物理问题解决教学.docx

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物理问题解决教学

高中物理新课程

教学设计与实施的案例及分析

系统设计

↓

新课程设计

↓

教学实践

↓

教学评价

课题能量守恒定律

教　师蔺立昌

学　校宁夏六盘山高级中学

（宁夏回族自治区　银川750002）

物理“问题解决”教学

——教学设计与实施的案例及分析

内容摘要：

“问题解决教学”的教学设计是在新课程理念的指引下，以多元智能理论的“问题解决”方式来组织教学。

本文以“能量守恒定律”为课题，以特别注重知识完整的“系统教学”和新课程背景下的“问题解决”两种方式做出教学设计，并通过教学实践进行了对比分析，以期从实践中寻找最适合学生发展的教学方式。

一、能量守恒定律的“系统方式”教学设计案例

“系统方式”教学的一般程序是：

知识准备→归纳思辨→形成结论→解决问题→重要意义

任务分析：

首先要通过对功、热量、内能概念的比较，澄清学生中的一些错误认识，并归纳出做功和热传递在改变系统的内能上是等价的。

再推广到外界即对系统做功，又对系统传热时，系统内能的改变应如何定量地计算，引出热力学第一定律的表达式，并通过实例对表达式中物理量取值的正负意义进行讨论。

最后，从热力学第一定律归纳到普遍的能的转化和守恒定律，并强调了能量守恒定律的理论与现实意义，同时，对于永动机的不可能实现，给予了科学上的最后判决。

教学的重点是：

通过不同形式的能量之间的转化与转移的实例分析，归纳出能的转化和守恒定律。

教学的难点是：

从不同形式的能量之间的转化与转移中找到守恒的东西。

学情分析：

首先要求学生具有足够的知识准备，没有热力学第一定律的学习或对热力学第一定律理解不够的活，后续对能量守恒定律的教学活动将无法有效地展开。

其次要求学生逻辑思维严密，学会归纳总结，形成结论。

最后在形成统一的结论后，立即着手问题的解决，在课堂内外进行的强化训练，注重知识技能的达成。

目前，能同时达到这三项要求的学生还是少数，多数学生勉强能够应付一部分。

教学目标：

（1）明确做功和热传递在改变系统的内能上是等价的，并知道从能量转化的观点看是有区别的。

（2）理解热力学第一定律，并知道表达式中物理量取值的正负意义。

（3）掌握能的和守恒定律，并知道能量守恒定律的理论与现实意义。

（4）能从能量守恒定律出发，对永动机不可能制成作出科学的判决。

教学方法：

讲解、归纳、思辨

教学过程：

1、知识准备（复习有关功、内能概念之后引出热力学第一定律）

　　教师:

一般情况下，如果物体跟外界同时发生做功和热传递的过程，那么，外界对物体所做的功W加上物体从外界吸收的热量Q等于物体内能的增加ΔU，即

上式表示了功、热量跟物体内能改变之间的定量关系，在物理学中叫做热力学第一定律。

【例题】一定量的气体从外界吸收了

的热量，内能增加了

，是气体对外界做了功，还是外界对气体做了功？

做了多少功？

解：

由热力学第一定律

得

=

－

=

外界对气体做的功是

思考与讨论：

如果气体吸收的热量仍为

不变，但是内能只增加了

，结果又是多少？

如果计算结果W为负值。

怎样解释这个结果？

在热力学第一定律

中，W、Q和ΔU的正值、负值各代表什么物理意义？

2、归纳思辨

（1）做功改变内能（对几位同学提问后，教师举例分析以下事例）

摩擦生热→克服摩擦力做功→机械能转化为等量的内能

压缩气体→外界对气体做功→机械能转化为等量的内能

气体膨胀→气体对外界做功→内能转化为等量的机械能

教师：

功是能量转化的量度，上述事例中，做功实现了其他形式的能量与内能发生相互转化。

（2）热传递改变内能（提出发生热传递时，物体内能变化的问题后）

教师：

热传递是内能发生转移的过程。

热力学第一定律表示，做功和热传递提供给一个物体多少能量，物体的内能就增加多少，能量在转化或转移的过程中总量是守恒的。

（3）引导学生讨论下列事例中能量的转化：

通电导线→变热→（）能转化为（）能

燃料燃烧→生热→（）能转化为（）能

炽热灯丝→发光→（）能转化为（）能

教师：

其他形式的能也可以与内能相互转化。

实验证明，在这些转化过程中，能量都是守恒的。

3、形成结论

大量的事实证明：

能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为别的形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中其总量不变，这就是能量守恒定律。

4、解决问题（应用能量守恒定律讨论以下问题）

学生思考与练习：

说明下列现象中能量是怎样转化的

a.在举重运动员举起杠铃的过程中，发生了怎样的能量转化?

b.在水平公路上行驶的汽车，发动机熄火之后，速度越来越小，最后停止。

c.枪膛内火药爆炸，燃气推动子弹在枪口射出，射穿一块钢板，速度减小。

d.用柴油机带动发电机发电，供给电动水泵抽水，把水从底处抽到高处。

5、能量守恒定律的重要意义（教师讲述）

（1）恩格斯曾经把这一定律称为“伟大的运动基本规律”，认为它的发现是19世纪自然科学的三大发现之一。

（2）能量守恒定律自从建立以来，就是人们认识自然、改造自然的有力武器。

（3）永动机不可能　历史上不少人希望设计一种机器，这种机器不消耗任何能量，却可以源源不断地对外做功。

这种机器被称为永动机。

虽然人们经过多次尝试，作了各种努力，但永动机无一例外地归于失败。

失败的原因是设计者完全违背了能量守恒定律：

任何一部机器，只能使能量从一种形式转化为另一种形式，而不能无中生有地制造能量，因此永动机是不可能造成的。

人类利用自然，必须遵循自然规律，而不是去研制永远无法实现的永动机。

二、能量守恒定律的“问题解决”教学设计案例

“问题解决”教学的一般程序是：

创设情境→提出问题→分析问题→解决问题→问题延伸

任务分析：

首先以两个“永动机”的设计，创设学习情境，接着用一个富有挑战性的问题在全班展开讨论。

通过课堂活动和问题分析，发现各种自然现象之间是相互联系的，并且不同运动形式在相互转化中有“量的共同性”，而焦耳的实验更证明了这个共同性，这个量的共同性就是能量守恒。

从而把各种自然现象用定量的规律联系了起来，突破了人们关于物质运动的机械观念的范围，第一次在极其广阔的领域里把自然界很吃香物质运动联系了起来，具有重大的理论和现实意义。

教学要点：

通过课堂活动和问题分析，发现各种自然现象之间是相互联系的，并且不同运动形式在相互转化中有“量的共同性”，这个量的共同性就是能量守恒。

学情分析：

学生通过各种媒体创设的逼真情境甚至是亲身体验，为探究发现问题做好了准备。

接着提出科学有趣的问题，师生共同来分析解决，通过课堂活动和问题分析完成科学思维的建构。

同时，在学生形成了一定的科学认识之后，非常注重思维的迁移与延伸拓展，充分关注学生终身发展受益的思维能力，充分重视学生对过程的体验和方法的感受。

所以，新课程教学的出发点和立意一开始就高，面对的是全体学生，而且是全体学生的各种智能，全体学生自然都做好了学习准备。

教学目标：

知识与技能：

理解能量守恒定律，用能量守恒观点解释自然现象。

体会能量守恒定律是最基本、最普遍的自然规律之一。

方法与过程：

学生通过各种媒体创设的逼真情境甚至是亲身体验，通过课堂活动和问题分析，发现各种自然现象之间是相互联系的，并且不同运动形式在相互转化中有“量的共同性”，这个量的共同性就是能量守恒。

情感、态度和价值观：

通过有关史实，了解热力学第一定律和能量守恒定律的发现过程，体会科学探索中的挫折和失败对科学发现的意义。

同时，要运用联系的观点看待学习与生活中的各种问题，善于发现解决问题的办法。

教学方法：

“问题解决”发现式教学

教学过程：

1、创设情境（多媒体视频给出）

在科学史上，曾有一批极富创造才能的人绞尽脑汁，想设计一种不需要消耗任何燃料或动力的机器，一经起动，就可以不停地运转，这就是所谓的“永动机”。

2、提出问题

教师：

请同学们观察图8－1和图8－2所示的永动机，揣摩一下设计者当初是怎样想的？

他们的设计能否成功？

为什么？

3、分析问题（永动机的不可能、各种自然现象之间是相互联系和转化的）

请同学们分组根据课前查阅和教材提供的史料，各小组之间进行讨论，相互交流意见。

以小组为单位，全班交流汇报，质疑、补充，形成初步认识（下面是学生小组交流实录片段,共A、B、C、D四个小组，为简洁，特用编码表示学生组别及姓名）。

A1：

我们非常喜欢法国人亨内考的设计，在转动过程中，从杠杆的角度看，由于右侧动力臂始终比左侧阻力臂较长，感觉能够转动下去。

可我们又产生了新的疑问：

这样的转动能带动其他设备吗？

如果能，那带动其他设备一起转动的能量从何而来？

如果不能，这样的转动又有什么用呢？

教师：

A组同学的观点非常具有代表性，哪个小组能够解答？

C3、首先我要纠正一下A1同学关于杠杆的观点，从设计上可以看出，虽然右侧动力臂较长，但相比左侧阻碍转动的重球个数要少，我们认为整体是平衡的，不会转动，更不会带动其他设备。

这和马尔基斯的设计原理一样。

A2：

你说整体平衡没有错误，但平衡就不会转动吗？

如果尽最大可能减小各处摩擦，它难道就不会匀速转动吗？

教师：

大家辩论的非常好，假定不计摩擦能够平衡地匀速转动下去，能不能当作永动机来使用？

B4：

既然解决了转动的问题，我们觉得可以。

C5：

可是，把它往其他设备上一安装，不就新的阻力又来了么？

教师：

嘿！

D组同学怎么不说话？

D3：

我们小组认为，不计各处摩擦，整体可以匀速转动。

但正像A组同学所担心的一样，我们认为这种转动没任何价值，因为它无法克服外力而对外做功。

B1：

实际上它根本就无法消除摩擦而一直转动下去，也就是说永动机不可能制成！

教师：

完全正确，看来天下没有免费的午餐！

15、16世纪的意大利著名科学家、艺术家达·芬奇也设计过永动机。

他从自己的失败中似乎领悟到了什么，于是他劝告人们：

“永恒运动的幻想家们！

你们的探索是何等徒劳无功，还是去做淘金者吧！

”

用大屏幕，通过网络信息、图片资料、视频片断等媒体资源，引导学生了解以下史料：

1801年　戴维发现电流的化学效应（实现了电和化学的联系与转化）

1820年　奥斯特发现电流的磁效应（实现了电和磁的联系与转化）

1821年　贝塞尔发现了温差电现象（实现了热和电的联系与转化）

1831年　法拉弟发现电磁感应现象（实现了电和磁的联系与转化）

1840年　焦尔发现了电流的热效应（实现了电和热的联系与转化）

教师：

科学家们一直都在关注自然现象之间的普遍联系，并各自在不同的领域有了重大发现。

这些发现，从各个侧面加深了人们对各种自然现象间和联系与转化的认识。

到了19世纪40年代前后，科学界已经形成了一种思想氛围，认为应该以一种相互联系的观点去认识自然！

1842年，焦尔测定了热功当量数值，实现了力和热的联系与转化（如图8－3所示）。

通过这一重大实验成功的定量测定，不但说明各种自然现象之间是相互联系和转化的，而且不同的运动形式在相互转化中有数量上的确定关系。

伟大的守恒定律已呼之欲出！

4、解决问题（得出结论）

教师：

当人类确认了永动机的不可能和发现了各种自然现象之间能量相互联系与转化的事实后，不同国家、不同领域的十几位科学家（其中，迈尔、焦耳、亥姆霍兹的工作最有成效），以不同的方式，各自独立地提出：

能量既不会消灭，也不会创生，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体，在转化和转移的过程中其总量保持不变。

这就是能量守恒定律。

能量守恒定律的建立，是人类认识自然的一次重大飞跃，是哲学和自然科学长期发展和进步的结果。

它是最普遍、最重要、最可靠的自然规律之一，而且是大自然普遍和谐美的一种表现形式。

能量转化与守恒定律也可以用来检验和启迪新的发明，在科学技术上曾经风靡一时的永动机，无论构思多么巧妙，外表多么华丽，由于违背了能量守恒定律，注定是要失败的。

5、问题延伸

请同学们认真思考讨论图8－4提出的问题：

通过教材、网络等各种媒体资料，找到问题的答案，我们下节课讨论。

（1）图8－4中热量散失到室外后，为什么不能回收重新利用？

在生活中你是否发现还有类似的现象？

这一现象说明了什么？

（2）既然能量不可能消灭，在转化过程中能的总量是守恒不变的，为什么我们还要节约能源？

说明：

图8－1、8－2、8－3，上海科技教育出版社《物理1－2》。

图8－4，人民教育出版社《物理2》

评析：

为便于分析比较，两种教学设计有意保留了各种时期不同版本教材的原貌。

评析包括教学过程中学生思维活动、知识与技能的掌握、过程与方法、情感态度价值观的培养、教学实效等各个方面进行比较评析。

1、学生思维活动

从两种教学设计的一般程序不难看出，两种教学过程中学生的思维活动各有其不同的特点：

“系统教学”首先要求学生具有足够的知识准备，没有热力学第一定律的学习或对热力学第一定律理解不够的活，后续对能量守恒定律的教学活动将无法有效地展开。

其次引导学生以严密的逻辑思维进行归纳总结，形成结论。

在学生形成统一的结论后，立即着手问题的解决，在课堂内外进行的强化训练，注重知识技能的达成，学生对能量守恒定律的概念形成较快，教学效率较高。

“问题解决教学”则注重情景的创设，提倡运用各种媒体为学生探究发现问题创设逼真的情境甚至是亲身体验。

接着启发学生提出科学有趣的问题，然后师生共同来分析问题、解决问题，在问题分析与解决的过程中完成了科学思维的建构，充分重视学生对过程的体验和方法的感受。

同时，在学生形成了一定的科学认识之后，非常注重思维的迁移与延伸拓展，充分关注学生终身发展受益的思维能力。

2、教学目标

从两种教学设计的思路不难看出，两种教学目标也不尽相同：

“系统教学”特别强调学生知识技能的达成，以强化训练为主要手段，最后深化知识规律的重要意义。

“问题解决教学”则既强调知识与技能，同时又注重过程与方法，关注学生的情感、态度和价值观。

两种教学设计的第四步程序都是“解决问题”，可见在知识与技能上，“系统教学”与“问题解决教学”是一致的。

因为，我们塑造的人，最终要会运用所学的知识与技能，来解决现实中的各类基本问题。

但在知识技能的形成过程中，两种教学设计迥然不同：

“系统教学”是在充分的知识归纳与推理思辨下得出结论，强调的是知识的系统和逻辑的严密。

这种结论的得出，有时是“比较尴尬”的。

如在“系统教学”中，在能量守恒定律还未得出时，已两次使用了“守恒”二字。

同时在归纳了“大量事实”后，为达到结论，运用“实验证明”和“大量事实证明”做了大幅跳跃。

之所以会造成这种“比较尴尬”的局面，是因为“系统教学”偏重追求了知识的系统和逻辑的严密，忽视了学生的体验。

而“问题解决教学”则通过创设情境，让学生“揣摩一下设计者当初是怎样想的？

他们的设计能成功吗？

”以一个“为什么？

”开头，通过“提出问题、分析问题、解决问题”几个环节，让学生如同身临其境般地跟科学家一道，发现了伟大的守恒定律。

无用置疑，这种知识的形成是彻骨的，富有生命的。

“系统教学”最后深化了知识规律的重要意义，其目的是关注一下学生的情感态度，形成正确的价值观。

但由于是教师直接讲述结论，没有从学生的现实生活中去挖掘有效资源，因而其说服力略显不足。

“问题解决教学”以“既然能量是守恒的，不可能消灭，为什么我们还要节约能源？

”直接将学生的知识与技能迁移和延伸开去，让学生运用所学知识，以发展的眼光来看待和解决现实中的“能源与能量耗散问题”。

教学中充分联系学生实际，体现STS思想，使学生在知识的迁移和运用中，自然地形成节约能源和可持续发展的意识，集中培养了学生的创新精神和实践能力。

学生良好的情感、态度和正确的价值观在潜移默化中会比较自然地形成。

3、教学实效

尽管“系统教学”的教学目标易于达成，学生对能量守恒定律的概念形成较快，教学效率较高。

但由于缺乏对过程的体验和方法的感受，对于学生个体而言，其知识的形成比较单一，在学生头脑中的痕迹不够深刻，可能会无法持久。

对于学生整体而言，由于注重知识的系统和逻辑的严密，部分学生可能无法在时间上、精力上得到充分保证，基础较弱的学生难以适应，逐渐地会造成两级分化，使强者“更强”，“弱者”更弱，其教学效果难以大面积展开。

“问题解决教学”的教学设计是在新课程理念的指引下，以多元智能理论的“问题解决”方式来组织教学，关注每一个学生及每一个学生的各个智能层面。

使每一个学生都能在知识与技能，过程与方法，情感、态度和价值观等不同方面得到不同程度的发展，体现了对个体的发展和对整体的人文关怀。

新课程明确提出要实现三维目标：

知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观，构建起课堂教学比较完整的目标体系，由以知识本位、学科本位转向以学生的发展为本，真正对知识、能力、态度进行了有机整合，体现了对人的生命存在及其发展的整体关怀。

三个维度的交融体现了工具性与人文性的高度统一，体现了学科教学改革的方向，使日常的学科教育上升到追求真善美的境界。