基于物理學科思維能力驅動的教學設計
——以動量定理教學為例

福建 鄭行軍

近幾年隨著基于核心素養的新課程標準逐步推進，使得課堂教學模式也發生了明顯的轉變。探討如何把物理學科思想有效融合到課堂教學實施中時，在情境創設、課堂互動探究、回歸生活實際和設問答疑等教學環節里應該讓學生在多元環境中把握物理觀念、科學思維、科學探究和科學態度等核心思想的內涵，完成物理知識的內化，是新課程標準下物理學科改革的一項重要內容。

在教學過程中教師必須堅持以傳授科學知識及其技能為基礎，以培育科學態度、情感與價值觀為主導，以發展學生創新精神、養成應用科學方法的行為和習慣為重點，以了解科學、技術與社會的關系為背景，滲透科技意識，從而提高學生的科學素養和創新精神。下面以中學物理《動量定理》為例，簡要分享基于核心素養條件下物理教學模式的構建及教學評價過程。

一、教學目標設計

教學目標要圍繞培養學生的核心素養展開，具體分為物理觀念、科學思維、科學探究和科學態度與責任四個維度，各個教學目標并不是孤立的，而是互相滲透、彼此關聯的，需要綜合體現在課程的教學內容和學生學情上。從教學內容上看，動量定理側重于力在時間上的累積效果，為解決力學問題提供了新的途徑，這一節課可視為牛頓力學的進一步展開，同時又為后面的“動量守恒定律”奠定了基礎，深化了物理學的守恒思想；從學情上看，學生在學習了高一的牛頓運動定律知識后，已經建立了力和運動關系的知識儲備，可以利用原有的認識結構嫁接新知識體系建構，通過觀察激發興趣及好奇心，結合實驗、推理引導學生利用物理現象自然過渡到新知識點上。

(一)物理觀念

學生能通過親歷情境感受“追尋守恒量”的思想，認識到物體運動中的守恒量是動量，理解動量變化的原因是力的沖量。

(二)科學思維

學生能基于生活中的情境建構較為抽象的物理模型；能正確使用物理思維方法，從定性和定量兩個方面進行科學推理、找出動量變化與F的關系、推導動量定理；能解釋各種“緩沖”的實際問題。

(三)科學探究

通過實驗現象探尋影響動量的可能因素；綜合實驗與理論相結合的方法推導驗證動量定理，通過實驗助推知識的深度理解。

(四)科學態度與責任

通過創設“雞蛋落地”的生活情境激發學習興趣，體會從生活到物理，再從物理回歸生活的課程理念；教師通過不斷引導教學，使學生理解如何運用物理規律去探究物體運動的本質，樹立科學的世界觀和方法論，體會物理學的價值。

二、教學過程設計

(一)教師演示雞蛋落地實驗，提出學習主題

設計意圖：激疑啟發，提出問題，讓學生帶著問題進入新課教學。

【實驗1】桌面上放一塊木板，讓雞蛋從某一高度自由下落，學生觀察雞蛋落到木板上發生的現象——雞蛋破碎。

【實驗2】請三位同學上臺，其中兩位同學在同一水平位置一起抻開同一塊毛巾，另一位同學讓雞蛋從與實驗1中的同一高度自由下落，學生觀察雞蛋落在毛巾上的現象——雞蛋完好無損。

教師提出問題：為什么雞蛋落在木板上會破碎，而落在毛巾上卻完好無損呢？

(二)運動守恒概念形成

1.教師論述引入動量概念的物理意義

設計意圖：以問題研究為抓手，提出動量及動量定理，樹立以解決實際問題為中心的物理學核心價值。

教師講述：古代科學家在研究物質結構和物理規律時，就發現在自然界存在很多的守恒現象，如能量守恒、質量守恒、電荷量守恒等等，當時就推測是否物體的運動也存在守恒現象呢？例如，自由滑行的物體、水中上浮的小球，最終都會停下來，那么自然界所有的物體是否最終也會停下來呢？經過科學不斷的觀測，發現宇宙中所有物體的運動并沒有減弱的跡象。因此，科學家認為宇宙中物體系統運動的總量不會減少，只要能找到一個合適的物理量來度量，就會看到運動守恒現象。

2.實驗探究

設計意圖：從熟悉的生活場景中認識自己不熟悉的、抽象的物理學知識，使學生深刻認識物理來源于生活，可以使學生更直接、更形象地體會動量與物體質量和速度之間的關系，建立科學的物理探究觀(實驗→歸納→總結)和方法論(控制變量法)。

教師實驗演示探究哪些物理參量會影響物體的運動效果：

①將小球放入豎直筒中，壓縮彈簧到某一位置，觀察：釋放彈簧彈開過程小球上升的高度(如圖1甲、乙所示)

教師分析：彈簧彈開過程中，產生一個初速度使小球向上運動，運動效果的明顯與否可以通過小球上升的高度來判斷。

甲

②增大彈簧開始時的壓縮量，觀察：彈簧彈開后小球上升高度的變化——球會上升至更高的高度。

教師分析：增大彈簧的壓縮量，彈簧會對小球產生一個更大的作用力，小球由此會產生更大的初速度，上升到更高的高度，產生更明顯的運動效果。

教師總結：物體的運動效果與速度有關。

③將小球和砝碼束縛在一起，增大物體的質量，球仍從步驟①的位置開始釋放，觀察小球和砝碼上升高度的變化——球上升的高度比第一次低。(如圖2所示)

圖2

教師分析：物體運動效果與物體的質量也有關系。

教師總結：物體的質量與速度都會影響物體運動的效果，物理學中把物體質量和速度的乘積定義為動量。

(三)動量定理的推導與驗證

設計意圖：通過構建理想物理模型，引導學生從各種復雜的條件信息中提取物體的共同屬性，由舊知識牽引出物理表象的本質規律，實現由具體到抽象思維的躍升，完成知識內化。

1.動量定理的推導

教師以舊模型為抓手，通過新舊知識的銜接建構動量的知識體系，實現知識、思維的平滑過渡。

教師舉例：滑塊放置于粗糙的斜面上由靜止開始勻加速下滑，經過位置A時，速度大小為v1，經歷時間t經過位置B時，速度增大為v2(圖3)，分析滑塊動量的變化與哪些因素有關。

教師推導：(結合牛頓運動定律和運動學公式)

圖3

對滑塊受力分析，根據牛頓第二定律得

ma=mgsinα-μmgcosα

聯立得(mgsinα-μmgcosα)t=mv2-mv1

教師總結：動量的變化量與物體受到的力有關，還與力作用的時間有關。定義力與時間的乘積為沖量，即物體所受合力的沖量等于動量的變化量，這個結論叫做動量定理。

教師拓展：動量定理與動量守恒的關系。對于系統而言，當合力沖量為零時，由動量定理可判斷出物體的動量始終不變，即動量守恒，故動量守恒可認為是動量定理的一個特例，在學習動量守恒之前必須先學習動量定理，這是研究守恒的前提。

教師設疑：既然利用牛頓運動定律可以推導出動量定理，那為什么學了牛頓運動定律還要學習動量定理呢？

教師詮釋：假設離地球很遠的位置有一顆超新星發生爆炸向四周發射光束，當光到達地球時，會給地球一個輕微的推動作用，而地球卻無法給超新星一個反作用力，因為超新星已經消失了，此時牛頓第三定律已不再適用。但從運動守恒分析這個現象仍然是成立的，超新星發射光時，光得到了動量，到達地球時，光把動量傳給了地球，整個運動仍然守恒。

牛頓運動定律只是研究了力和運動之間的關系，無法體現守恒思想。在分析運動守恒關系時，應運用動量定理而不是牛頓運動定律，因此，動量定理應用范圍更廣泛，這就是動量定理的核心價值。

2.動量定理的探究實驗

設計意圖：教師解釋實驗原理，通過類比探究機械能守恒定律的實驗，指出裝置的內涵不在裝置表象，而在于裝置所承載的物理問題，引導學生以問題觸發為前提，實現思維拓展和遷移。

教師遷移：若不測量距離h，而是測量出點A到B的時間間隔t，則重錘受到的合力沖量為mgt；動量變化量Δp=mv2-mv1，通過判斷mgt與Δp間的大小關系，實驗裝置則可以轉換為探究動量定理。

實驗相關數據表格

次數A到B的時間tA點B點y1v1y2v2合力的沖量mgt動量的變化量mv2-mv1123

學生根據裝置的實驗原理開展分組實驗，測量采集數據分析計算，自主、合作探究得出動量定理成立的結論，加深對定理的理解。

圖4

(四)動量定理的應用

設計意圖：引導學生運用構建的知識體系，分析“雞蛋落地”問題，提升學生運用新知識解決實際問題的能力，再引入不同的實際生活情境，讓學生學會從不同的物理表象中探尋物理本源問題，實現知識的內化，培養學生的分析能力。

教師分析：雞蛋從同一高度靜止下落，到達接觸面時具有相同的速度v，前后兩次作用的時間不同，落在毛巾上經歷更長的緩沖時間，根據動量定理可知(F-mg)t=mv，時間t越長，則接觸面對雞蛋的作用力越小，故雞蛋不易破裂(圖5)。

圖5

教師繼續深入研究實際生活情境，學生觀看視頻，研究視頻中物體的運動，從動量定理的角度分析運動原因。

教師播放視頻：

1.跳高視頻(圖6)

圖6

教師提問：運動員落地為什么要落在軟墊上？

學生回答：與直接落地時相比，落在軟墊上會延長力的作用時間，根據動量定理可知，軟墊對運動員的作用力比較小，可以保護運動員不受傷害。

2.雙手胸前傳接球視頻(圖7)

圖7

教師提問1：學生接球時為什么雙手彎曲？

學生回答：雙手彎曲時可以延長接球時間，減小球對人的作用力，減小球對人體的傷害。

教師提問2：學生傳球時，為什么雙手回收后再將球傳出？

學生：回收后再發球可以延長人對球的作用時間，使球獲得更大的初速度，運動更遠。

三、教學感悟與啟示

基于核心素養的教學模式使得課堂教學的實際效果從原有知識、技能傳授內化至思維層次的學習，讓學生的知識、技能和思維的提升能夠最大程度得以展現，具體實施可以把握以下幾點：

(一)創設生活化情境，實現物理新授課導入。

物理知識的顯著特點就是情境生活化，生活中的很多現象和規律都與物理息息相關。因此，將模擬學生在日常生活中常見的物理情境作為課堂知識導入，讓學生知道知識就在身邊，能激發學生的學習熱情，使課堂充滿生命活力。如課堂實際演示日常生活常見現象：雞蛋落地。通過展示雞蛋從高空落下完好無損的現象，與學生“雞蛋落地很容易摔破”的生活經驗產生沖突，使教學引入得以“破解”并順利展開，可見新課導入生活化的重要作用與價值。

(二)重視探究式教學模式，培養學生學科素養。

探究式教學模式可以激發學生積極的探究情感。在物理學科中探究式教學是利用探究的形式進行科學內容的教學，使學生更好地理解科學過程的探究特征，為科學抽象和實際情境構建出一條橋梁和紐帶，在不斷地探究中完成知識內化，加強物理探究的思維模式和方法訓練。

(三)在理論推導中實現物理思維的訓練，深化學生學科素養。

物理學的基本特點要求教學應當重視理論推導，這種理論推導需要學生具有較強的物理思維能力和運算能力。通過構建理想化模型情境，使學生在教師的引導下分析物理量之間存在的定量關系，這樣整個過程脈絡清晰、環環相扣，從而使學生深刻地體驗到科學方法的效果和魅力，并自然地訓練學生的各類思維。

(四)重視變式教學和價值，滲透延展學生思維維度，提升學生學科素養。

動量定理蘊含的物理意義需要學生全面透徹地理解和運用，新授課中的變式探究就顯得尤為重要。在新課教學中通過原始物理問題的設置，可以讓學生的直覺思維、抽象思維等思維能力得到發展，從而提高解決實際問題的能力，實現物理變式教學生態化的落腳點；利用物理學史問題的研究，讓學生了解嚴謹的科學態度和循序漸進的科學探索觀，引領學生形成正確的科學態度；在定理的推演過程中通過與牛頓運動定律的對比界定兩者的區別與聯系，以及明確定理在不同情況下的運用方法，從而達到明晰定理內涵、完成知識遷移的目的。通過變式教學構建由易到難、由抽象到生態化的系統平臺，使學生思維方法的訓練可以有序展開和逐步提升，從而突破物理思維障礙。

高中物理作為高中教育教學體系中必不可缺的組成部分，對于學生的綜合發展起到了十分重要的作用。在新的課程標準和考試評價體系的大前提下，教師需要深刻領會其內涵，根據相關的原則要求，采取切實可行且高效的教學策略，提升物理教學的質量。

基金項目：福建省教育科學“十三五”規劃課題“基于數理學科融合的可視化教學研究”(課題批準號：Fjjgzx19-008)。