感受科技魅力 發展學生核心素養
——以“光子的力量”教學設計為例

李 萍 李俊鵬

（1.中國農業大學附屬中學，北京 100193；2.北京市海淀區教師進修學校，北京 100195）

1 教學設計指導思想

《普通高中物理課程標準（2017年版）》界定了高中物理的課程理念.注重體現物理學科本質，培養學生物理核心素養.注重課程的時代性，關注科技進步和社會發展需求.高中物理課程在內容上注重與生產生活、現代社會及科技發展的聯系，反映當代科學技術發展的重要成果和科學思想，同時關注物理學的技術應用帶來的社會問題，培養學生的社會參與意識和社會責任感.

這就要求教師們在備課、上課的過程中，不能僅僅著眼于基本知識的掌握、基本規律的理解和應用、基本技能的培養，更要從物理觀念維度幫助學生構建完整的物質觀，深刻理解運動和相互作用觀，從科學思維角度關注基于經驗事實構建物理模型的抽象概括過程，在教學中注重體現物理與科技緊密相連，從科學態度與責任維度培養學生的參與感、獲得感.

2 教學內容分析

“光子的力量”是基于動量定理在微觀世界建構模型的綜合復習專題課.在新高考改革的背景下，我們依據課程標準來指導教學.課程標準內容要求，理解動量定理和動量守恒定律，知道動量守恒定律的普適性，在分析物理問題的過程中，體會自然界的和諧與統一，了解太空物體的碰撞和微觀粒子的碰撞等，拓展對物理世界的認識和理解，深化對物體之間相互作用規律的理解.綜合復習將面對的是學業水平較高要求，理解所學的物理概念和規律及其相互關系，能正確解釋自然現象，綜合應用所學的物理知識解決實際問題.能將真實的實際問題中對象和過程轉換成所學的物理模型，認識到物理研究是一種對自然現象進行抽象的創造性工作.

從近幾年高考來看，動量定理、動量守恒定律都是高頻考點，要求較高，側重與科技前沿、社會熱點問題相關，通過微觀粒子模型的構建和動量定理的應用來解決實際問題.通過動量的觀點，可以將高中力、熱、光、電、原的各個領域整合在一起，簡潔統一.通過動量定理、動量守恒定律探尋科技前沿的秘密，讓動量定理、動量守恒定律成為學生解讀微觀世界、探索新世界的密鑰，從動量的視角看世界.

3 學生學習情況分析

（1）物理觀念方面：學生對光具有波粒二象性有一定的感性認識，掌握了動量與沖量基本概念，對動量定理、動量守恒定律有了較深刻的理解和認識，能夠熟練運用動量定理解釋宏觀世界的運動現象，學生對動量定理、動量守恒定律在微觀世界的應用存在一定的差距，對光子的動量和能量的理性認識有待具體化，對自然界的和諧統一的觀念需要具體的實例進一步豐富認識.

（2）科學思維方面：具有基本的邏輯分析和推理論證能力，有一定的應用數學方法研究物理問題的能力，有一定的構建物理模型的能力.物理觀念是物質基礎，科學思維是核心素養的核心，構建物理模型是科學思維的重要表現.學生對于復雜問題欠缺分層次、分階段的思想方法，欠缺梳理內在邏輯關系的能力.面對陌生的真實情景，學生構建物理模型的能力有待提高，特別是把科技前沿問題的轉換成物理模型的能力，需要繼續提高.

（3）科學探究方面：學生具有一定的科學探究能力，在理論探究方面也具備一定的猜想、分析、論證、數學推導等意識，面對全新的陌生的問題，還需要適當的遷移能力，使得科學探究趨于內化，有待繼續提高.

（4）科學態度與責任方面：學生具有一定的學習物理的興趣和對科學的尊重，對科技前沿、社會熱點有較強的興趣，能夠感受到基礎物理的重要性，但對科技前沿背后物理本質的認識感到高不可攀，不善于運用現有的物理觀念和科學思維，對其本質進行模型構建、科學探究.還應該認知到物理是人類認識自然和發展進步的重要基礎學科，同時感受科技的巨大魅力，增強社會責任感和使命感.

4 教學目標分析

教學目標以模型構建為學習主線，結合具體的知識點和素養發展要求來表述.

（1）通過光壓存在的可能性猜想，明確光具有粒子性、波動性、電磁波的本質，光具有動量、能量；傳播過程中方向發生改變，光子動量發生改變；散射時頻率發生改變，光子動量發生改變，豐富學生的物質觀.

（2）通過理論探究光壓大小影響因素，側重光的粒子性，培養學生模型構建能力，發展學生科學思維.

（3）通過太陽帆面積的可行性評估，進一步提升學生模型構建、運用物理規律解決實際問題的能力.

（4）通過光鑷的探究，再次見證光子的力量，再次培養學生模型構建能力，體會宏觀世界與微觀世界的和諧統一，豐富學生的運動和相互作用觀.

（5）通過激光制冷的設想，將力、熱、光統一起來，使學生感受物理學統一和諧、簡潔之美；從波粒二象性的角度解釋“絕對零度無法達到”，促進學生形成全面的物質觀.

（6）通過對太陽帆、光鑷、激光制冷的了解，感受大國重器的魅力，提高學生科學責任感和使命感，浸潤心靈.

5 學習過程設計

本節課是動量守恒定律專題復習“粒子流模型”中的最后一節課.單元核心知識就是動量定理的碰撞模型，構建不同的表現形式，加深理解運動和相互作用觀.如圖1所示.

圖1 粒子流模型專題復習

本節課共分兩部分：一是探究光子的力量；二是見證光子的力量.從實踐上升到理論，探究光子的力量；再將理論運用到實踐中，見證光子的力量，符合學生的認知規律.教學結構圖如圖2所示.

圖2 “光子的力量”教學結構圖

根據皮亞杰建構學習理論，學生在學習過程中學習意義的獲得，是每個學習者以自己原有的知識經驗為基礎，對新信息重新認識和編碼，建構自己的理解.教師是教學的引導者，并將監控學習和探索的責任也由教師為主轉向學生為主，最終要使學生達到獨立學習的程度.

光子的力量與其他模型不同之處在于：水、空氣、離子、分子都是實物或實物粒子，有質量，1個粒子的動量可以用p=mv來表示，和宏觀物體的動量表達相近.大量的粒子表現出的作用力，宏觀表現往往與“體積”或“總質量”有關，學生比較容易遷移.而光子不是實際存在的實物粒子，沒有靜止質量，大量光子表現出的作用力，宏觀表現往往與“光強”“受力面積”有關，這一點學生在知識遷移過程中，有一定的困難.所以，在教學上設置合適的問題，選用合適的視頻等教學資料，能夠起到事半功倍的效果，幫助學生能力的遷移、思維品質的提升、核心素養的形成.

6 主要教學活動設計

教學流程圖如圖3所示.

圖3 “光子的力量”教學流程圖

6.1 以核心問題引領科學探究

（1）觀看視頻資料：我國首次完成太陽帆在軌關鍵技術驗證，天帆一號試驗成功（如圖4所示）.

圖4 “天帆一號”在軌試驗成功

（2）光子的壓力是如何產生的？

（3）影響光壓（壓強）大小的因素有哪些？

（4）光壓產生與氣體壓強產生相比，模型建構、微觀本質、宏觀表現有哪些相同點與不同點？

6.2 以核心任務發展科學思維

解決實際問題：太陽帆面積可行性評估.

問題：利用太陽光的“光壓”為探測器提供動力，將太陽系中的探測器送到太陽系以外，這就需要為探測器制作一個很大的光帆，以使太陽光對光帆的壓力超過太陽對探測器的引力，不考慮行星對探測器的引力.假設帆面始終與太陽光垂直.光帆能將太陽光全部吸收，（引力常量G、太陽質量M，太陽帆質量m、太陽輻射功率P已知），求太陽帆面積滿足的條件.

圖5 太陽帆推動航天器

6.3 以科技創新發展科學思維

創新思維：光鑷的設計.

（1）問題：激光束可以看作是粒子流，其中的粒子以相同的動量沿光傳播方向運動.激光照射到物體上，在發生反射、折射和吸收現象的同時，也會對物體產生作用.一束激光經S點后被分成若干細光束，穿過一個介質小球.已知光束①和②強度相同，圖中O點是介質小球的球心，入射時光束①和②與SO的夾角均為θ，出射時光束均與SO平行.若不考慮光的反射和吸收.請作圖分析.

如圖6所示，請你以某一長度的有向線段表示光子的動量.

圖6

（a）畫出光束①通過介質小球過程中光子動量變化量；

（b）畫出光束①因折射受到介質小球對光束施加力的大致方向；

（c）畫出兩束光光子對介質小球的作用力合力的方向；

（d）分析說明，如果介質小球只受到兩束光子的作用，將會怎樣運動（如圖7所示）？

圖7

（e）分析說明，如果向上移動介質小球，小球受力將如何變化？

（2）觀看光鑷視頻資料，見證光子的力量.

（3）請你展開想像的翅膀：激光能給物體制冷嗎？

（4）觀看視頻：大國重器——上海光源所.

7 學習效果反饋性評價

針對物理學科核心素養的4個方面，高中物理學業質量劃分了5個水平層級.教師在制定評價方案時，要針對學生的情況和發展需求，選擇適當的水平層級命制或選取評價的問題.學生在本節課學習時，將面對高考，因此題目應以學業水平3、4的要求為主，對比較優秀的學生，可以選擇水平5的問題.下面以一個例題說明.

例.一臺功率為P0的激光器發出一束激光，光束的橫截面積為S.假設該激光束垂直照射到某物體表面，光子的頻率是ν，已知普朗克常量為h，光速為c，則在時間Δt內，求：

（1）激光束發出的光子總能量E；

（2）激光束發出的光子總個數N；

（3）一個光子的動量p；

（4）假設光子全部被吸收，激光束在物體表面產生壓力F1；

（5）假設光子全部被反射，激光束在物體表面產生壓力F2；

（6）假設光子一半被吸收、一半被反射，激光束在物體表面產生壓力F3；

（7）以上3種情況下，激光束在物體表面產生壓強p光；

（8）光壓與哪些因素有關？與哪些因素無關？

（1）-（3）小問屬于基本概念規律的考察，初步了解所學的物理概念和規律，能解釋簡單的自然現象，解決簡單的實際問題，屬于學業水平1、2的層級；（4）-（6）小問主要考察模型構建，能在熟悉的問題情境中根據需要選用所學的恰當的模型解決簡單的物理問題：能對常見的物理問題進行分析和推理，獲得結論并作出解釋，屬于學業水平3、4的層級；（7）（8）小問，能清晰、系統地理解物理概念和規律，能正確解釋自然現象.綜合應用所學的物理知識靈活解決實際問題，屬于學業水平五的層級.

8 教學設計反思

從整體上看，本節課教學設計符合學生核心素養的課程改革理念.探究光子的力量，光子具有波粒二象性，以電磁波的形式傳播，這些都是物質性的表現；光壓的產生是光與物質的相互作用，在相互作用中完成能量和動量的傳遞與交換，這些都是物理觀念的具體表現；通過模型構建解決實際問題，結合類比、對比的方法，運用邏輯推理等物理思想和方法，培養了學生的科學思維；理論探究也培養了學生的探究能力；中科院上海光源所作為大國重器為我國微操控領域提供技術保障，“天帆一號”標志著我國航天人在航天領域的新突破.這些都能對學生進行很好的德育教育.太陽帆、光鑷、激光制冷等科技前沿問題，不僅讓學生感受到科學的魅力，而且也培養了學生科學態度與責任感.通過問題或多種活動的設計，讓每一個學生主動參與到每一個學習過程，落實核心素養基于課堂上真實問題情景中自然而然地發生和實現.學習物理是從內部而生發的，愛國主義情感培養、德育教育也是浸潤式的，不是聽見，而是情感的觸動.在教學中，物理教師要建立大物理觀念，做科學教育，在有限的時空觀里給學生留下科學的圖景.

總之，只要再想深入一些，嘗試著去做，堅持做，世界就會不一樣.