基于科學探究下的概念規律課教學設計與實踐
——以教科版“動量”教學為例

蔡衛東

(江蘇省前黃高級中學,江蘇 常州 213161)

本節課以教育科學出版社選修3-5“動量”為例,基于物理學科核心素養探討科學探究式教學在物理課堂中的應用與實踐．通過研讀整章教材,進行比較研究,合理整合重組.本節課從引入問題、科學探究、質疑釋疑、拓展提升等環節,始終圍繞科學探究這個關鍵詞展開,達到了培養學生物理學科核心素養的教學目的．

1 設計思想與背景

教科版“碰撞與動量守恒”共有3小節構成.本節課鼓勵學生主動探究、合作交流,在教師創設物理情境,有效形成科學問題的引導下,實現對知識的主動建構和學生科學探究能力的培養．為此,筆者基于兩方面的思考進行教學設計．

1.1 基于新舊教材的比較

無論是科教版還是人教版新教材,都將動量的內容后置于選修系列3-5模塊,而不同以往教材動量的內容被設置于力學部分.學生不僅要學會用動量守恒定律解決宏觀物體的相互作用,還要為進一步認識微觀粒子的相互作用問題鋪墊．從內容的邏輯線索來看,兩種教材的核心是要體現學習中的探究精神,強調物理學中“守恒量”的思想.教材第1節都通過探究實驗引導學生體會碰撞過程中的不變量,再指出質量與速度的成積可能具有特殊的物理意義,進而在實驗和理論的基礎上給出動量和動量守恒定律.顯然區別于以往教材直接給出沖量和動量的定義．當然,有限的幾次簡單測量并不能得到普適性的物理規律,但是兩個物體在碰撞過程中很可能存在“守恒量”的猜想是有實驗基礎的,學生在追尋“不變量”科學探究過程中的切身體驗十分有教育價值．

1.2 基于核心素養的培養

2016年9月,教育部下發的《普通高中物理課程標準(征求意見稿)》將物理學科核心素養概括為“物理觀念”、“科學思維”、“科學探究”、“科學態度與責任”等4個方面．其中,“科學探究”主要包括問題、證據、解釋、交流與合作等要素．科學探究是本節課的重中之重.本文主要設計了3個探究過程,一方面引導學生親自去發現隱藏在現象背后“守恒”的自然規律,感悟自然界的和諧與統一;另一方面將實驗技能的訓練與科學探究過程的體驗有機地結合,為物理概念的引入、物理規律的建立提供實驗基礎;第三,在科學探究過程中,包括模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新等科學思維能力得到培養．

2 教學流程與點評

基于教材的比較研究和學生科學思維的發展,筆者依據整合創新教材,創設科學探究情境,滲透科學史教育的理念設計了本節課．從學生學習效果和教師觀摩反饋來看,基本達成了教學目標．

2.1 課堂引入:創設物理情境,形成科學問題

師:近年來的熱詞“互聯網+”,是把互聯網的創新成果與經濟社會各領域深度融合,當然,互聯網也走進了我們的學習生活,微信朋友圈的一則“憶童年”引起了我這個60后老男孩的回憶和共鳴．

手機與電腦同屏展示:“打彈珠、騎馬打仗、小火箭、斗雞……”兒時的碰撞游戲給我們帶來愉悅(展示圖片1);但是,汽車追尾給家庭帶來災難(GIF動畫);天體碰撞甚至會給全人類帶來災難(GIF動畫)．

點評:課堂引入有互聯網+、微信朋友圈等體現課程的時代性,又有學生既陌生又想了解的童趣游戲．教師將手機和電腦實現共屏展示,充分體現科技進步和社會發展是本節課的亮點之一．

圖1

師:這些現象都與我們第1節討論的“碰撞”有關.我們再來看一個視頻,丁俊暉總能以各種形式把球打進,可見球和球之間的碰撞是否存在一定的物理規律?請大家回憶一下,我們學習了哪兩種類型的碰撞?

生:彈性碰撞和非彈性碰撞(完全非彈性碰撞是非彈性碰撞中的特例)．

師:分成這兩種碰撞的依據是什么?

生:碰撞前后兩物體的總動能是否變化．

2.2 科學猜想:基于演示實驗,培養科學思維

大自然在造就萬物時,處處呈現了對稱美,德國女數學家諾特指出:對應于每一種對稱美,都有一條守恒定律．那么,非彈性碰撞前后,是否也有一個類似于動能這樣的物理量保持不變呢?請大家討論猜想．

(1) 質量守恒．質量并不描述物體的運動狀態,不是我們追尋的物理量．

(2) 速度v．如果速度之和保持不變,可以寫成表達式:v1+v2=v1′+v2′．請學生們觀察小實驗:讓等質量的兩小車由動碰靜,碰撞前后速度之和可能不變;質量大的小車碰質量小的靜止小車(質量懸殊稍大),碰后速度之和反而增大了．顯然,速度之和守恒不具有普遍性．

我們通過實驗現象進行科學猜想,又用實驗否定了這個猜想,是否說明這個猜想毫無意義呢?當然不是,我們改變質量,導致速度發生變化,那么,這個不變量是否與質量m和速度v都有關系呢?進一步明確了我們科學猜想的方向．動能就是m與v2的組合,質量m和速度v還有沒有更簡潔的組合方式呢?

猜想(1)質量與速度的乘積mv．如果兩小車各自的mv之和是不變量,則關系式可以寫成

m1v1+m2v2=m1v1′+m2v2′．

(3)m12v1+m22v2=m12v1′+m22v2′，m12v12+m22v22=m12v1′2+m22v2′2……今天,我們首先從較為簡潔的兩種猜想入手進行定量研究．

點評:根據情境巧設問題,既回顧舊知,更為引導學生從實驗探究入手,追尋碰撞中的“不變量”埋下伏筆．設計的問題兼具指導性和開放性,規避了探究的盲目性,又體現了科學規律的簡潔之美,注重學生邏輯思維能力的培養．

2.3 科學探究:融入創新實驗,建構物理觀念

《課程標準》和教科書都只要求研究一維碰撞.這既符合物理學“從簡單問題著手進行研究”的慣例,也符合學生的認知規律．

實驗器材:小車(100 g),配重50 g若干，軌道，彈簧片.

師:軌道上的兩輛小車發生一維碰撞,有多種方式?哪種方式最簡單,即更便于我們實驗操作呢?

生:動碰靜、對碰、追及碰、由靜止狀態彈開……

師:動碰靜如果碰撞后粘合在一起最簡單,那么只要測量碰前和碰后各一個速度．

科學探究1:動碰靜粘合.

圖2

我們首先從最簡單的碰撞形式入手進行定量研究,如圖2．

(1) 兩輛小車的質量m1=m2=100 g．碰撞前后的時間大約是2倍關系,說明碰前速度大約是碰后速度的2倍．為了更直觀地驗證猜想,我們可以把時間記入事先設計的Excel表格,利用公式計算功能,發現猜想(1)和猜想(2)可能都是正確的．如果兩個小車的質量不相等,結果會怎樣呢?

(2) 小車1質量m1=150 g,小車2質量m2=100 g．碰撞前后的時間沒有比較清晰的倍數關系,記入表格進行公式計算,發現猜想(1)在誤差范圍內是正確的,猜想(2)明顯不守恒．

(3) 改變兩小車的質量,得到多組數據．初步得到結論: 猜想(1)是正確的,猜想(2)不正確．

點評:人教版教材“探究碰撞中的不變量”實驗中,為便于提出不同的實驗方法,引導學生注重實驗中的科學思想,從不同角度呈現3種實驗案例供選擇．其中,案例1借助氣墊導軌、數字計時器、光電門等器材的設計思想與教科版教材類似．但該方案由于滑塊在氣墊導軌上呈懸浮狀態,碰撞時的穩定性較差,導致實驗誤差較大．我們還是借助DISLab數字實驗室,將小車置于軌道上開展實驗．光電門的位置是實驗成功與否的重要因素,為減小系統所受摩擦力的影響,兩個光電門應盡量靠近且在兩輛小車發生碰撞的附近．

科學探究2: 動碰靜分開.

我們在兩小車碰撞處分別裝上正對的彈簧片,研究動碰靜分開的情況．需要測量碰前和碰后擋光片經過光電門共3個時間,記入Excel進行探究．

(1) 兩輛小車的質量相等m1=m2=121 g．

(2) 小車1質量m1=171 g,小車2質量m1=121 g．

(3) 改變兩小車的質量,得到多組數據．初步得到結論:猜想(1)是正確的,猜想(2)不正確．

點評:本環節用3個光電門分別采集3個時間,且滿足m1≥m2,目的是保證小車1碰撞后不反彈．既保證實驗探究簡潔明了,又為下一探究環節圍繞動量的方向性展開討論埋下伏筆．

科學探究3:對碰后分開.

兩小車對碰后分開的情況,需要測量碰撞前后共4個時間,兩個光電門分別記錄往返兩次時間．為了更加精確地測量碰撞前后瞬間的速度,光電門需要盡量靠近些,且碰撞發生在兩個光電門之間．課堂上多次請學生配合演示實驗都不一定能成功,因此,我們對課前多次嘗試之后成功的6組數據進行研究,如表1．

表1

師:分析數據,猜想(1)和猜想(2)都是不正確的．猜想(1)難道在對碰時就不成立了嗎?如果不是,我們是否可以在數據處理過程中找一找出現的問題?

生:(展開討論,尋找原因)速度是矢量,碰撞前后速度方向發生改變,我們要用“—”表示反方向．

師:(和學生共同修正數據)可見,猜想(1)仍然是正確的,猜想(2)不正確．這也給我們以啟發:速度v是矢量,不變量mv也應該是一個矢量,有方向性．

通過大量不同形式的碰撞實驗,如追及碰、彈開狀態、二維碰撞等,又驗證了更為復雜的守恒表達式,發現:兩個物體碰撞時,一個物體的mv減少,另一個物體的mv一定會增加,而且它的增加量與前一個物體的減少量相等．這使我們意識到mv這個物理量具有特別的意義,物理學中把它定義為物體的動量p,p=mv,這個守恒規律叫“動量守恒定律”(板書)．

點評:3次探究都設計了如表1所示的表格,不僅有猜想(1)、(2),還有猜想(3)、(4)……．雖然探究3沒有在課堂直接演示,重在數據分析,但在前兩次探究的基礎上加以說明,可信度高;Excel表格呈現的實驗數據簡潔明了,公式計算功能使數據處理簡單方便,效果較好．

2.4 理論探究:建立物理模型,體驗邏輯力量

經過3輪實驗探究后,教師通過建構物理概念、建立物理模型、開展理論探究等教學策略,增強學生對核心概念、物理模型、物理規律的理解,從而培養學生的科學思維能力,促進學生物理核心素養的提高．

師:實驗過程中,我們發現系統的動量總是不完全守恒,總存在一定的誤差,你認為主要原因是什么?

生:系統受到摩擦力．

圖3

師:我們把兩小車碰撞理想化為沒有摩擦力的模型,如圖3,碰撞過程中的相互作用力是F1和F2,請從牛頓運動定律的角度,證明m1v1+m2v2=m1v1′+m2v2′．

教師巡視整個教室,手機和電腦同屏展示學生的證明過程.

根據牛頓第二定律:F1=m1a1,F2=m2a2.

根據牛頓第三定律:因為F1=-F2,所以m1a1=-m2a2.

碰撞時間極短,用Δt表示,則有

移項即證

m1v1+m2v2=m1v1′+m2v2′．

同時,得到動量守恒定律的條件是:系統不受外力或所受合外力為0．

師:動量守恒定律是自然界中最普遍、最基本的定律之一,大到宏觀宇宙,小到微觀粒子,又或是高速領域,只要系統所受的合外力為0．我們再來看一些例子:天體碰撞(GIF動畫)、微觀粒子碰撞(α粒子散射動畫模擬實驗)、汽車追尾(GIF動畫)、飛機爆炸(GIF動畫)等．似乎有些現象中系統所受的合外力并不等于0,動量是否也守恒呢?

師生共同總結:像這些爆炸、猛烈撞擊等現象,內力遠大于外力,我們認為系統也滿足動量守恒定律的條件．

點評:建構理想化模型、開展理論探究等可以開闊學生的思路,便于他們自覺地運用所學知識來處理問題;再者,理論探究、邏輯推理也是科學探究的重要方法之一．

2.5 回歸拓展:解釋生活現象,關注科技發展

應用回歸1:牛頓擺．5個完全相同的鋼球組成的牛頓擺,把一個小球向左拉高釋放,撞向其余靜止的4個小球;把2個小球一起向左升起,同時釋放,撞向其余靜止的3個小球;把3個小球一起向左升起,同時釋放,撞向其余靜止的2個小球……分別會發生什么現象?

圖4

我們用手機拍攝“慢視頻”(如圖4,iphone 7P有“慢視頻”拍攝功能),手機和電腦同屏,讓學生清晰直觀地感受小球碰撞前后“速度交換”現象．這種奇妙現象是因為在碰撞中存在“不變量”的基礎上還滿足“機械能守恒”,質量相等的小球碰撞中“依次”進行“速度交換”．冰壺比賽中“打定”其實也是由于這個原理發生“速度交換”現象(播放“打定”視頻)．

圖5

拓展延伸2:陀螺儀．我們已經學習的關于物理學中“守恒”思想的有機械能守恒、能量守恒、電荷守恒等;今天學習的動量守恒定律是自然界中最普遍、最基本的定律之一;廣泛應用于航空航天及航海的陀螺儀,是基于角動量守恒設計用來傳感和維持方向的裝置,進一步深造我們還將要學習角動量守恒等知識(演示陀螺儀現象,如圖5)．

師生共同回顧學習本節課的收獲,體會從實驗和理論兩個方面,尋找“不變量”及其守恒定律的過程;強調科學探究的重要作用,科學探究不能是形式主義的,它滲透于全部教學內容之中．

點評:這節課是科學探究的一個片段,學生在對碰撞結果有自己預期的基礎上,應用物理知識和數學知識進行分析后,看看結論是否與生活經驗一致.這是對于分析過程的一種“評估”．進而使學生在認識科學本質,理解科學·技術·社會·環境關系的基礎上,逐漸形成對科學和技術應有的正確態度和責任感．

3 教學理念與反思

基本概念、基本規律和基本方法及其相互聯系構成了高中物理的基本結構和完整體系,因此概念規律課是高中物理教學的一種重要課型．教科版“動量”一節引出“動量”概念,通過實驗探究和建構理想化模型進行理論推導等方法得到“動量守恒”規律.筆者基于教學設計和課堂實踐反思高中物理開展概念規律課的教學．

3.1 創設問題情境,激發探究潛能

物理情境的創設應有助于激發學生的學習興趣和求知欲望,營造活潑的課堂學習氛圍.當然,這是其功能的初級階段．更為重要的是要創設便于發現問題的物理情境,引導學生在實際的物理情境中發現與探究主題密切相關的問題．一是通過游戲、實驗、故事,或者是學生生活中熟知的典型事例創設問題情境．課堂引入時,借助熱詞“互聯網+”展現教師兒時的游戲創設問題情境,將物理規律的探究主題與學生熟悉的物理現象及已有的知識結構聯系起來,學生在必要的觀察經驗的基礎上,運用已有的知識對探究問題進行初步猜想、分析和討論．二是通過科學探究過程,或對學生已有知識的分析引申和邏輯展開創設問題情境．本節課的主體部分是3個實驗探究過程,又用牛頓定律解決理想化的碰撞模型,從實驗和理論兩個角度明確“動量守恒定律”的研究主題．三是通過產生矛盾、設置懸念、進行類比等方式創設問題情境．如課堂結尾,牛頓擺為什么會出現速度傳遞現象;類比牛頓擺現象和冰壺打定現象;演示陀螺儀的奇妙現象將課堂拓展延伸．

3.2 注重科學探究,實現知識建構

高中物理規律的學習往往出現在學生毫無認識或認識不足的情況下告知學生,再逐字逐句解釋和說明．這種做法離開了認識的基礎,顛倒了認識的順序,沒有經過對有關問題的分析和必要的探究過程,就不可能理解它的真正含義．科學探究可以是直接從實驗結果中分析、歸納、概括而總結出來,即實驗歸納法;也可以利用已有的概念和規律,通過邏輯推理或數學推導,得出新的規律,即理論分析法．本節課將二者結合起來,重在科學探究過程．教師充分信任學生,科學猜想、科學探究、理論推導等環節鼓勵和引導學生經歷科學探究過程,實現知識建構．比較兩種教材,人教版設計的3個參考案例探究性很強,實驗結論沒有給出,但在適當環節給出了提示,如,實驗以“實驗的基本思路”和“需要考慮的問題”展開,從而降低實驗難度．筆者更認可對一種案例進行深度探究,本節課的3個探究過程,精心設計,由淺入深,既有為得到規律而開展的驗證性探究,又有從實驗過程中生成問題,設置懸念,通過交流、評價、修正等方式的思辨過程．激發學生對科學的熱愛和對探究的興趣,綜合實驗歸納法和理論分析法實現知識建構．

3.3 理解物理意義,做到學以致用

科學探究過程中知道不變量“mv”具有的特殊意義及其滿足的等式關系,也是對動量概念和動量守恒定律的理解過程．對于重點物理規律,還要求學生靈活運用,這是將抽象物理規律具體化的過程,是理解的第二個飛躍過程．一方面要選擇各種不同的實際問題情境,通過教師示范引導和學生交流討論,讓學生在解決實際問題的過程中,鞏固、深化和活化對物理規律的理解;另一方面使學生掌握分析、處理實際問題的方法,發展學生分析和解決實際問題的能力、運用數學解決物理問題的能力、邏輯說理和表達能力,以及創造能力．慢視頻播放牛頓擺現象、冰壺打定視頻、手指上旋轉的陀螺儀等是課堂的升華之處．限于課堂時間,學生觀察慢視頻,教師引導學生課后結合動量守恒和動能守恒尋找兩個質量相等的小球發生彈性碰撞出現“速度交換”的原因,冰壺比賽中的打定現象就是這個原理．旋轉的陀螺儀涉及未知的角動量守恒等知識,將高中物理課堂教學推向科學、技術和社會高度,培養了學生的科學態度與責任．

1 韋葉平.基于實驗探究下的規律課教學實踐研究——以創新建構“牛頓第二定律”為例[J].物理教師,2016(8):14-17,21.

2 耿宜宏,王志剛.基于問題探究式教學在高中物理課堂的實踐與思考——以“牛頓第三定律”一課的教學為例[J].物理教師,2015(11):27-30.