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摘 要：本文以“机械能守恒定律”教学设计为例，突出“实验探究”和“理论探究”这一核心。该设计采用探究式教学方法，以问题为主线，以科学探究为载体，以体验为收获，以发现为动力，引导学生经历机械能守恒定律科学探究过程，领悟科学探究方法，提高其物理核心素养。
关键词：实验探究；理论探究；机械能守恒定律；物理核心素养
中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2017）6-0031-5
高中物理新课程标准要求高中物理教学应进一步促进学生物理核心素养的养成和发展。“科学探究”指的是学生用以获取知识、领悟科学的思想观念和方法而进行的各种活动与能力，是物理核心素养的重要方面。守恒思想是高中物理重要的思想方法，机械能守恒定律是高中物理学习中体现守恒思想的第一个定律，在整个高中物理学习中起着承前启后的作用。“机械能守恒定律”这节课的教学对学生思维的发展和能力的发展都是革命性的提升。因此，在本节课处理中不仅要传授知识与技能，更重要的是通过探究式教学设计，使学生亲历规律的发现，领悟科学探究的方法，提高物理核心素养。
1 教材内容简析
现行某版本高中物理教材首先引导学生观察思考荡秋千和撑杆跳过程中动能与势能的相互转化，接着利用单摆实验观察小球能否到达对称等高的位置，然后利用平抛运动理论探究得出机械能守恒定律；最后通过一个小球从斜坡轨道滚下能否通过圆形轨道最高点的活动思考和上海“明珠线”轻轨车站的设计来加深机械能守恒定律的理解和应用。
笔者认为，教材的处理存在以下值得商榷之处：一是实验探究仅比较摆球在左右最高点等高，而“守恒”是全过程一直保持不变，该设计未能体现全过程机械能守恒，从而使学生不能准确理解“守恒”概念；二是理论探究仅以平抛运动为例就推导出机械能守恒条件是仅有重力做功，未能体现由“特殊到一般”归纳得出结论；三是对于有弹力做功的系统内机械能守恒未进行任何探究就给出结论，缺乏探究的普遍性、科学性和严谨性。
笔者认为，本节课的教学核心在于创设情境帮助学生主动探究“动能和势能如何转化”“实验探究守恒量”“理论探究守恒量”，应采用启发式教学设计和探究式教学设计，采取“情境—探究—建构—发展”模式展开教学，从而使学生顺利建构“机械能守恒定律”这一规律，培养学生的探究能力。
2 学生情况分析
本节课教学对象是高一学生，高一学生在已经掌握了动能、势能和功、牛顿运动定律、动能定理等知识和规律，具备了学习本节课的知识基础。但本节课教学内容抽象性强，较难理解和掌握；“守恒思想”学生是第一次涉及，学生理解和掌握“守恒思想”有一定的难度；机械能守恒定律的探究过程是本节课需要突破的重点和难点，亦是培养学生科学素养的一个平台和路径。
3 教学目标设计
本节课是规律的探究课，根据新课程标准要求，我们设定具体目标如下：
（1）知道什么是机械能，知道物体的动能和势能可以相互转化；
（2）理解机械能守恒定律及其适用条件；
（3）会判定机械能是否守恒，并能应用机械能守恒解题；
（4）经历实验探究和理论探究机械能守恒定律的过程，初步学会从能量转化和守恒的观点来解释物理现象，分析问题；
（5）通过能量守恒的教学，使学生树立科学观点，理解和运用自然规律，并用来解决实际问题。
4 教学过程设计
4.1 提出问题，引入新课
师生共同复习回顾功能关系、动能定理及动能、重力势能、弹性势能概念，提出以下3个问题：
问题1：重力势能、弹性势能、动能，这些能统称为什么能？
问题2：机械能具有什么特点？
问题3：不同形式的机械能如何进行转化？
设计说明：通过复习功能关系、动能定理，为本节课探究提供知识储备，通过复习重力势能、弹性势能、动能引入机械能概念，使学生理解掌握机械能的系统性、标量性和相对性，同时使学生进一步理解“功是能转化的量度”，激发了学生的求知欲，进入新课学习。
4.2 創设情境，激发思考
教师创设提供三个视频情景，激发学生分别在仅有重力做功、仅有弹簧弹力做功和重力、弹力都做功情况下分析动能与势能的相互转化。
问题4：观察分析荡秋千过程中重力做功情况及动能和重力势能如何转化？
问题5：观察分析在光滑水平面上，一物体以一定初速度压缩弹簧及被弹簧弹回过程中，弹力做功情况及物体动能与弹簧弹性势能的相互转化？
问题6：观察分析蹦极下降过程重力及弹力做功情况及动能与重力势能、弹性势能如何相互转化？
设计说明：本教学片断对教材内容作了调整和补充，通过三个不同情景的观察、分析、思考，使学生理解并掌握重力与弹力做功时动能与势能相互转化的定性规律：
（1）仅有重力做负功，动能转化为重力势能；仅有重力做正功，重力势能转化为动能；
（2）仅有弹簧弹力做负功，物体动能转化为弹性势能；仅有弹力做正功，弹性势能转化为物体动能；
（3）蹦极下降过程，重力和弹力都做功。重力做正功，弹力做负功，重力势能减少，弹性势能增大，动能先增大后减少。
这一设计丰富了动能和势能转化的类别，为科学系统地探究转化过程守恒量奠定思维基础。
4.3 引发猜想，探究守恒
在上述观察分析的基础上，教师及时启迪学生思维引发猜想，并引领学生亲历探究守恒量的过程。
问题7：上述动能、势能相互转化的过程中，有没有规律？转化过程中有没有不变量？
学生通过思考交流与讨论会猜想出“仅有重力做功的运动过程中机械能不变”，然后教师引领学生实验探究和理论探究机械能守恒定律。 4.3.1 定性实验探究——感受视觉冲击和勇敢者游戏的魅力
定性实验探究：教师指导学生分组一起演示实验：如图1所示，用细线、小球、带有标尺的铁架台等研究动能与势能的相互转化。
问题8：如图1甲，把小球拉到一定高度的A点，然后放开，小球在摆动过程中，重力势能和动能相互转化。摆到另一侧我们看到什么？
问题9：如图1乙，如果用夹子在悬点下方某一点挡住细线，摆到另一侧时，能达到另一点的高度如何？
两次实验，学生都可以观察到：小球在另一侧可以摆到跟A点等高的点。
勇敢者“球碰鼻子”游戏：一位同学头部不动，另一位同学将摆球拉到该同学鼻尖处放手，在学生一片惊呼中，摆球返回时刚好不碰鼻尖。
问题10：上述小实验中，小球的受力情况如何？各个力的做功情况如何？这个小实验说明了什么？你能初步得出什么结论？
学生观察、思考、讨论后可以分析出小球在摆动过程中受重力和绳的拉力作用。拉力和速度方向总垂直，对小球不做功；只有重力对小球做功。
定性实验结论：小球在摆动过程中总能回到原来的高度。可见，在仅有重力做功的条件下，系统重力势能和动能的总和，即机械能应该保持不变。
设计说明：本教学片段通过学生的亲身观察与体验、交流与合作，使学生深刻体会到猜想必须通过实验来探究验证，并启迪学生进一步思考和探究。
4.3.2 定量实验探究——彰显守恒思想
为了使学生进一步理解守恒思想，笔者利用一套DIS机械能守恒实验器材定量探究（如图2），学生小组合作完成这个创新探究实验。
问题11：本实验如何定量探究机械能守恒？
学生独立思考后小组交流合作可明确实验原理：把摆球用细线悬挂起来并拉到一定的高度，然后放开，摆球在摆动过程中，忽略空气阻力影响，只有重力对其做功，动能和势能发生相互转化。取摆球摆动时最低点为零势能点，将光电门传感器固定在不同点，设此点的高度为h，则在两光电门传感器处摆球的机械能为：E=mv2/2 mgh；本实验中，摆球为直径为0.008 m小圆柱体，质量为0.0075 kg，摆球通过光电门传感器时的挡光时间为t1，所以：摆球的速度为v=0.008/t1。
学生合作确定探究步骤：
（1）将铁球从固定高度A点自由释放；
（2）记录铁球经过A、B、C、D四点时下降高度h和经过四点时的瞬时速度大小；
（3）通过计算铁块在各点时的机械能进行比较。利用计算机自动得到一组数据（如表1）。
定量实验结论：在误差允许的范围内，仅有重力做功时小铁球与地球组成系统在各点机械能保持不变。
设计说明：设计定量探究机械能守恒实验，一方面让学生体验实验探究的严谨性和科学性；另一方面，通过多个过程点的定量测量，让学生深刻理解守恒思想的核心内涵——总是保持不变；更重要的是通过学生自主思考、合作交流，进一步提高学生的科学探究能力。
4.3.3 理论探究——展示逻辑推理的力量
理论探究是科学探究的重要形式，本节课笔者设计四种问题情境（如图3所示），分别是自由落体运动（仅受到重力作用下的直线运动）、平抛运动（仅受到重力作用下的曲线运动）、圆周运动（除了受到重力之外还受到绳子拉力作用下的曲线运动）、光滑斜面上滑动（除了受到重力之外还受到斜面支持力作用下的直线运动），让学生分四种情况分别通过动能定理推导说明：质量为m的小铁球，在任意两位置时机械能不变。小组推荐学生代表用投影仪展示推导过程。
问题12：刚才四种情况，物体受力情况并不相同，但同学们推导的过程公式和结论相同，系统机械能都守恒，它们有共同的特点吗？
学生经过对物体进行受力分析、做功分析，比较之后可以发现共同的条件是：仅有重力做功（可以受其他力但不做功），从而归纳讨论出探究结论。
理论探究结论：在只有重力做功的物体系统内，动能和重力势能可以相互转化，而总的机械能保持不变。
设计说明：给学生创设四种不同情境，使其自主理論探究，让学生“由特殊到一般”比较归纳得出四种情境机械能守恒的条件都是“仅有重力做功”，使学生掌握科学探究方法，发现规律的本质。
4.4 拓展探究，建构定律
机械能守恒定律不仅包含仅有重力做功的条件，还包含仅有弹力做功的条件及重力、弹力都做功的条件。笔者在前面引导学生理论探究的基础上，拓展引导学生进一步理论探究系统机械能守恒，建构完整的机械能守恒定律。
4.4.1 拓展探究——掌握完整科学的理论探究方法
问题13：如图4所示，如果物体与弹簧组成一个系统，在只有弹簧弹力做功条件下，机械能还保持不变吗？
学生利用动能定理和功能关系同样可以证明：在只有弹力做功的物体系统或物体重力和弹簧弹力都做功时，系统动能和势能可以相互转化，系统总的机械能也保持不变。
设计说明：两个拓展理论探究，使学生全面理解掌握机械能守恒定律的种类条件，为完整建构机械能守恒定律奠定基础，又能使学生掌握完整的科学理论探究方法，领悟科学探究的精髓和本质。
4.4.2 建构定律——深刻理解机械能守恒定律
问题15：通过本节课实验探究和理论探究，你认为机械能守恒定律的内容、条件、表达式是什么？守恒思想的内涵是什么？
学生思考交流后，能够完整建构机械能守恒定律：
（1）内容：在只有重力或弹力做功的物体系统内，动能和势能会发生相互转化，但机械能的总量保持不变。这就是机械能守恒定律。
（2）条件：只有重力或弹簧弹力做功（可以受其他力，但不做功）；
（3）表达式：Ek2 Ep2=Ek1 Ep1或E2=E1； （4）守恒的思想：（机械能总量）一直保持不变。
设计说明：通过学生自我归纳、总结建构机械能守恒定律，体现学生的主体意识，实现自我探究、自我发现、自我领悟、自我教育发展，进一步提升学生理论探究的自觉意识和创新能力。
4.5 巩固知识，发展能力
4.5.1 巩固知识——学会判断机械能守恒
建构规律后，可以通过例1巩固机械能守恒定律知识的同时，进一步引导学生掌握判断机械能是否守恒的两种方法：
（1）条件分析法：判断是否只有重力或弹力做功；
（2）定义分析法：判断机械能总量是否不变。
例题1 下列情况中说法正确的是（ ）
A.若只有重力做功，物体机械能一定守恒
B.把一个物体竖直向上匀速提升的过程，机械能守恒
C.做匀变速直线运动的物体的机械能可能守恒
D.物体除了受到重力，还受到其他力的作用时，机械能将不守恒
E.自由下落的小球落到竖直的弹簧上，将弹簧压缩到最短的过程中，小球机械能守恒
4.5.2 深化应用——发展学生能力
物理来源于生活，应用于生活，学生掌握了机械能守恒定律之后，为了发展学生的能力，通过例题2启发学生思考地铁站设计的优点，学会应用机械能守恒定律。
例题2 如图6所示是上海“明珠线”某轻轨车站的设计方案，与站台连接的轨道有一个小坡度，电车进站时要上坡，出站时要下坡。（1）试根据今天所学知识来解释这样的设计有什么好处？（2）如果坡高2 m，电车在坡底的速度是25.2 km/h，此后便切断电动机的电源，不考虑电车所受的摩擦力。电车能否冲上站台？如果能冲上，到达站台的速度多大？
学生思考交流后，在实物投影仪上讲解自己的解答，并相互讨论，归纳总结应用机械能守恒定律解题的步骤、优点和注意点。
（1）步骤：①确定系统②确定过程③确定守恒④确定参考面；
（2）优越性：比动力学解题更方便，适用范围更广；
（3）注意点：必须明确初末状态的机械能，要确定符合机械能守恒的条件。
设计说明：通过例题与思考，帮助学生进一步深刻理解机械能守恒定律，并通过学生自我总结应用机械能守恒定律解题的要点、步骤，体会应用定律解题的优越性，引导学生学会应用守恒思想方法解决实际问题。
4.5.3 布置作业——提升学生科学素养
作业1：课后思考课本第73页小球从光滑轨道斜坡由静止释放能够到达半径为R的圆形轨道内侧最高点的条件，并分组讨论交流。
作业2：有一种其尾部有一个小帽能伸缩的圆珠笔，将笔尾部向下用力压笔，笔将竖直弹起一定高度。请你用这样的实验粗略测定压笔的小帽时其内部弹簧弹性势能的增加量，并撰写实验报告。
设计说明：学生课后动手、动脑探究思考，解决实际问题，能将科学思想方法内化于心、外化于行，培养学生探索创新的科学精神，真正提升科学素养。
5 教学课后反思
科学思想方法是解决问题的灵魂，是物理教学的根本；探究学习，不仅是科学方法，更是一种学习方式。本节课教学后我们有以下反思：
（1）本节课教学采用探究式教学模式，注重了过程和方法的教学，让学生经历了科学探究的一般过程和思路，即：“创设情景—提出问题—猜测结论—实验探究—理论探究—得出结论—迁移应用”。教学的重点在于培养学生的科学态度与科学精神，亲自参与知识的发现过程是培养学生能力的关键。教学设计既重视实验探究又重视理论探究，既重视定性实验又创设定量实验，实验探究坚持定性和定量并举，理论探究体现“由特殊到一般”的科学探究本质。
（2）本节课教学设计突出了学生的主体地位，教师教学要把“发现”的任务交给学生，让学生成为“发现”的主人。师生共同探究物理现象和规律，坚持以学生为主体，变革学生的学习方式，学生参与到实验与探究中来，参与到合作交流中，让学生体会实验的过程，体验探究的情境。
总之，本节课的教学，通过问题层层设计，让学生经历科学探究过程，发现机械能守恒定律，領悟科学探究的方法，提升意志品质和物理核心素养。这些都有利于将学生培养成科学素养高、创新意识强、主动发展的新型人才。
参考文献：
[1]物理教材编写组.物理（必修2）[M].北京：教育科学出版社，2012：72-75.
[2]樊杰.高效物理探究教学的“四位”策略[J].物理教学探讨，2012，30（4）：74-75.
[3]余潘.探索“提问题、促探究”的高效课堂[J].物理教师，2016，37（11）：33-34.
（栏目编辑 李富强）
关键词：实验探究；理论探究；机械能守恒定律；物理核心素养
中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2017）6-0031-5
高中物理新课程标准要求高中物理教学应进一步促进学生物理核心素养的养成和发展。“科学探究”指的是学生用以获取知识、领悟科学的思想观念和方法而进行的各种活动与能力，是物理核心素养的重要方面。守恒思想是高中物理重要的思想方法，机械能守恒定律是高中物理学习中体现守恒思想的第一个定律，在整个高中物理学习中起着承前启后的作用。“机械能守恒定律”这节课的教学对学生思维的发展和能力的发展都是革命性的提升。因此，在本节课处理中不仅要传授知识与技能，更重要的是通过探究式教学设计，使学生亲历规律的发现，领悟科学探究的方法，提高物理核心素养。
1 教材内容简析
现行某版本高中物理教材首先引导学生观察思考荡秋千和撑杆跳过程中动能与势能的相互转化，接着利用单摆实验观察小球能否到达对称等高的位置，然后利用平抛运动理论探究得出机械能守恒定律；最后通过一个小球从斜坡轨道滚下能否通过圆形轨道最高点的活动思考和上海“明珠线”轻轨车站的设计来加深机械能守恒定律的理解和应用。
笔者认为，教材的处理存在以下值得商榷之处：一是实验探究仅比较摆球在左右最高点等高，而“守恒”是全过程一直保持不变，该设计未能体现全过程机械能守恒，从而使学生不能准确理解“守恒”概念；二是理论探究仅以平抛运动为例就推导出机械能守恒条件是仅有重力做功，未能体现由“特殊到一般”归纳得出结论；三是对于有弹力做功的系统内机械能守恒未进行任何探究就给出结论，缺乏探究的普遍性、科学性和严谨性。
笔者认为，本节课的教学核心在于创设情境帮助学生主动探究“动能和势能如何转化”“实验探究守恒量”“理论探究守恒量”，应采用启发式教学设计和探究式教学设计，采取“情境—探究—建构—发展”模式展开教学，从而使学生顺利建构“机械能守恒定律”这一规律，培养学生的探究能力。
2 学生情况分析
本节课教学对象是高一学生，高一学生在已经掌握了动能、势能和功、牛顿运动定律、动能定理等知识和规律，具备了学习本节课的知识基础。但本节课教学内容抽象性强，较难理解和掌握；“守恒思想”学生是第一次涉及，学生理解和掌握“守恒思想”有一定的难度；机械能守恒定律的探究过程是本节课需要突破的重点和难点，亦是培养学生科学素养的一个平台和路径。
3 教学目标设计
本节课是规律的探究课，根据新课程标准要求，我们设定具体目标如下：
（1）知道什么是机械能，知道物体的动能和势能可以相互转化；
（2）理解机械能守恒定律及其适用条件；
（3）会判定机械能是否守恒，并能应用机械能守恒解题；
（4）经历实验探究和理论探究机械能守恒定律的过程，初步学会从能量转化和守恒的观点来解释物理现象，分析问题；
（5）通过能量守恒的教学，使学生树立科学观点，理解和运用自然规律，并用来解决实际问题。
4 教学过程设计
4.1 提出问题，引入新课
师生共同复习回顾功能关系、动能定理及动能、重力势能、弹性势能概念，提出以下3个问题：
问题1：重力势能、弹性势能、动能，这些能统称为什么能？
问题2：机械能具有什么特点？
问题3：不同形式的机械能如何进行转化？
设计说明：通过复习功能关系、动能定理，为本节课探究提供知识储备，通过复习重力势能、弹性势能、动能引入机械能概念，使学生理解掌握机械能的系统性、标量性和相对性，同时使学生进一步理解“功是能转化的量度”，激发了学生的求知欲，进入新课学习。
4.2 創设情境，激发思考
教师创设提供三个视频情景，激发学生分别在仅有重力做功、仅有弹簧弹力做功和重力、弹力都做功情况下分析动能与势能的相互转化。
问题4：观察分析荡秋千过程中重力做功情况及动能和重力势能如何转化？
问题5：观察分析在光滑水平面上，一物体以一定初速度压缩弹簧及被弹簧弹回过程中，弹力做功情况及物体动能与弹簧弹性势能的相互转化？
问题6：观察分析蹦极下降过程重力及弹力做功情况及动能与重力势能、弹性势能如何相互转化？
设计说明：本教学片断对教材内容作了调整和补充，通过三个不同情景的观察、分析、思考，使学生理解并掌握重力与弹力做功时动能与势能相互转化的定性规律：
（1）仅有重力做负功，动能转化为重力势能；仅有重力做正功，重力势能转化为动能；
（2）仅有弹簧弹力做负功，物体动能转化为弹性势能；仅有弹力做正功，弹性势能转化为物体动能；
（3）蹦极下降过程，重力和弹力都做功。重力做正功，弹力做负功，重力势能减少，弹性势能增大，动能先增大后减少。
这一设计丰富了动能和势能转化的类别，为科学系统地探究转化过程守恒量奠定思维基础。
4.3 引发猜想，探究守恒
在上述观察分析的基础上，教师及时启迪学生思维引发猜想，并引领学生亲历探究守恒量的过程。
问题7：上述动能、势能相互转化的过程中，有没有规律？转化过程中有没有不变量？
学生通过思考交流与讨论会猜想出“仅有重力做功的运动过程中机械能不变”，然后教师引领学生实验探究和理论探究机械能守恒定律。 4.3.1 定性实验探究——感受视觉冲击和勇敢者游戏的魅力
定性实验探究：教师指导学生分组一起演示实验：如图1所示，用细线、小球、带有标尺的铁架台等研究动能与势能的相互转化。
问题8：如图1甲，把小球拉到一定高度的A点，然后放开，小球在摆动过程中，重力势能和动能相互转化。摆到另一侧我们看到什么？
问题9：如图1乙，如果用夹子在悬点下方某一点挡住细线，摆到另一侧时，能达到另一点的高度如何？
两次实验，学生都可以观察到：小球在另一侧可以摆到跟A点等高的点。
勇敢者“球碰鼻子”游戏：一位同学头部不动，另一位同学将摆球拉到该同学鼻尖处放手，在学生一片惊呼中，摆球返回时刚好不碰鼻尖。
问题10：上述小实验中，小球的受力情况如何？各个力的做功情况如何？这个小实验说明了什么？你能初步得出什么结论？
学生观察、思考、讨论后可以分析出小球在摆动过程中受重力和绳的拉力作用。拉力和速度方向总垂直，对小球不做功；只有重力对小球做功。
定性实验结论：小球在摆动过程中总能回到原来的高度。可见，在仅有重力做功的条件下，系统重力势能和动能的总和，即机械能应该保持不变。
设计说明：本教学片段通过学生的亲身观察与体验、交流与合作，使学生深刻体会到猜想必须通过实验来探究验证，并启迪学生进一步思考和探究。
4.3.2 定量实验探究——彰显守恒思想
为了使学生进一步理解守恒思想，笔者利用一套DIS机械能守恒实验器材定量探究（如图2），学生小组合作完成这个创新探究实验。
问题11：本实验如何定量探究机械能守恒？
学生独立思考后小组交流合作可明确实验原理：把摆球用细线悬挂起来并拉到一定的高度，然后放开，摆球在摆动过程中，忽略空气阻力影响，只有重力对其做功，动能和势能发生相互转化。取摆球摆动时最低点为零势能点，将光电门传感器固定在不同点，设此点的高度为h，则在两光电门传感器处摆球的机械能为：E=mv2/2 mgh；本实验中，摆球为直径为0.008 m小圆柱体，质量为0.0075 kg，摆球通过光电门传感器时的挡光时间为t1，所以：摆球的速度为v=0.008/t1。
学生合作确定探究步骤：
（1）将铁球从固定高度A点自由释放；
（2）记录铁球经过A、B、C、D四点时下降高度h和经过四点时的瞬时速度大小；
（3）通过计算铁块在各点时的机械能进行比较。利用计算机自动得到一组数据（如表1）。
定量实验结论：在误差允许的范围内，仅有重力做功时小铁球与地球组成系统在各点机械能保持不变。
设计说明：设计定量探究机械能守恒实验，一方面让学生体验实验探究的严谨性和科学性；另一方面，通过多个过程点的定量测量，让学生深刻理解守恒思想的核心内涵——总是保持不变；更重要的是通过学生自主思考、合作交流，进一步提高学生的科学探究能力。
4.3.3 理论探究——展示逻辑推理的力量
理论探究是科学探究的重要形式，本节课笔者设计四种问题情境（如图3所示），分别是自由落体运动（仅受到重力作用下的直线运动）、平抛运动（仅受到重力作用下的曲线运动）、圆周运动（除了受到重力之外还受到绳子拉力作用下的曲线运动）、光滑斜面上滑动（除了受到重力之外还受到斜面支持力作用下的直线运动），让学生分四种情况分别通过动能定理推导说明：质量为m的小铁球，在任意两位置时机械能不变。小组推荐学生代表用投影仪展示推导过程。
问题12：刚才四种情况，物体受力情况并不相同，但同学们推导的过程公式和结论相同，系统机械能都守恒，它们有共同的特点吗？
学生经过对物体进行受力分析、做功分析，比较之后可以发现共同的条件是：仅有重力做功（可以受其他力但不做功），从而归纳讨论出探究结论。
理论探究结论：在只有重力做功的物体系统内，动能和重力势能可以相互转化，而总的机械能保持不变。
设计说明：给学生创设四种不同情境，使其自主理論探究，让学生“由特殊到一般”比较归纳得出四种情境机械能守恒的条件都是“仅有重力做功”，使学生掌握科学探究方法，发现规律的本质。
4.4 拓展探究，建构定律
机械能守恒定律不仅包含仅有重力做功的条件，还包含仅有弹力做功的条件及重力、弹力都做功的条件。笔者在前面引导学生理论探究的基础上，拓展引导学生进一步理论探究系统机械能守恒，建构完整的机械能守恒定律。
4.4.1 拓展探究——掌握完整科学的理论探究方法
问题13：如图4所示，如果物体与弹簧组成一个系统，在只有弹簧弹力做功条件下，机械能还保持不变吗？
学生利用动能定理和功能关系同样可以证明：在只有弹力做功的物体系统或物体重力和弹簧弹力都做功时，系统动能和势能可以相互转化，系统总的机械能也保持不变。
设计说明：两个拓展理论探究，使学生全面理解掌握机械能守恒定律的种类条件，为完整建构机械能守恒定律奠定基础，又能使学生掌握完整的科学理论探究方法，领悟科学探究的精髓和本质。
4.4.2 建构定律——深刻理解机械能守恒定律
问题15：通过本节课实验探究和理论探究，你认为机械能守恒定律的内容、条件、表达式是什么？守恒思想的内涵是什么？
学生思考交流后，能够完整建构机械能守恒定律：
（1）内容：在只有重力或弹力做功的物体系统内，动能和势能会发生相互转化，但机械能的总量保持不变。这就是机械能守恒定律。
（2）条件：只有重力或弹簧弹力做功（可以受其他力，但不做功）；
（3）表达式：Ek2 Ep2=Ek1 Ep1或E2=E1； （4）守恒的思想：（机械能总量）一直保持不变。
设计说明：通过学生自我归纳、总结建构机械能守恒定律，体现学生的主体意识，实现自我探究、自我发现、自我领悟、自我教育发展，进一步提升学生理论探究的自觉意识和创新能力。
4.5 巩固知识，发展能力
4.5.1 巩固知识——学会判断机械能守恒
建构规律后，可以通过例1巩固机械能守恒定律知识的同时，进一步引导学生掌握判断机械能是否守恒的两种方法：
（1）条件分析法：判断是否只有重力或弹力做功；
（2）定义分析法：判断机械能总量是否不变。
例题1 下列情况中说法正确的是（ ）
A.若只有重力做功，物体机械能一定守恒
B.把一个物体竖直向上匀速提升的过程，机械能守恒
C.做匀变速直线运动的物体的机械能可能守恒
D.物体除了受到重力，还受到其他力的作用时，机械能将不守恒
E.自由下落的小球落到竖直的弹簧上，将弹簧压缩到最短的过程中，小球机械能守恒
4.5.2 深化应用——发展学生能力
物理来源于生活，应用于生活，学生掌握了机械能守恒定律之后，为了发展学生的能力，通过例题2启发学生思考地铁站设计的优点，学会应用机械能守恒定律。
例题2 如图6所示是上海“明珠线”某轻轨车站的设计方案，与站台连接的轨道有一个小坡度，电车进站时要上坡，出站时要下坡。（1）试根据今天所学知识来解释这样的设计有什么好处？（2）如果坡高2 m，电车在坡底的速度是25.2 km/h，此后便切断电动机的电源，不考虑电车所受的摩擦力。电车能否冲上站台？如果能冲上，到达站台的速度多大？
学生思考交流后，在实物投影仪上讲解自己的解答，并相互讨论，归纳总结应用机械能守恒定律解题的步骤、优点和注意点。
（1）步骤：①确定系统②确定过程③确定守恒④确定参考面；
（2）优越性：比动力学解题更方便，适用范围更广；
（3）注意点：必须明确初末状态的机械能，要确定符合机械能守恒的条件。
设计说明：通过例题与思考，帮助学生进一步深刻理解机械能守恒定律，并通过学生自我总结应用机械能守恒定律解题的要点、步骤，体会应用定律解题的优越性，引导学生学会应用守恒思想方法解决实际问题。
4.5.3 布置作业——提升学生科学素养
作业1：课后思考课本第73页小球从光滑轨道斜坡由静止释放能够到达半径为R的圆形轨道内侧最高点的条件，并分组讨论交流。
作业2：有一种其尾部有一个小帽能伸缩的圆珠笔，将笔尾部向下用力压笔，笔将竖直弹起一定高度。请你用这样的实验粗略测定压笔的小帽时其内部弹簧弹性势能的增加量，并撰写实验报告。
设计说明：学生课后动手、动脑探究思考，解决实际问题，能将科学思想方法内化于心、外化于行，培养学生探索创新的科学精神，真正提升科学素养。
5 教学课后反思
科学思想方法是解决问题的灵魂，是物理教学的根本；探究学习，不仅是科学方法，更是一种学习方式。本节课教学后我们有以下反思：
（1）本节课教学采用探究式教学模式，注重了过程和方法的教学，让学生经历了科学探究的一般过程和思路，即：“创设情景—提出问题—猜测结论—实验探究—理论探究—得出结论—迁移应用”。教学的重点在于培养学生的科学态度与科学精神，亲自参与知识的发现过程是培养学生能力的关键。教学设计既重视实验探究又重视理论探究，既重视定性实验又创设定量实验，实验探究坚持定性和定量并举，理论探究体现“由特殊到一般”的科学探究本质。
（2）本节课教学设计突出了学生的主体地位，教师教学要把“发现”的任务交给学生，让学生成为“发现”的主人。师生共同探究物理现象和规律，坚持以学生为主体，变革学生的学习方式，学生参与到实验与探究中来，参与到合作交流中，让学生体会实验的过程，体验探究的情境。
总之，本节课的教学，通过问题层层设计，让学生经历科学探究过程，发现机械能守恒定律，領悟科学探究的方法，提升意志品质和物理核心素养。这些都有利于将学生培养成科学素养高、创新意识强、主动发展的新型人才。
参考文献：
[1]物理教材编写组.物理（必修2）[M].北京：教育科学出版社，2012：72-75.
[2]樊杰.高效物理探究教学的“四位”策略[J].物理教学探讨，2012，30（4）：74-75.
[3]余潘.探索“提问题、促探究”的高效课堂[J].物理教师，2016，37（11）：33-34.
（栏目编辑 李富强）