动能定理教学设计及案例评析翟厚岚山东师范大学教育硕士研究生导师山东省青年物理教师教学研究会学术委员会主任山东师范大学附中物理教研组组长山东省齐鲁名师工程人选山东省教师远程培训物理课程专家张帆山东师范大学附属中学高级教师山东省青年物理教师教学研究会常务理事兼学术委员会委员蔡建国山东师范大学附中高级教师全国第二届创新大赛一等奖山东省优质课一等奖山东省青年物理教师教学研究会秘书长蔡老师：各位老师，大家好！在今天这一讲中，我们将以物理必修II中《动能定理》一课为例，继续探讨有关物理规律教学中的科学探究问题。
同时重点谈一下科学探究中的模型研究法以及物理学史在教学方案设计中的作用。
翟老师，张老师，在动能定理这节课的教学过程中，我曾阅读过新课程4个版本的教科书，关于动能定理这节课，没有一个版本的讲法是一样的，动能定理这节课在教学设计上为什么有这么大的差异呢？翟老师：因为，教科书体现了教材编写者的指导思想，它是编写者在领会课程标准要求之后给出的不同的教学思路。
无论是哪个版本的教科书，其内容和深度都应该是依据课程标准来确定的，但不同版本的教材渗透了教科书编写者对课程标准的领会。
既有对科学内容的把握，又结合了他们丰富的教学实践经验。
实际上，教科书是编写者对教学内容的一个再创造过程。
所以同样的内容主题，在程度、要求、呈现方式、侧重点等方面就出现了差异。
张帆：是的，所以我们在备课的时候，也认真研究了各种版本的教科书，通过理解教材编写者对动能定理教学的设计意图，试图挖掘出他们对这节课理解的一些共性的东西，在这个基础上，力争设计出适合我们自己的教学方案。
其实在五年课程改革教学实践中，我们对动能定理这节课的教学思路也是经历了一个逐渐清晰明朗的认识过程。
蔡老师：在今年4月份山东省教师培训跟进式在线指导时，我浏览过教师们关于《动能定理》这节课专题研讨的帖子，其中的一些帖子确实反映了教师在这节课的备课和教学实践过程中的一些真实想法和遇到的问题。
张帆：关于这节课的教学，我们去看看一线教师是怎么说的吧。
场外采访：一线教师教学中的疑惑李成金：动能定理这节课，重点内容是探究恒力做功与物体动能变化的关系。
在学习这节课以前，还没有学习动能的定义。
因此，就出现了两种教学方法，一个是在研究动能定理表达式的过程中也在探究动能的意义；还有一种做法是在动能定理规律的教学之前先给出动能的概念，这样就能集中精力探究恒力做功与动能变化之间的关系，这两种方案怎么处理比较好呢？郭富强：动能定理的教学一般有两条线，一是数学推导得出这个动能定理表达式，二是通过实验探究测量得出恒力的做的功与动能变化的关系。
而动能定理不是一个实验定律，也就是说它不是从实验中得出来的规律，有的老师以前曾经对我用实验探究的方法探究动能定理提出异议。
可是，教科书上是这样要求用实验探究的。
这个问题究竟应该怎样处理呢？课标学习，探讨四个问题蔡老师：郭老师、李老师提的问题很有代表性，带着这些问题，我们先来看一下有关《动能定理》这节课高中物理课程标准里是怎么写的。
高中物理课程标准中有关的内容标准通过实验，探究恒力做功与物体动能变化的关系。
理解动能和动能定理。
用动能定理解释生活和生产中的现象。
例：用打点计时器或光电计时器探究恒力做功与物体动能变化的关系。
例：从牛顿第二定律导出动能定理。
活动建议：通过查找资料、访问有关部门，收集汽车刹车距离与车速关系的数据，尝试用动能定理进行解释。
翟老师：上面从大家的交流中，我们了解了各种版本教材编写上存在着的差异，了解了一线教师在教学实践中的困惑，同时学习了动能定理这节课高中物理课程标准中的内容标准，下面我们具体的谈一谈本节课教学内容的分析选择以及教学目标的设定。
从课程标准中我们可以看出，在动能定理这节课中，涉及到的主要内容有：动能的概念、恒力做功与动能关系的实验探究、动能定理及其应用。
这节课教师在教学设计中首先需要解决的问题有：①实验探究在本节课教学中的作用是什么。
②怎样设计动能概念的教学。
③实验探究与数学推导的关系是怎样的。
④恒力做功与动能变化到动能定理的过渡。
下面我们通过分析教材、分析学生、回顾物理学史，谈一下如何解决这几个问题。
教学设计中需要解决的问题1. 实验探究在本节课教学中的作用是什么。
2. 怎样设计动能概念的教学。
3. 实验探究与数学推导的关系是怎样的。
4. 恒力做功与动能变化到动能定理结论的得出怎样设计。
我们先看一下第一个问题，实验探究恒力做功与动能变化关系的意义。
前面我们介绍过，物理定理是由理论演绎推理的结果，它的建立需要由事实证据来检验。
因此，动能定理这节课实验探究的意义是很明确的。
因此，动能定理的学习应该安排学生探究实验。
物理定理是由理论演绎推理的结果，它的建立需要由事实证据来检验。
蔡建国：那第2个问题，刚才李老师提到的关于动能的教学，在不同版本的教材中也有所体现，比如，有的教材，在定性了解动能大小因素的基础上，直接给出了动能的定义1/2mv2，有的教材，是在实验的基础上，结合理论推导，探究了1/2mv2的物理意义，从而给出了动能的定义，有的教材，在牛顿定律推导动能定理的过程中，讨论出了动能的定义，有的教材，从功能关系入手，根据计算做功的多少找出动能的表达式。
张帆：对动能这个概念的要求，从课程标准来看重要的是理解。
而如何能够使学生理解这个概念，看来不同教材的编写者设计的过程是不一样的。
但都在用不同的方式，努力让学生理解这个概念。
翟老师：其实，动能概念的教学其意义不仅仅在了解动能与质量、速度的平方有关，在了解了动能概念在物理学史上的建立过程以后，也就明白为什么有的教材通过举例定性的分析的方法直接定义动能了。
从物理学史中也了解到功的概念也是直接定义给出的。
因此，在教学上可以采用在分别给出功与动能的定义以后，学生可以把关注点集中到物体做功与动能变化的研究上来。
也就是说，并不是所有的概念都要通过探究才能够教学的。
也只有当理解了物理学史中介绍的动能概念建立的意义以后，才觉得先定义动能表达式还是在动能定理表达式推导出来以后再指出1/2mv2描述的是动能，已经不是那么重要了，重要的是讲清楚动能概念的意义。
下面我们来看一下物理学史上有关的资料。
张帆：恩格斯在《自然辩证法》中指出：“理论力学得出了活力这一概念，应用力学得出了功这一概念，……以致许多年来都没有认识到这两个概念之间的相互联系，他们最后采用1/2mv2作为二者的量度，并不是因为对事情本质的了解，而是为了计算简单的缘故。
翟老师：现在看来，就算是用牛顿定律通过恒力做功整理出动能定理的表达式，历史上人们也不了解1/2mv2的意义是什么。
只是看到了这样一个关系式而已。
恩格斯把这个原理表述为：能量转化与守恒定律。
它把各种自然现象用定量的规律联系起来，找到了各种现象的公共量度—能量，说明了不同形式在相互转化中有量的共同性。
也就是说，机械运动、热运动、电磁运动、化学运动等等，都不过是同一的运动在不同条件下的各种特殊形式，它们在一定条件下可以相互转化，而不发生量上的任何损耗。
事实上，19世纪中叶，各种自然现象之间相互联系和转化的事实已被相继发现，以一种相互联系的观点去观察自然，功和动能之间的关系的解释、概念的厘清，能量守恒与转化定律的确立，都是当时自然科学的新成就，从哲学的层面揭示了它们的本质。
翟老师：阅读物理学史让我们了解到，动能概念的建立经历了200年的时间，动能定理表达式的推导不是一件困难的事，而困难的是表达式中的1/2mv2的物理意义是什么，以及1/2mv2能用来描述物体做功与能量之间的变化，建立这样一个概念才是理论体系中一件非常困难的事情。
它要通过实验证明1/2mv2能够表达做功与能量变化的关系。
才能做出动能的定义。
而不是表达式出来了，就能定义动能的概念了。
如果我们试图在导出表达式以后再说这是动能，其差别其实不是太大，这个老师们可以根据自己的理解设计这一段的教学。
换句话说，重点不是让大家去推导出哪个表达式是动能，而是要让学生理解动能1/2mv2能够描述做功与能量之间的变化关系。
这也是我们想在这里介绍物理学史能够帮助教师理解并选择教材内容、制定教学方案的意义所在。
3. 实验探究与数学推导的关系是怎样的。
谈建模蔡建国：下面我们讨论第3个问题是实验探究与数学推导的关系是怎样的。
刚才郭老师还提到一个问题，就是实验与数学推导两条线教学的选择问题。
把实验探究放在动能定理的理论推导之前，还是放在之后的问题。
张帆：对实验探究与数学推导的关系我们回到课程标准看看。
高中物理课程标准中有关的内容标准通过实验，探究恒力做功与物体动能变化的关系。
理解动能和动能定理。
用动能定理解释生活和生产中的现象。
例：用打点计时器或光电计时器探究恒力做功与物体动能变化的关系。
例：从牛顿第二定律导出动能定理。
活动建议：通过查找资料、访问有关部门，收集汽车刹车距离与车速关系的数据，尝试用动能定理进行解释。
我们看到：标准上举例1：用打点计时器或光电计时器探究恒力做功与物体动能变化的关系。
举例2：从牛顿第二定律导出动能定理。
即：教学建议里实验、推导两种方式都有。
但并没有先后顺序上的要求。
翟老师：我觉得有必要介绍一下科学研究中的建模问题。
动能定理这节课是一节非常典型的综合性的科学探究课例，它不同于前面分析过的《摩擦力》、《力的合成》两节课，那两节课是科学探究中以实验方式为主的探究课例，而动能定理中的科学探究是把数学推导、实验论证及抽象思维高度结合在一起的，用牛顿第二定律的推导与实验探究的结合才能构建动能定理的模型，这是这节课的一个难点，也是我们通过两轮的教学实践才悟出来的，当建立了有关动能定理的模型以后，很多困惑都迎刃而解了。
蔡老师：这里翟老师提出了动能定理的模型，这好像和我们平时所说的模型不太一样啊，比如说到模型，我们首先想到的是像质点啊，点电荷啊这类模型。
这里动能定理的模型该怎么理解呢？翟老师：为了说明这个问题，我们先来看一下美国国家科学教育标准中关于模型的定义：模型模型是与真实物体、单一事件或一类事件对应的而且具有解释力的试探性体系或结构。
模型可以帮助科学家和工程师了解事物的运作方式。
模型有很多形式，包括物理物体、计划、思维构造物、数学方程式和计算机模拟。
翟老师：模型不仅可以是一个与真实物体对应的物理物体，象质点、点电荷等模型，还可以是一个有一定数学推导与实验测量高度结合在一起的一个思维构造物，像弹簧振子模型，不能简单理解为一个轻弹簧和一个质点的简单组合，它仅仅是模型中的一个物体，其中还包含一个反映其运动规律的经过实验检验的数学表达式，再比如卫星运行模型，也不能简单的理解为一个质点，还应该包括能描述其圆周运动规律的数学表达式。
张帆：关于建模思想和科学研究中的物理模型的研究方法问题，我们采访了山东师范大学物理与电子科学学院院长、博士生导师王传魁教授。