讓核心素養的培養在實驗探究中落地

一、教學思考

“實驗：探究碰撞中的不變量”是人教版高中物理選修3-5第十六章《動量守恒定律》第一節的內容。本節教材沿著物理學的發展歷程，基于探究碰撞中“不變量”的實驗，得出碰撞前后質量和速度的乘積保持不變，從而發現質量和速度的乘積是一個特殊的量——動量。這符合人類的認知邏輯，能夠讓學生清晰地認識動量的來龍去脈和在碰撞過程中具有的重要特性——守恒。教材中蘊含著豐富的培育學生物理核心素養的內容，包括：形成物理觀念，即相互作用觀和守恒觀——動量守恒和能量守恒；培養科學探究意識，即通過對碰撞過程的實驗探究，親歷科學探究過程，學會對探究的過程和結果進行交流、評估和反思；培養科學思維能力，即根據實際情境，建立彈性碰撞和非彈性碰撞模型，利用“實驗事實+邏輯推理”的科學方法分析處理問題，得出碰撞中存在“不變量”的結論；樹立科學態度與責任感，養成嚴謹認真、實事求是和持之以恒的探索精神以及獨立思考、敢于質疑和善于反思的創新精神。

碰撞現象是思維起點，學生由現象揭示其中的“不變量”，體現了科學思維的作用，這反映了實驗探究的特質。得到的實驗結論是知識內核，學生在其中表現出的學習態度、價值取向則是維系整個學習過程的動力，從而讓核心素養的培養在實驗探究中落地。

基于上述分析，本節課的教學思路是：以學生的實驗探究活動為主線，首先指出觀察、分析常見的碰撞現象對科學研究、日常生活、工農業生產的重要影響，研究碰撞中的規律的重要現實意義，讓學生認識到“為什么研究（包含研究誰）”；然后引導學生提出研究的問題，猜想可能的結論，設計實驗方案來證實猜想，并親自動手實驗，體驗探尋碰撞中“不變量”的過程，得到實驗的結論，從而體會到“如何研究”；最后介紹相關物理學史，使學生認識到任何物理規律的獲得都需要反復嚴格的驗證和論證，人類對自然規律的認識是一個逐步完善的過程，提升他們的科學態度與責任感。

二、教學過程

（一）課題引入

師 前面我們從運動學和動力學的角度研究過單個物體的運動，然而自然界中更多的是相互作用的多個物體的運動。今天我們就一起來學習生活中非常常見的一種現象——碰撞。碰撞的作用時間非常短暫，而過程又比較復雜。我們要研究它的規律，通過什么樣的切入點最為合適？德國著名物理學家勞厄說過這樣一段話，或許會給我們一些啟發：“物理學的任務是發現普遍的自然規律。該規律最簡單的形式之一表現為某種物理量的不變性，所以對不變量的追求，不僅是合理的，也是極為重要的研究方向。”在多變的世界中尋找不變量是物理學家常用的思維方式。我們以前也已經認識了一些不變量的情況，請舉例說明。

生 化學反應前后總質量不變；自然界中各種形式的能量轉化與轉移過程中，能量總量不變；電荷轉移過程中，電荷總量不變……

師 非常好！尋找不變量不僅必要，而且可行。本節課，我們用實驗探究的方法來研究碰撞中的不變量。

[設計意圖：開宗明義，讓學生認識到研究不變量的必要性和可行性（為什么研究），同時提升學生的學科意識。]

（二）建立模型

師 我們將按照研究問題的一般思路，即建立模型、觀察猜想、實驗驗證，來開展今天的探究活動。我們先研究最簡單的碰撞情形——兩個物體碰撞前沿同一條直線運動，碰撞后仍沿這一條直線運動。（Flash展示多種一維碰撞情境）我們研究的對象是相互碰撞的兩個物體組成的系統，研究的過程是從碰撞前一瞬間到碰撞后一瞬間。在這種最簡單的情形下，與碰撞有關的物理量有什么？

生 速度、質量。

師 系統總質量變嗎？

生 不變。

師 那質量是我們今天要找尋的不變量嗎？

生 不是。

師 系統速度之和變嗎？

生 不能確定。

師 當猜想不能確定時，我們應當怎么辦？

生 用實驗證實或證偽。

[設計意圖：通過模型的建立，清晰研究對象，簡化研究過程，進一步明確研究的問題，加深學生對實驗探究的一般流程（如何研究）的認識。再通過問題喚起學生對探究的主要要素的回憶，提升學生科學探究的意識。]

（三）觀察猜想

師 現在讓我們用一個簡單的實驗來驗證。（出示圖1）兩條等長的細線懸掛相同的小球1和2，靜止時兩球心在同一水平線上。（出示圖2）將小球2拉到某一高度處（水平虛線標記）由靜止釋放，則到最低點時將會出現什么現象？請大家猜猜看。

師 （演示實驗）碰撞發生在瞬間。小球2停下來了，小球1水平向左運動。

碰撞前后兩個球的速度大小相等嗎？

生 相等。

師 為什么？

生

小球1向左運動能到達與小球2初始時相同的高度。

師 從我們對現象的分析來看，兩小球組成的系統碰撞前后的不變量可能是什么？

（學生組內相互討論。）

生 速度。速度發生了交換，速度交換實際上就意味著系統碰撞前后速度之和不變。

師 如果寫成等式，應該是？

生 v1+v2=v′1+v′2。

師 剛才是質量相等的兩個小球，我們再試試質量不等的兩個小球之間的碰撞。將上面實驗中的兩個小球改為乒乓球和大鋼球，將乒乓球拉起一定的角度，由靜止釋放，觀察現象。

（演示實驗：乒乓球在最低點和大鋼球碰撞后反彈，大鋼球幾乎不動。）

師 實驗中乒乓球碰撞前后的速度方向如何？

（師生共同討論后否定上述猜想。）

師 碰撞中的不變量既不是質量m，也不是速度v。而這個不變量又與這二者有關，所以

這個不變量只能是這二者的某種組合。質量m和速度v最簡單的組合形式有哪些？

生 mv。

師 這個不變量可能是質量和速度的乘積，還可能是什么？

生 相加。

師 把我的體重和你的身高相加，可以嗎？

生 不可以。單位不同。

師 同學們，還有其他可能嗎？

生 vm、mv2等等。

師 如果mv是我們要找尋的不變量，那么要驗證的表達式是什么？

生 m1v1+m2v2=m1v′1+m2v′2。

師 其他猜想的表達式呢？

生 v1m1+v2m2=v′1m1+v′2m2。

生 m1v21+m2v22=m1v′21+m2v′22。

[設計意圖：猜想是發現的開始，提出合理的猜想是探究中最關鍵的一步。通過引導學生觀察碰撞現象，提出猜想，驗證猜想，在不斷觀察、猜想、驗證的循環中提升科學研究的意識和能力。]

（四）方案設計

師 分析各個表達式，要驗證上述猜想，需要對碰撞物體的質量和碰撞前后的速度進行測量。質量測量比較簡單，老師為大家提供了方便快捷的電子天平。我們也學過不少測量速度的方法，比如——

生 打點計時器、頻閃照相、光電門……

師 其中最容易直接得到數據的是什么？

生 光電門和數字計時器。

師 而光電門常常需配合什么使用？

生 氣墊導軌。

師 下面我們就用這些便捷的現代實驗器材進行實驗探究。（出示器材）氣墊導軌上放置了質量一大一小的兩個滑塊，它們之間的碰撞可能有哪幾種情形呢？同學們桌上都有和老師相同的實驗器材，想不想親自動手試一試？我們先嘗試讓小滑塊不動，大滑塊去碰它。注意觀察！（教師示范操作，學生同步實驗。）

師 碰撞后兩個滑塊的運動方向怎樣？速度大小相等嗎？

（學生交流討論。）

師 可以概括為：大碰小，碰后分開、同向。我們還可以怎么做？

生 用小滑塊去碰大滑塊。

（教師示范操作，學生同步實驗。）

師 碰撞后兩個滑塊的運動方向怎樣？如何概括？

生 小碰大，碰后分開、反向。

師 有的同學注意到了兩個滑塊的旁邊各有一個尼龍粘扣，利用它，我們可以讓兩個滑塊發生什么樣的碰撞情形？

生 碰撞后粘在一起。

師 可見碰撞的形式有很多種，下面我們就一起來分別研究它們。

[設計意圖：探究課中的環節多，結果難預料，需要教師巧設主線，對科學規律的意義建構減少一些偶然性；巧設問題，快速遴選實驗器材；進行示范操作和總結概括，明確碰撞的分類。]

（五）分組實驗驗證

師 我們先來研究第一種碰撞情形：碰后分開、同向。

（學生分組實驗：分別測出兩個滑塊的質量；讓滑塊1碰撞靜止的滑塊2，碰撞處安有彈簧圈，碰后分開，但速度方向相同，如圖3所示；將實驗數據填入表1中。）

師 （出示表2）請利用表1中的測量數據，計算完成表2中碰前、碰后的數據，并觀察哪種猜想是正確的。碰撞前后的值相差越小，就越可能是不變量嗎？

生 應該是相對不變。

師 對。其中，相對誤差=碰前-碰后碰前×100%。

（學生完成填表。）

師 對比表2中計算的結果，可得出結論：mv和mv2都有可能是我們要找尋的不變量。我們繼續來研究第二種碰撞情形：碰后粘在一起。

（學生分組實驗：讓滑塊1碰撞靜止的滑塊2，碰撞處安有尼龍粘扣，碰后兩個滑塊粘在一起，如圖4所示；記錄實驗數據，并計算驗證。）

師 對比各組計算的結果，得出結論：只有mv是我們要找尋的不變量。我們再來看第三種碰撞情形。

（學生分組實驗：讓滑塊1碰撞靜止的滑塊2，碰撞處安有彈簧圈，碰后分開，速度方向相反，如圖5所示；記錄實驗數據，并計算驗證。）

師 對比表2中計算的結果，發現碰前和碰后的mv的和相差較大。難道mv也不是我們要找尋的不變量？是不是有什么因素我們沒有考慮到？

生 速度是矢量。

師 對！應當是矢量式。

[設計意圖：三個有層次性的實驗設計，讓學生的思維發生了兩次飛躍。這樣的過程可以有效驅動學生在課堂中的學習，激發學生探求知識的欲望，使學生的認知在比較與矛盾中不斷地進行同化與順應。由此，學生經歷了一個基于事實證據和科學推理對不同觀點和結論提出質疑、批判，進而提出創造性見解的比較完整的科學研究過程，培養了科學思維素養。]

（六）研究的應用

師 在大量實驗研究后發現，在一維碰撞中，有一個物理量是不變的，即質量和速度的乘積的矢量和不變。其實，這個規律不僅適用于碰撞前后速度方向共線的情形，也適用于碰撞前后

速度方向不共線的情況；不僅適用于宏觀世界，也適用于微觀世界。正是運用這個規律，康普頓成功地解釋了微觀粒子的散射現象，從此開啟了微觀世界的大門。也正是運用這個規律，科學家們找到了最合適的核反應堆的中子緩沖劑。這說明，我們人類有這樣的潛力，去發現表觀現象中隱藏的規律，并且有能力應用這些規律，從而推動文明的發展，為子孫后代造福。其實，這樣一個物理規律的獲得絕不是在一節課的時間內就能完成的，歷史上幾代科學家都曾經探索和爭論過這個問題。今天，我們只是循著科學家探尋規律的足跡，經歷了其中最關鍵的幾次跨越。

許多科學家，包括伽利略，都曾經嘗試尋找碰撞的規律，然而并沒有成功。最早建立碰撞理論的是笛卡兒，他在《哲學原理》一書中總結了七條碰撞規律，但只有兩條是正確的。笛卡兒關于碰撞在物理學方面的研究雖不深入，但從哲學上為物理學開辟了道路，對當時和后來的物理學發展都有著深遠的影響。此后，惠更斯對碰撞問題進行了更為全面和深入的研究。牛頓，正如他自己所說，更是

“站在巨人的肩膀上”，使碰撞的相關理論更加豐滿……

[設計意圖：把發現的“不變量”規律在一社會生活中的應用展示給學生，讓學生感受到科學與生活、科學與社會發展緊密聯系。通過回顧碰撞規律的物理學史，讓學生明白科學探究的艱辛與堅持。深度挖掘物理學科的人文價值，提升學生的學科意識、良好的思維習慣和積極的品格。]

三、教學評析

本節課給我們留下的最深的印象是：通過高效的實驗探究教學，將物理觀念、科學思維、實驗探究、科學態度與責任等物理核心素養要素的培養落地。

（一）親歷實驗體驗，學會實驗探究

實驗探究是指在真實情境中提出物理問題，形成猜測和假設，利用科學方法獲取和處理信息，形成結論，以及對實驗探究過程和結果進行交流、評估、反思。吳老師抓住實驗探究中的問題、證據、解釋、交流等要素，引導學生經歷尋找碰撞中不變量的過程，讓學生領會實驗探究的基本思路，提升探究意識，培養實驗技能，特別是對于碰撞中的實驗數據處理，更體現出吳老師良好的實驗素養。

（二）引導思考過程，提升科學思維

科學思維在物理學中的突出體現是理想化思維，其內涵是從物理學視角對客觀事物本質屬性、內在規律及相互關系的認識方式，即從對象客體（原型）抽象出來的理想模型，借以揭示對象客體的本質與規律。本節課中，吳老師從生活中常見的碰撞現象中構建了一維碰撞模型，進而提出研究的問題“碰撞前后是否有物理量保持不變”，接著通過討論，明晰“為什么研究”“如何研究”，為學生指明思維的方向。

學生對一維碰撞情境的認知大多是碰撞前后的速度大小之和不變或碰撞前后的速度存在某種數學關系，難以提出物體的質量與速度的乘積是不變量的猜想。吳老師通過設計情境、問題、實驗進行引導，搭建了由淺入深、符合學生認知水平的邏輯猜想臺階，幫助學生展開科學思維。隨后，進行類比和歸納，驗證猜想，層層深入，獨具匠心，使學生的思維發生了兩次跨越，不斷完善自己的認知。學生經歷了基于實驗證據和科學推理，對不同猜想和結論提出質疑、批判的訓練，進而培養了科學思維素養。

（三）借助問題解決，培育物理觀念

物理觀念是學生在反思體驗和實踐應用中將蘊含于具體知識中的物理思想、觀點、方法等抽象概括出來的觀念性認識，是物理學科的研究對象、過程、方法和結果在學生頭腦中整體的、概括的反映。所以，強化知識應用，在問題解決中培育物理觀念素養是重要手段和途徑。

通過實驗探究測量的數據，師生一起分析歸納得出結論：mv和mv2都有可能是要找尋的不變量。然后引導學生繼續分組實驗，研究兩種情況：彈性碰撞和非彈性碰撞。實驗結果表明：彈性碰撞中，mv和mv2都是要找尋的不變量；而非彈性碰撞中，只有mv是要找尋的不變量。進而得到，在所有碰撞中，mv是不變量，即mv是守恒的，為后面守恒定律的建立奠定了實驗基礎，同時也進一步完善了學生的守恒觀，除了能量、電量、質量守恒外，還有動量守恒。

（四）滲透情感教育，樹立科學態度與責任感

探究是不斷地追求真理和修正錯誤，不斷地創新的過程。教學中，實驗探究的定位不僅僅是獲取結論，更是讓學生通過探究過程中的感受和體驗，理解和把握科學方法、科學精神和科學的價值。

吳老師在用實驗數據驗證猜想時，介紹了相對誤差及其計算公式，要求學生計算出對應每個猜想中碰前與碰后的相對誤差，并在相對誤差允許的范圍內總結出實驗結論，體現了實驗的真實性和得出結論的嚴謹性，潛移默化地鍛煉了學生的科學態度。

課尾總結中，通過展示發現的“不變量”規律在社會生活中的應用，讓學生感受到科學與生活、科學與社會發展需要的緊密聯系，意識到自己應承擔一定的社會責任。通過物理學史的介紹，讓學生認識到任何物理規律的獲得都需要反復嚴格的驗證和論證，人類對自然規律的認識是一個逐步完善的過程，領悟到科學態度的核心是求真、實證、創新。