通過“層進式問題串”培養(yǎng)學生的科學思維
——以動量守恒定律教學片段為例

岳 鵬

(中山市華僑中學 廣東 中山 528400)

1 引言

學科核心素養(yǎng)是學科育人價值的集中體現(xiàn)，是學生通過學科學習逐步形成的必備品格和關鍵能力．物理學科核心素養(yǎng)包括“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態(tài)度與責任”4個方面．其中科學思維主要包括模型構建、科學推理、科學論證、質疑創(chuàng)新等要素[1]．核心素養(yǎng)是后天教育教學培養(yǎng)的結果，而課堂教學，尤其是新課的教學是落實核心素養(yǎng)的關鍵所在．

“層進式問題串”是指在一定的學習范圍或主題內，圍繞一定目標或某一中心問題，按照一定邏輯結構精心設計的一組有梯度的問題，其主要特征表現(xiàn)為：使學生成為問題情境中的角色，培養(yǎng)學生分析問題、構建模型、解決問題的意識和能力，促進學生發(fā)展[2,3]．本文以人教版“動量守恒定律”的課堂教學片段為例，簡要闡釋如何通過“層進式問題串”培養(yǎng)學生的科學思維．

2 教學設計思路

在人教版教材的設置中，本節(jié)課位于第十六章第3節(jié)．前兩節(jié)學生已經通過實驗探究了碰撞中的不變量，而且知道了動量和沖量的概念，所以本節(jié)課的重點是理論探究．而理論探究必然涉及到模型構建、科學推理、證據(jù)、質疑創(chuàng)新等要素，這對培養(yǎng)學生的科學思維非常重要．故本節(jié)課的育人目標就是培養(yǎng)學生的科學思維．

創(chuàng)造恰當?shù)那榫匙寣W生圍繞問題進行探索，既能作為課堂教學實施的有力保障，又能調動、啟發(fā)學生積極思考、發(fā)現(xiàn)問題，促進教學的有效性[4]．在物理教學中，把物理觀念和科學思維，用于分析、解決生活中的問題，可以有效促進物理核心素養(yǎng)的養(yǎng)成[5]．本節(jié)課的教學，筆者側重實際情境的創(chuàng)建及相關問題的討論、解決．結合普通高中物理課程標準(2017年版)中物理學科核心素養(yǎng)的水平劃分，筆者制定了各教學環(huán)節(jié)中科學思維要素的學習目標[6]，如表1所示.

表1 教學環(huán)節(jié)與科學思維水平目標細化表

3 課堂教學設計

3.1 利用“問題串”有效導入

因為動量守恒定律的條件表述涉及到系統(tǒng)、內力、外力等概念．故在課堂導入階段應創(chuàng)設適當?shù)那榫常ㄟ^一系列的問題引導，讓學生感受到研究的問題涉及到多個物體、多個對象，這時，必須建立一套規(guī)范的概念和語言，使得系統(tǒng)、內力、外力等概念的建立不生硬，不突兀．本環(huán)節(jié)筆者利用了滑板游戲：首先，請一位學生站在滑板上(為保證安全，請一位會玩滑板的學生)．

問題1：這位同學站在滑板上，怎樣才能使他和滑板朝某個方面運動起來？(請該學生示范)

問題2：如果他不借助周圍的物體，能不能使他向某個方向運動起來？(請該學生嘗試)

對問題1涉及到的情境，學生們非常的熟悉，“用腳蹬地、推他一下”等答案學生們都能脫口而出．接著拋出問題2，學生們發(fā)現(xiàn)如果不借助周圍的物體，只能兩邊來回晃動，不能朝一個方向運動．這兩個問題使學生在非常熟悉的情境中出現(xiàn)了平時未思考過的問題，引起了老情境和新問題之間的沖突，能夠激發(fā)學生進一步探究的欲望和興趣．此時，引導學生們用自己的話更簡潔地得出結論，必須借助 “外力”才能使人和滑板向某個方向運動．教師需注意，此時學生口中的“外力”是脫口而出，未經深刻思索和規(guī)范的．教師應順勢引導，建立“系統(tǒng)”“內力”“外力”的規(guī)范概念．

問題3：如何判斷一個力是內力還是外力？

對該問題，要給出幾個實例讓學生判斷，強化規(guī)范：如果施力物體是系統(tǒng)內的物體，這個力就是內力．施力物體為系統(tǒng)外的物體則該力為外力．

通過以上3個問題，有效地對課堂進行了導入，而且為接下來動量守恒定律的理論探究奠定了相關概念的基礎．

3.2 利用“問題串”建立模型

在“單人滑板游戲”的基礎上，創(chuàng)設新情境：“雙人滑板游戲”．讓兩個站在滑板上的學生互推，請學生們觀察并思考．

問題1：互推后他們向哪個方向運動？

問題2：誰運動得更遠？

互推后兩個學生向相反的方向運動，經學生觀察得出質量小的學生運動得更遠一些．說明“質量”和互推后獲得的“初速度”是有關系的，質量m小，初速度v大一些，質量m大的，初速度v小一些．以上是學生根據(jù)觀察得到的證據(jù)，而科學思維要求學生能基于證據(jù)大膽從不同角度思考問題．在這個時候教師要引導，能不能從質量m和速度v的乘積，也就是動量角度來研究這個問題？進而引出本節(jié)課的重點：如果把他們看成一個系統(tǒng)，系統(tǒng)總動量的變化滿足什么規(guī)律？目前面臨的是一個實際問題，而實際問題涉及到的東西比較多，較為復雜．此時，就需要引導學生從實際情境中抽象出物理模型．

問題3：能否從滑板上兩個同學的互推情境中，抽象出一個簡單的物理模型？

課程標準要求學生要具有建構模型的意識和能力，而在實際中教學中，如果教師不引導，學生是很難主動具有這個習慣的，教師經常引導，學生才能逐漸形成主動建構模型的習慣和能力．此處，還是需要教師主動點明要求．教師應強調，在人教版教材中有這樣一句話：“原來連在一起的兩個物體，由于具有相互排斥的力而分開，這也是一種碰撞．”所以剛剛這個“雙人滑板游戲”可以看成一個“碰撞過程”．至此，基于實際情境建構物理模型的過程完成．

3.3 利用“問題串”理論探究

圖1

問題1：兩個小球在碰撞過程中各受到什么力的作用？

問題2：對兩個小球組成的系統(tǒng)，哪些力是內力，哪些力是外力？

問題3：兩個小球在碰撞過程中所受到的作用力F1和F2有什么關系？

學生推導過程

F1=-F2

將上式聯(lián)立整理得

這樣經過層層問題的鋪墊和引導，學生很容易自主推導出以上表達式．教師應對該表達式進行簡單的說明：由于兩個物體碰撞過程中的每個時刻都有F1=-F2，因此上式對碰撞過程中任意兩時刻的狀態(tài)都適用，也就是說系統(tǒng)的動量在整個過程中一直保持不變．因此我們說這個過程中動量是守恒的．

需要注意的是，此時只是推導出了上述模型中系統(tǒng)總動量滿足的表達式，還沒有歸納出動量守恒定律．物理規(guī)律都是有邊界的，學生對規(guī)律的邊界把握不好就容易出現(xiàn)問題，這也是本節(jié)課的難點所在．在高中物理學習的過程中，尤其是到了后期，各種守恒的條件堆在一起以后，學生很容易混亂．究其根本是在新課學習的過程中囫圇吞棗，沒有真正理解守恒的意義和邊界條件．對比，筆者設置了以下“問題串”.

問題5：是不是任何碰撞，系統(tǒng)的總動量一定不變？

這個問題是學生在后期非常容易出現(xiàn)錯誤的地方，也是新課學習中一定要突破的點．針對此問題，筆者設置了簡單的小實驗：用手按住一個小車，快速推出另外一輛小車與其發(fā)生撞擊．學生很容易觀察到在該碰撞過程中，兩個小車的總動量明顯是不守恒的．接著再拋出問題6.

問題6：在剛才的碰撞實驗中，兩個小車的總動量為什么不守恒呢？

學生非常容易回答出：因為用手按住了小車．學生的表達往往比較直接，缺乏進一步的挖掘．此處，教師應進一步引導學生用本節(jié)課建立的規(guī)范語言再次回答：因為系統(tǒng)受到了外力，外力對系統(tǒng)的運動情況產生了影響．也說明在碰撞過程中，如果外力對系統(tǒng)的運動產生影響的時候，系統(tǒng)的總動量是變化的．

問題7：那么系統(tǒng)的動量在什么情況下保持不變呢？

在問題6的基礎上，學生就比較容易回答了，條件是：系統(tǒng)不受外力．但教師要注意，物理規(guī)律的得出不能僅靠一個實驗，要綜合多種證據(jù)才能大膽總結．此處建議引導學生結合第十六章第1節(jié)“探究碰撞過程中的不變量”的幾個實驗案例，第1節(jié)實驗案例中的實驗裝置“氣墊導軌”“光滑水平面”都有一個共同的特點，保證系統(tǒng)水平方向不受外力，即系統(tǒng)的外力矢量和為零．在這種實驗裝置下，探究出碰撞中的不變量就是動量．

問題8：能否自己歸納出系統(tǒng)動量守恒的條件？

在以上多種證據(jù)的基礎上，我們就可以大膽總結了：如果一個系統(tǒng)不受外力，或者所受外力的矢量和為零，這個系統(tǒng)的總動量保持不變．到這里，通過“問題串”學生已經自己說出了動量守恒定律的內容．教師應給予及時肯定，增強學生信心．

剛剛學生已經文字表述了動量守恒定律的內容，而該表達式就是把文字語言變成數(shù)學語言．教師應該進一步引導，所謂的守恒，換成數(shù)學語言就是任意兩個時刻都是相等的．所以該表達式左邊代表一個時刻，右邊代表一個時刻，任意兩個時刻系統(tǒng)總動量總是相等．在應用的過程中，應該選擇兩個時刻，求出前后總動量，然后列等式．這也就是動量守恒定律的“同時性”．

問題10：現(xiàn)在能否解釋“雙人滑板實驗”中為什么質量小的同學運動得更遠？

最后前后呼應，解決課堂導入時的問題．

經過以上一系列的問題，學生才能真正理解動量守恒定律的內容和邊界條件，完成文字語言和數(shù)學語言的統(tǒng)一．在“層進式問題串”的引導下，學生才可以找到思維的方向，思維的過程才得以開始.能夠建構模型、根據(jù)證據(jù)科學推理、科學論證、質疑和創(chuàng)新這就是科學思維的過程．關于動量守恒定律的矢量性、相對性、普適性以及應用問題本文不再贅述．

4 結束語

物理是一門以實驗為基礎的科學，而科學思維則是物理的靈魂．科學思維是基于事實證據(jù)和科學推理對不同觀點和結論提出質疑和批判，進而提出創(chuàng)造性見解的能力與品格．應用“層進式問題串”進行教學，是一種有效的教學方法，教師通過一系列的 “問題串”能使學生的思維清晰，更深刻地理解其正在探究的問題，領悟探究活動的精髓[2]，也是落實物理核心素養(yǎng)培養(yǎng)的有效途徑．而且，“層進式問題串”，符合建構主義學習理論中“最近發(fā)展區(qū)”的要求，每一個問題都是學生跳一跳能夠夠得著的目標，科學地為學生搭建了“腳手架”，增強了學生學習物理的信心．物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)是一個長期的過程，作為物理教師，應該不斷的探索，思考、實踐，更好地引導學生走向更高人生的巔峰！