關于動量守恒定律教學高端備課的探討

喬 通

(許昌學院教育科學學院,河南 許昌 461000)

關于動量守恒定律教學高端備課的探討

喬 通

(許昌學院教育科學學院,河南 許昌 461000)

本文從高端備課的角度,依據科學認識論和學生的學習規律,對動量守恒教學重新做了設計,最后總結出了對物理探究教學設計的幾點啟示．

高中物理； 動量守恒;高端備課;探究教學

動量守恒定律一直是高中物理力學教學的重要內容,對這個知識點的教學似乎早已沒有更多可商榷的問題了,但是仔細琢磨不難發現教材中仍然存在著一些邏輯錯誤．有鑒于此,本文對動量守恒定律的教學邏輯進行了再思考,希望對中學物理教學有所裨益．

1 該節教材編寫中的問題

當前動量守恒教學,主要有兩種教學思路,基本上集中體現在兩套教材的編寫中．

大綱版教材中在介紹動量守恒定律之前先介紹了動量定理．其教學過程是這樣設計的:首先,在復習前一節動量定理的基礎上,設置情境,滑冰場上兩個原來靜止的學生,無論誰推誰,他們都會朝相反的方向滑去,他們的動量都發生了變化,兩個人本來都沒有動量,現在都有了動量．緊接著提出問題:如果物體相互作用,動量的變化服從什么規律呢? 之后,教材設計了小車實驗來進行實驗探究．通過實驗得出了動量守恒的結論．接下來,教材提出了一個更復雜的碰撞問題,兩個質量不同的小球,沿著同一直線朝相同的方向運動,速度大的小球追上速度小的球,兩球發生碰撞,問題是碰撞前后的總動量有什么關系．教材中用牛頓第三定律和動量定理推導,最后得出動量守恒的結論．[1]

顯然,從整體上看,這種教學邏輯從簡單到復雜,從現象到理論,體現了一定的認識規律．但是,這種教學設計從問題的提出,到實驗的實施,再到結論的推導,都是教師主導,較少學生的參與．從學生思維參與程度分析,學生從一開始就不清楚為什么要提出這樣的問題,于是整個教學過程中學生的思維無法被充分調動起來．

新課程改革提倡探究教學,意在讓學生經歷科學探究的過程,于是教材編寫也發生了較大變化．課標版教材中,在動量守恒和動量定理之前,安排了一節“探究碰撞中的不變量”,意在通過科學探究,讓學生經歷問題的提出、猜想、驗證等環節,體驗動量守恒定律得出的過程．[2]這樣的教學安排貌似是合理的,但是其中卻隱藏著邏輯錯誤．

首先,科學研究的第一步是提出問題,于是教材首先提出問題:尋找不變量．這里貌似在進行科學探究,然而事實上,這樣的問題已經預設了我們要尋找一個不變量,而這樣有明顯預設的科學問題學生是無法提出來的,也是無法理解的:為什么要尋找不變量?又怎么知道這里面一定有不變量?

其次,在提出問題之后,教材作出了假設．在這一步,教材中假設了多種動量守恒的關系式,有mv,mv2,v/m等等形式．然而為什么要作出這樣的猜想,卻沒有絲毫的邏輯可言．因此,這樣看似是讓學生經歷探究的過程,但是學生對物理知識的發現過程依然是模糊的，并且這給學生造成的印象也是科學研究似乎可以任意地制造假設.

總之,教材中這樣設計教學過程看似是探究教學,而其實是偽探究,因為從問題到假設,教材中已經有太多的預設,只是形式上引導學生進行所謂的科學探究．而真正的探究教學需要引導學生從情境中自然而然地發現問題,而不是直接提出帶有明顯預設性的問題．真正的探究教學需要有根據的提出假設,而不是作出沒有根據的胡猜亂想．鑒于此,我們對這節課的教學邏輯進行了再思考．

2 該節高端備課的過程

基于以上認識,我們這樣設計這節課的教學:首先從具體情境入手,讓學生分析問題,解決問題．然后,讓學生在解決問題的過程中發現不變量,即動量守恒,這相當于作出科學假設．最后對假設進行實驗驗證．具體的教學環節介紹如下.

2.1 問題1: 冰壺比賽

首先,播放奧運會冰壺比賽視頻．在視頻中,出現兩個冰壺發生正碰,之后原來靜止的冰壺運動,而原來運動的冰壺卻突然靜止．由于平時學生較少遇到這種現象,這樣能起到激發學生思考的作用．于是學生在好奇心的驅動下,不免產生疑問:兩個冰壺碰撞后為什么原來運動的冰壺會突然靜止?但是,此處學生的疑問并不是科學問題,教師可以繼續引導,將學生的“為什么”的問題引導至“是什么”的問題:我們看到原來靜止的冰壺運動了,它的速度看似是等于原來運動的冰壺速度,但是究竟是不是呢?它的速度是什么樣的呢?與原來運動的冰壺相比,其速度是變大了?變小了?還是不變?

下面教師就可以引導學生運用已有的知識解答上述的問題．在此,設原來運動的冰壺質量為m1,原來靜止冰壺質量為m2．因兩個物體相碰撞,根據牛頓第三定律有F1=-F2.

根據牛頓第二定律F=ma,代入上式可得

m1a1=-m2a2.

由于我們要得出速度關系,所以需要把加速度關系式替換成速度關系式,因此代入加速度的定義式a=(v′-v)/t,于是有

m1v1′-m1v1=-(m2v2′-m2v2).

由于從視頻中看到,原來運動的冰壺1碰撞之后靜止,故有m1v1′=0;冰壺2碰撞之前靜止,故有m2v2=0．把已知條件代入上式有

m1v1=m2v2′.

由于兩個冰壺質量相等,所以v1=v2′．

這樣,我們就從理論層面上回答了上面的科學問題，并且得出了一個規律,如果有兩個質量相同的物體發生正碰,就會發生速度交換．

2.2 問題2: 小車彈開實驗

接下來設計第2個情境:有兩輛質量相同的小車,中間有一個彈簧,剛開始使彈簧處于壓縮狀態,并用繩子系緊,剪斷繩子之后,兩小車彈開后速度近似大小相等．接下來,給其中一個小車上增加重物,就會發現有重物的小車彈開的速度明顯小于空車．

這個現象較為普通,但是學生不免產生疑問:這個現象怎么解釋呢?有了前面的例子,學生在此已經有能力獨立解決這個問題,教師便可以讓學生自己獨立解決．

設兩輛小車的質量分別為m1和m2．對于兩輛小車,根據牛頓第三定律,有F1=-F2.

根據牛頓第二定律F=ma,代入上式可得

m1a1=-m2a2.

由于我們要得出速度關系,所以需要把加速度關系式替換成速度關系式,因此代入加速度的定義式a=(v′-v)/t,于是有

m1v1′-m1v1=-(m2v2′-m2v2).

下面把初始條件代入上式有

m1v1′=-m2v2′.

當小車質量相同時,有v1′=-v2′,即小車1和小車2的末速度大小相等,方向相反．

當小車1上增加重物時,有v1′ <|-v2′|,即小車1的速度大小小于小車2的速度,并且兩車速度方向相反．

這樣,我們從理論方面解決了實驗中的問題．同樣也得出了一個新的規律:如果兩個小車相互彈開,質量大的小車獲得的速度小;質量相同時,兩小車的速度大小相等．

2.3 “發現”不變量

通過解決以上兩個問題,學生已經清楚其中的解決思路和過程．這時可以順理成章地引導學生發現其中的共性．這一步,我們可以問學生:大家發現以上兩個問題中有什么共性?

通過教師引導學生容易發現，在研究對象方面,我們處理的問題都是兩個物體相互作用的問題．一個是相互碰撞,一個是相互分離，其實都是相互作用．在研究方法方面,我們在處理這兩類問題的時候都用到了牛頓第三定律和牛頓第二定律．

教師可以適當提示:在研究過程方面有沒有共同點?

這時學生容易發現，在研究過程中,有一個中間結論是相同的,那就是這兩個問題都有以下關系式成立，即

m1v1′-m1v1=-(m2v2′-m2v2).

此時,教師就可以引導學生進一步發現，這就值得我們關注了,為什么總會有這個關系式成立?而這個式子又有什么物理含義呢?

在此,教師可以引領學生理解，等號左邊代表物體1的mv增加,等號右邊代表物體2的mv減小．顯然,從以上的式子可以直觀地發現，兩個相互作用的物體,一個物體的mv增加,等于另一個物體的mv減小．換句話說,對于兩個相互作用的物體而言,我們發現這個mv是一個不變的東西,這個特殊的不變量,物理學上叫做動量．這個關系式就是我們今天探究學習中發現的重要物理規律,叫做動量守恒．

到這里,我們得出了假設,但是理論假設的正確性還有待于進一步的實驗驗證．

2.4 實驗驗證和討論

在此,我們可以用課標版教材上設計的氣墊導軌實驗或者兩個擺球碰撞實驗來驗證上述動量守恒的假設．通過實驗驗證之后,我們就得出了動量守恒定律．

由于我們發現的動量守恒的表達式在形式上與動量守恒的常用表達式有所出入,于是需要引導學生做進一步的討論．

此時,教師可以向學生提問,讓學生對照課本,對比我們發現的動量守恒表達式和課本上的不同之處．通過對比發現,只需要把上面的式子移項就可以寫成動量守恒定律的常用形式:m1v1+m2v2=m1v1′+m2v2′．

此時教師需要解釋清楚為什么需要移項．移項不僅僅是一種數學上的處理,而且更重要的是兩個表達式分別代表了的不同物理意義．教材中式子的物理意義是:兩物體相互作用之前的動量之和等于相互作用后的動量之和．也就是說,這種形式的動量守恒是站在“兩個物體”也就是“系統”的視角來表達物理規律的．它表達的意思是,系統前后兩種狀態下的總動量守恒．而移項之前的動量守恒表達式是站在單個物體的角度研究問題的．這樣做的好處就是,往往我們知道系統之前的總動量,而想知道相互作用之后系統中各個物體的動量,這樣我們就很方便運算了．教師可以例舉以前的小車實驗,讓學生通過具體的練習體會移項后的表達式的優點．

3 啟示及建議

本文從一個新的視角設計了動量守恒定律的教學過程,力求真正引導學生體驗知識發現的過程．縱觀整個教學過程,可以得出以下幾點啟示及建議.

3.1 探究教學應展現知識發展自身的邏輯

相比之下,我們設計的探究教學最獨到之處在于:發現守恒量,不是尋找守恒量．尋找守恒量這種教學設計在教學之前就假設了自然界中有守恒量,我們一定可以找到守恒量,這樣的邏輯前設是獨斷的,是讓學生費解的．因此,教材中的探究教學生搬硬套探究的過程,而未能展現知識內部發展的內在邏輯,是假探究．而我們所設計的教學邏輯是引導學生通過分析不同情境中的問題,從而發現其中共同的關系存在(動量守恒關系式)．這就體現了科學發現的邏輯,這樣的教學更合乎知識發展自身的邏輯．這樣的探究教學才是真探究.

3.2 探究教學應從具體問題開始

任何一個科學問題的提出都不是抽象地提出的,而是基于一個特殊情境提出的．教材中的假探究其實就錯在這里,企圖從一個抽象問題出發展開探究．其實這個抽象問題的背后已經預設了一部分結論,這樣的問題必然令學生無法思考．因此,正確的設計思路應該是先從一個具體情境出發展開探究．但是在實際教學過程中,有很多時候某個具體的問題并不是我們要解決的科學問題,這時可以通過對具體問題的分析,把具體問題逐漸上升為更加抽象的科學問題．[3]本文的設計思路就體現了這樣的思想．

3.3 探究教學中假設的提出應體現邏輯性

假設是科學探究的重要環節,是對科學問題的嘗試性解決．對于假設教學必須明確的是,假設是根據一定的科學現象和相關理論,對科學問題嘗試性的解決,不能為了假設而假設．[4]因而假設教學的重點應放在引導學生分析和解決問題，應避免突兀地提出假設．教材中科學假設的教學過程邏輯跳躍性太大,顯得很隨意,似乎假設是憑空想象得來的．這不僅不利于學生參與問題解決的過程,無法理解假設的內容,而且會使學生對科學本質產生錯誤的認識,似乎科學假設是科學家任意制造的．因此,假設的教學過程要充分展示出問題解決的過程,這樣才能使假設的得出具有邏輯性,才能引導學生做出合理的假設或者充分理解假設的內容．

1 人民教育出版物理室. 物理(第二冊)[M].北京:人民教育出版社,2003:8-11.

2 人民教育出版社課程教材研究所. 物理(選修3-5)[M].北京:人民教育出版社,2014:1-15.

3 秦曉文. 科學探究中提出問題的教學策略[J].課程·教材·教法,2016(5):118-121.

4 黃順基. 自然辯證法概論[M].北京:高等教育出版社,2004:100.

5 邢紅軍，石堯，李靜.“平拋運動”教學的高端備課[J].物理教師，2014(6)：19-20.

6 曹開錚.例談中學物理“高端備課”的基本策略[J].物理教師，2016(8)：36-38.

本文系2017年度許昌學院校內科研基金項目“小學科學教師科學認識論知識的調查研究”成果(項目編號：2017YB042).

2016-09-09)