第四章 研究发现---李老师的物理学科教学知识内容
标量根据代数运算。它是一个过程量还是一个状态量，它是相对的还是绝对的。 T：我想这套程序大家一定要记住。
T：功是矢量还是标量？状态量还是过程量？功是相对的还是绝对的？下面就咱黑板上罗列的问题，大家思考一下？ 再如《重力势能》这个节课中
T：其实就是源于重力做功，会引起物体这样一个状态量的变化。所以在引入处写：重力做功会引起物体“mgh”这一状态量的变化，于是我们把这一状态量叫重力势能。因为我们在看势能这个定义的时候，我们只知道应该有势能，但是势能的大小说不出来，所以从这里来找重力势能的表达式。
T：重力势能的概念，初中定义为：物体由于被举高而具有的势能，由于被举高强调的是被举高的结果，而不是被举高的过程，咱现在在写重力势能应该有一个更严格的说法，那就是相互作用的物体和地球之间凭借其位臵而具有的能量。
T：重力势能的符号G，G=mgh,单位j,由于这里面高度是相对的，所以重力势能是相对的。
这种模式的好处在于，不仅可以帮助学生条理化、脉络化有关物理量的各各知识点，还对于学生学习物理的能力给予了上层的指引，学生完全可以通过此模式自学各种物理量。
2、重视物理规律的适用条件与解题步骤
每一个物理规律都是在一定的条件下反映某个物理现象或物理过程的变化规律，规律的成立是有条件的。学生只有明确规律的适用条件和范围，才能正确地运用规律来研究和解决问题，才能避免乱用规律、乱套公式的现象[18]。李老师不仅注重物理规律的适用条件的知识，还从多种视角，多种方式去理解。
例如：动能定理适用的研究对象，一般是单个物体，为什么说一般呢？……（例子解释）……，刚才我们推出动能定理是用恒力做功来推的，如果说那个力F一会大一会小，我们推出来的动能定理还管用不管用？管用，为什么管用？可以用变力分割的思想，所以推出来以后的牛顿定理，虽然说它是用牛顿第二定律推出来的，但是推出来以后有些变力的问题是用牛顿定律解决不了的，他可以用动能定理来解决，不仅适用于恒力，还适用于变力，不仅适用于直线运动还适用于曲线运动。
再如：机械能守恒的条件，只要重力以外的其他力不做功，或者做功代数和为零，机械
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高中专家型物理教师学科教学知识的个案研究
能就守恒了，因此我们在理解机械能守恒的条件，有两种说法，一个是书本上写只有重力和弹力做功，重力和弹簧弹力以外的其他力不做功，系统机械能守恒。第二种重力势能、弹性势能、动能三者之间的转化。
从物理规律中寻找解题步骤也是李老师的一个特点。李老师的解题步骤并不是孤立的，而是从规律本身的分析中引出解题思路。例如：动能定理的解题步骤
T:既然要受力分析，就要先确定研究对象，我们以前在研究牛顿定律的时候只用说研究对象就可以了，因为我们现在研究的是一个过程，展现动能这个状态量，所以除了研究谁以外，你还要确定研究过程从哪到哪，明确研究对象，确定研究过程，这样的话我们以前在研究牛顿定律解题的时候一般是对谁在那个位臵，重点强调力和加速度的瞬时对应，现在在研究动能定理的时候我们研究的是一过程，所以在研究动能定理的时候要强调对谁，从哪到哪，对那个过程列，第二步，受力分析，确定各各力做功的情况，每个力都找到了看看这个力做功不做功，是做正功还是做负功，然后求各个力做功的代数和，或者求合外力做的功，等于说第二步是解决了等号左边这个问题，怎么找合外力做功，第三步是确定等号右边的问题，确定初末状态的动能，根据动能定理列方程求解。李老师常说，学生出错的原因除了知识本身理解的问题，还有思维方法的问题，学生总是瞎碰或者乱套公式，因此引导学生总结正确的解题思路很重要，是培养思维能力的一个重要方面。解物理题一般来说运用某个规律或某几个规律，从已知条件中去求得需求的答案。因此，解题的思路和方法，应该从这些规律中去寻找，从定律本身的分析中引出解题思路是形成解题思路的基本方法。从定律中找方法，就要求我们对定律本身做深入分析，分析定律中的各个物理量的意义及相互关系，这也有利于加深对物理概念和规律的理解。
4.2.2注重物理知识建构的过程
1、讲清为什么要建立这个物理知识
在平常的教学中，李老师物理概念规律的引入总是建立在对物理过程的分析、实验或推导理论的基础上，从具体实验过程的分析、理论的推导来建立新的概念规律。
例如，能量概念的引入。教材关于能量的引入是这样处理的：从了伽利略实验讲起，然后描述现象“小球最后总会在斜面上的某点停下来，这点距斜面底端的竖直高度与它出发时的高度相同。看起来小球好像“记得”自己的起始高度”从而引入能量，然后基
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第四章 研究发现---李老师的物理学科教学知识内容
于伽利略实验介绍势能、动能的概念，最后在本节的结尾处介绍如果使用以前的概念“惯性”不能解释现象，从而说明了能量引入的必要性。李老师也是从伽利略实验讲起，指出实验过程中出现的现象“小球又上到了原来的高度”，从而引入能量。不同的是，李老师并没有接着介绍势能和动能概念，而是将利用已有知识惯性去解释现象提前，发现已有概念无法解释，从而使学生认识到引入能量这个新概念的必要性及意义，接着又以从斜面滚下来的小球重力势能减少，动能增加，如何去量度增加了多少，减少了多少，从而引入了功。
“课本上伽利略实验我们不是第一次看见，在讲牛顿第一定律的时候，后面这个斜面，如果倾角越来越小的话，这个小球就在斜面上走的越来越远，如果斜面光滑，不考虑空气阻力的话，小球一定运动到和他在A斜面等高的位臵，因此如果我们把斜面平放，它就永远运动不到那个高度，所以他就一直运动下去，所以就得到了牛顿第一定律。在这一节课里面我们重在研究，他为什么要上到原来那么高。这说明中间有一个量应该是守恒的，我们把这个守恒量起名叫能量。如果我们不采用能量这个概念，采用以前的语言来描述这个过程：释放小球，重力使小球滚下，滚下后到达斜面的底部有速度，由于惯性，又沿斜面向上。固然我们可以用惯性来解释小球又沿斜面向上，但是这种叙述并不能解释为什么能上到原来等高的高度。于是我们就要找这个守恒量，把这个守恒量起名叫能量。小球从斜面下来，重力势能是减少，动能是增加的，至于减少多少，增加多少怎么去量度呢？于是我们要引入功这个概念”
教师具备这样的知识并在教学中呈现，可以使学生意识到物理概念的建立并不是可有可无、玄之又玄的，而是已有的概念体系不能很好的解释现象，为了研究的需要才必须引入新的概念，是有其必要性的。
2、在统领性观点、基本思想和方法、原理的指引下建构物理学知识 比如在弹性势能这节课：
李老师一上课便说：“其实这节课我们完全可以自学，这节课的研究方式和重力势能的研究方式是一摸一样的。先回忆一下重力势能的表达式，主要理解为什么重力势能的表达方式是mgh,为什么不是mgh/2？ ……
师：那到底劲度和形变量与弹性势能有什么样的关系呢，弹性势能的表达式会不会是k×L?
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(学生没有回答)
师：L是什么？是形变量，k×L是什么？是弹力。所以弹性势能的表达式会不会是k×L？ 生：不会。
师：那会不会是k×L×L？ 生：（学生点着头说）有可能。
师：那会不会是KL3？KL2/2？或者kL3/2？所以我们就要猜测他到底是KL2？KL3？KL2/2？或者kL3/2？
师：我们还是先要从分析弹力做功入手，看看弹力做功会引起一个什么样的状态量的变化。我们在研究重力做功的时候，重力做功会引起mgh这样一个状态量的变化，因此我们把这个状态量叫做重力势能，所以我们这节课就要类比重力势能的表达式的得出，去探究弹性势能的表达式。
师：重力势能表达式的思路，先猜测重力势能和什么因素有关，重力势能具体表达式应该与重力做功相关，弹性势能表达式也是，先猜测弹性势能和什么有关；与弹力做功什么关系，分析弹力做功，找到弹性势能的表达式。并呈现课件：
如何求弹性势能的表达式？重力势能与m和h有关弹性势能与什么有关重力势能与重力做功有关弹性势能与弹力做功的关系分析重力做功分析弹力做功重力势能Ep=mgh求出弹性势能的表达式 再如在动能与动能定理这节课中，李老师同样是一上课就通过提问复习本章节统领性观点。
师：我们前面探究重力做功和重力势能的表达式，弹力做功和弹力势能的表达式思路都是从哪里入手？
生：先猜测，然后分析力做功
师：功是能量转化得量度，我们都是从力做功入手，看看什么样的力会引起什么样的功
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第四章 研究发现---李老师的物理学科教学知识内容
的变化。比如说我们从重力做功，分析出来重力做功会引起这样一个状态量的变化， W
重
=mgh1-mgh2因为功是能量转化的量度，所以可以肯定的是这两个量一定是能量，然后又
得到弹力做功，弹力做功对应这样的一个状态量的变化W弹=1/2kl12-1/2kl22，于是把这个状态量叫弹性势能。
师：那今天我们要研究动能，我们已经知道了动能和什么因素有关？ ……
师：所以速度大，说明做功本领大，对你威胁也大，也就是说能量，它体现了一种做功的本领。动能是和质量有关，是和速度有关，我们现在也知道了动能就是1/2mv2，但是他为什么是呢？为什么不是mv2,为什么不是1/3mv2,于是我们还是要从做功下手，咱课本上事先让我们探究，合力会产生加速度，加速度会使速度发生变化，通过探究实验去找这个关系，通过找寻，发现他与速度的平方发生变化，这节课我们要从理论去讲为什么动能变化就是1/2mv2，这样的化我们还是应该先从合力做功下手，先知道动能大小和质量有关，又和速度有关，然后呢，从合力做功下手然后去找动能表达式应该是什么样的，那我们现在来研究合力做功。
4.2.3完整的物理知识结构
1、以与所学概念相对应的初中概念为始
李老师所具备的高中物理学知识以初中相对应的知识为始。例如在《功》这节课的教学中
“初中功的定义是力和沿着物体力的方向的距离的乘积，其实现在高中还是这样定义的，只不过是把距离换成了位移。……现在我们学的这个公式和初中学的是否矛盾，在力的方向上发生了一段位移是指力方向上所在的那条直线，这一点和初中物理最大的不同，初中的时候我们认为，沿着力的方向走，现在来讲那叫什么?物体做正功，如果沿着力的反方向走一段，也做功，叫做做负功，w=-fl,现在w=flcosv，其实这和我们初中学的一样，这是指力与位移有夹角的时候，……说明我们现在学的表达式和初中是一致的，这个公式更具有普遍意义，不矛盾的。”
初中相关概念是高中概念的下位概念，是学生学习新概念的固着点，只有教师具备这部分知识才能更有效的帮助学生在新知识与已有知识之间建立起联系，把新的概念纳入到已有认知结构中。
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