验装置并进行实验。

3    教学目标

3.1    物理观念

通过对机械能守恒定律的实验验证，加深物理观念中的能量观点。

（1）掌握验证机械能守恒定律的实验原理，巩固对机械能守恒定律及其条件的理解。

（2）能从机械能守恒定律出发，分析实际生活中的运动情境，能从能量的角度来理解机械能守恒定律及其条件，能熟练地运用动能和势能公式来计算机械能。

3.2    科学思维

（1）在实验方案的设计中，不断改进、勇于创新。

（2）在进行实验过程中遇到问题深入思考，踊跃提问，提高质疑创新的能力。

3.3    科学探究

（1）在能利用纸带点迹分析和处理数据的基础上，学习利用DISLab软件采集处理数据。

（2）能够分析教材中实验装置的误差来源，探究减小实验误差的方法，改进实验装置，提高问题意识和交流能力。

3.4    科学态度与责任

（1）通过小组合作完成验证实验，体验学习的乐趣，提高实验兴趣。

（2）通过多次实验得出普遍结论，树立实事求是、严谨认真和持之以恒的科學态度，增强社会责任感。

4    教学设计

课程标准要求“通过实验验证机械能守恒定律”[3]，结合教材分析、学情分析和教学目标，完成以下教学设计。

4.1    教学重难点

（1）教学重点：设计实验方案;经历实验过程，学会数据处理的方法。

（2）教学难点：实验误差的分析和对实验的改进及创新。

4.2    教学方法

（1）教法：启发式讲授法;探究式教学法。

（2）学法：实验探究法;讨论法。

4.3    教学用具

铁架台、电磁铁、光电门、小铁块、毫米刻度尺、开关、电源、导线、电脑（带有DISLab软件）。

4.4    教学流程（图1）

4.5 教学过程（表1）

4.6 板书设计（图8）

5 课前反思

对教材中的实验装置进行改进与创新，对教材内容进行改造，在教法、学法上采用“学、做、思”的课堂教学模式，包含以学生为主体的“学、做、思”和以教师为主导的“导学、导做、导思”这两方面[4]，使学生加深守恒的物理观念。在引导学生构建“能量及其转变”的大概念时，让其经历一系列理论探究与模型建构、推理论证的过程，最终实现培养学生问题意识、证据意识、解释与表述能力的目的[5]。

5.1    教具创新，减小误差

学生通过误差分析发现教材实验装置可能存在的問题：①很难保证初速度为0;②纸带与打点计时器间存在摩擦力;③瞬时速度精度低。为了减小实验误差，利用光电门代替传统的打点计时器来测量速度，提高瞬时速度的精度，同时解决了纸带与打点计时器间存在摩擦的问题，利用电磁铁确保了初速度为0。

5.2    内容改造，科学探究

本节是验证性实验，教材用打点计时器进行实验，而我们是通过发现教材实验中存在的三个问题并引导学生进行实验装置的改进，再利用改进的实验装置进行实验，将探究性元素引入了本实验，将实验活动变成了创新活动。

5.3    手段创新，可视化强

自由落体下落高度用刻度尺测量，但刻度尺的刻度不能让全体学生看清，只能由部分学生上台读数，实验的可见度不强。为了解决这一问题，用手机拍照并投屏。同样，还将学生设计的实验数据表用手机投屏，让全体学生分享同伴的设计结果。将教师的智能手机应用到课堂上，体现了现代科技和信息技术在教学中的应用。

5.4    目标明确，培养素养

本节课自始至终体现了“用教材教，而非教教材”的教育理念[6]，同时将物理学科核心素养的若干要素贯穿于教学全过程和各教学环节，如：

（1）在“问题探究 设计实验”环节，学生分析教材实验的误差来源，交流讨论得出改进后的实验装置，体现了“科学思维”中“质疑创新”和“科学探究”中“问题”“交流”等要素。

（2）在“实验操作 得出结论”环节，学生分组实验，交流实验结果后得出机械能守恒的结论，体现“科学探究”中“证据”“解释”“交流”和“科学态度与责任”中严谨认真、实事求是和持之以恒的“科学态度”等要素。

（3）在“拓展延伸 深度学习”环节，有利于学生树立终身学习的理念、认识守恒的“科学本质”，这属于“科学态度与责任”素养。

参考文献：

[1]肖化，郭晓敏，曾辉，等.基于STEM教育理念培养高中生科学探究素养[J].物理教学探讨，2021，39（4）：75-80.

[2]薛猛.开展思维性实验，指导物理深度学习[J].高中数理化，2020（8）：44.

[3]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）[S].北京：人民教育出版社，2020：12.

[4]张晓春，王永利.构建“学、做、思”教学流程 提高实验教学效率——以“验证机械能守恒定律”为例[J].中学物理教学参考，2021，50（11）：34-35.

[5]朱宁宁，崔琰.以大概念统领单元教学设计，促进学科核心素养的落实——以“机械能及其守恒定律”单元为例[J].物理教学探讨，2021，39（2）： 31-36.

[6]中华人民共和国教育部.国家基础教育课程改革指导纲要[M].北京：人民教育出版社，2020：12.

（栏目编辑    邓   磊）