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摘 要：在深入分析现行高中物理“动能定理”一节教材编写的基础上，依据物理核心素养和原始物理问题教学理论，分别从抽象问题、画出图象、设置变量、运用规律、选取方法和数学变换等方面，展开了基于物理核心素养的动能定理教学设计.最后，提出物理教学设计应实施生态化的物理教学、显化物理教学中的科学方法、注重物理思想的渗透.
关键词：核心素养; 动能定理; 原始物理问题
研究方向：物理课程与教学论. 动能定理作为高中物理教学的重要一节，是连接功和能关系的重要枢纽.深入挖掘本节课教学过程中蕴含的丰富内涵，既有助于学生建构功能关系的知识框架，把握动能定理的物理学本质，又对提升学生的物理核心素养大有裨益.由此，笔者展开了基于物理核心素养的动能定理教学设计.
1 现行教材中动能定理的编写分析
现行人教版高中物理教科书在“动能和动能定理”一节单独设置了“实验：探究功与速度变化的关系”，之后再进行动能定理表达式的推导，旨在引导教师采用探究式教学，从而培养学生的科学探究精神.
通过上一节的实验探究，学生已经初步得到提示“物体动能的表达式中可能包含v2这个因子.”随后，教材具体分析了“物体在恒力作用下在光滑地面发生了一段位移”这一物理过程，首先设置物理量：物体的质量为m，与物体运动方向相同的恒力F、位移l、初速度v1及末速度v2，运动过程中F做的功为W=Fl，进而根据动力学知识、运动学知识以及功和能的关系，通过数学推导得到了动能定理的表达式，并结合上节实验结论，定义动能的表达式：Ek=12mv2[1].
由于学生首次接触动能概念的定量表达，缺乏对概念本质的认识与理解.因此，仅采用教材中的理论推导，对于学生理解动能定理的本质是有一定难度的.分析发现，造成学生理解困难的原因有二：首先，从教学流程的安排看，教材中安排的教学过程没有涉及科学方法以及其中蕴含的物理思想.教学过程仅是为了得出动能定理的表达式而设计的知识教学，这其实是舍本逐末的做法.其次，从动能定理的推导过程看，教材中并未对推导过程需要用到的物理量进行清晰的说明.即为什么要设置物理量？如何设置物理量？应该设置哪些物理量？根据所设物理量，还需要设置哪些中间变量？加速度（中间变量）为什么没有设置？这些看似无足轻重的细节，其实对教学逻辑具有举足轻重的影响，它的缺失必然导致整个推导过程逻辑混乱.因此，这样的教学设计就不利于学生科学思维的发展与科学探究能力的形成.
针对上述问题，结合动能定理一节的教学特点，我们提出以物理核心素养作为理论指导，以原始物理问题解决为主线的教学设计.
2 基于核心素养的动能定理教学设计
核心素养是个体在面对复杂的、不确定的现实问题时，能够发现问题、解决问题的综合品质[2]，提倡在具体情境中分析和解决问题.而原始物理问题是从物理现象出发，学生根据需要自行设置物理量，并经过抽象表征、图象表征、赋值表征、物理表征、方法表征、数学表征等六个步骤方可解决的一种真实问题，它与核心素养的内涵不谋而合.
事实上，对动能定理教学最通俗的解释就是：一个讲台桌上的粉笔盒被击打后在桌面上移动一段距离，问：这个现象中蕴含了什么样的物理规律？怎样把这个规律推导出来.显然，这就把动能定理的教学过程转化为了原始物理问题的解决过程.在这样的教学过程中，需要教师带领学生明确问题研究的方向、通过建模、作图、赋值、列方程、运用科学方法、最终通过数学计算得出动能定理[3].
在教学引入环节，教师重演生活中司空见惯的物理现象：用手沿水平方向快速击打讲台上的粉笔盒，发现粉笔盒运动一段距离后静止了.接着，请学生思考：粉笔盒停下来的原因及其背后可能蕴含的物理规律.在此基础上，教师带领学生展开动能定理的教学.
2.1 抽象问题：动能定理教学的第一步
为了研究粉笔盒在水平桌面上的运动过程，可以忽略粉笔盒的大小、形状等因素，将粉笔盒抽象为一个质点.此外，为了更好地把握问题的本质，应该忽略运动过程中的次要因素，保留主要因素.分析可知，粉笔盒在水平方向的运动过程中，会受到桌面的摩擦力及空气阻力，由于空气阻力遠小于摩擦力，可将空气阻力忽略.由此可见，通过将粉笔盒抽象成质点，将空气阻力忽略，帮助学生在头脑中初步建立起质点运动模型.
2.2 画出图象：动能定理教学的第二步
画出图象，有利于学生对问题产生更加清楚的认识和理解.在上述抽象中，将粉笔盒抽象成质点，但是在画图的过程中，若将粉笔盒看作一个点，会使得物理情景不够直观、形象.因此，在画图时，粉笔盒可以适当呈现一定的形状，但质量均集中在重心上，在后续进行受力分析时，仍需将其看做质点，如图1所示.
2.3 设置变量：动能定理教学的第三步
为了推导出动能定理，需要设置相关的物理量.具体来说，设粉笔盒质量为m，初速度为v1，末速度为v2，位移为l，所受摩擦力为f，加速度为a，并将其标在图象上，如图2所示.
在动能定理教学中，教师应特别注意引导学生思考：为什么要设置物理量？如何设置物理量和设置哪些物理量，这也是基于物理核心素养的动能定理教学设计和传统教学设计的重要区别.在以往的教学设计中，物理量的设置在很多情况下被认为是理所当然的，很少有人思考过设置物理量的意义和价值.思考这一环节在动能定理推导过程中的承上启下作用.这种情况与我国中学物理的习题教学有着密切的关系.因为在习题教学中，习题中的物理量往往已被命题人员设置了.
2.4 运用规律：动能定理教学的第四步
这一环节要求学生将动能定理的推导与物理规律联系起来，确定与问题相关的概念、规律以及公式.
如何选择恰当的物理规律与物理公式？首先需要对研究对象的运动过程进行分析.击打粉笔盒的过程即对粉笔盒施加了力，使得粉笔盒沿水平方向发生了一段位移.因为存在力的作用，粉笔盒做加速运动，因此具有加速度，速度将会增大.功是能量转化的量度，为了研究动能，就需要对这一过程的合外力做功进行分析.因此，在击打粉笔盒这一物理情境中，包含合外力与加速度的关系（牛顿第二运动定律），运动学关系，以及合外力做功.
由此可知，動能定理得出需要用到的物理规律包括：牛顿第二定律F=ma、运动学方程v22-v21=2al，以及功的公式W=fl.
2.5 选取方法：动能定理教学的第五步
如何将所选取的物理知识运用于动能定理的推导，这就需要借助科学方法.就本节课的理论推导而言，所采用的科学方法是演绎推理法.这种方法是以人们已知的客观规律为依据，通过数学推导，推出未知规律的方法.显而易见，已知的客观规律包括功的定义式、牛顿第二定律方程以及运动学方程，而未知的规律就是动能定理的表达式.
2.6 数学变换：动能定理教学的第六步
因此，由上述六步过程，按部就班地推导出了动能定理的表达式，也就是力在一个过程中对物体做的功，等于物体在这个过程中动能的变化.在模型建构、科学推理、科学论证的过程中，有效地提升了学生的物理核心素养.此外，值得一提的是，在理论推导完成之后，教师应对合外力做功这一概念进行深入解释，W=fl不仅仅是合外力做功，更是力在空间的累积效应，而这一“累积”物理思想是教师应该在教学中显化并强调的.
当顺利推导出动能定理的表达式后，教师可以向学生呈现一个全新的物理情境，如图3所示.小球沿着半径为R的光滑圆弧从A点由静止运动至最低点O，教师鼓励学生运用动能定理求出小球到达O点时的速度大小，让学生在研究过程中体会新情境与旧情境的区别.对于旧情境——击打粉笔盒，主要是在水平直线轨迹上研究动能定理，即一维空间.然而，对于新情境——沿圆弧运动下落，却是在曲线轨迹上运用动能定理，即二维空间.学生在知识迁移的过程中，可以更加深刻地体会到动能定理的普遍适用性，进一步加深对于动能定理的理解和认识，从而发展自己的物理核心素养.
3 基于核心素养的动能定理教学设计启示
正是在物理核心素养和原始物理问题教学理论的指引下，使得动能定理的教学设计展现出了新的视角.因此，通过本节课教学设计的研究，我们得到了以下启示.
3.1 实施生态化的物理教学
在本节教学中，教师快速击打粉笔盒，粉笔盒运动一段距离后最终停下来，这一物理现象的呈现，是动能定理教学得以“破题”并顺利展开的前提.
笔者认为，动能定理教学的关键是应当注重教学的生态化，帮助学生在真实的情境中研究问题，从而促进学生的认知发展.在本节课中，由快速击打粉笔盒这一物理现象为切入点，提出开放性问题：这个现象中蕴含了什么样的物理规律？引导学生根据已有的物理知识，赋值、画图、列式、计算……从而得到最终的物理规律.这样生态化的物理教学相比于传统教学而言，更能帮助学生学习与理解动能定理的本质.同时，也最大化地训练、提升了学生的物理思维，促进了学生物理核心素养的发展.
3.2 显化物理教学中的科学方法
科学方法既是教学逻辑的主线，也是获取物理知识的主要途径.目前的物理教学虽然已经加强了科学方法教育，但仍需进一步将科学方法加以显化.按照科学方法中的物理学认知结构理论，物理概念、规律需要借助科学方法才能形成.因此，物理教学应显化科学方法.
在推导动能定理时，所使用的科学方法是演绎推理法.即教师引导学生从快速击打粉笔盒这一物理现象出发，分析粉笔盒的受力情况、加速度变化、速度变化、位移变化等，并由此确定相关的物理规律，进而列出准确的物理表达式，推导物理规律，最后向学生着重讲解演绎推理的相关逻辑知识.
由于科学方法是物理知识的脉络，借助科学方法就能迅速抓住动能定理推导的关键，并有助于学生真正掌握动能定理.此外，演绎推理法在学生的学习和生活中会无意识地经常用到，因此，显化并强调该方法就更显得尤为重要.
3.3 注重物理思想的渗透
物理教学要体现从物理知识教育到物理方法教育，再到物理思想形成的过程[4]，同时达成教学逻辑与学生心理逻辑的统一.而物理思想是在创立和发展物理科学理论的过程中，对知识和方法概括而形成的一种科学认识，广泛贯穿于整个物理教学中[5].
就本节课而言，不仅仅是合外力做功，更是力在空间的累积效应，而这种累积效应不仅适用于恒力做功，对于变力做功也同样适用.只有领会这一物理思想，才能对动能定理中的合外力做功有本质的认识与理解.
“累积”的物理思想，在后续的物理学习中，也同样有着重要的应用.例如在学习冲量概念时，就是力在时间上的累积.只要学生在本节课充分理解并掌握了这一物理思想，就可以更加轻松、准确地理解功、冲量等概念的物理本质，并在渗透物理思想的过程中发展物理核心素养.
参考文献：
[1]人民教育出版社课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心. 物理（必修2）[M]. 北京：人民教育出版社，2010.
[2]林崇德.21世纪学生发展核心素养研究[M].北京：北京师范大学出版社，2016.
[3]邢红军，石尧. 原始物理问题教学：一个本土化教学理论的创生[J].教育学术月刊，2016（09）：83-90.
[4]邢红军，张抗抗. 论物理思想的教育价值及其启示[J].教育科学研究，2016（08）：61-68.
[5]邢利华.浅谈中学物理教学中如何渗透物理思想[J].知识经济，2013（12）：134.