通過“腳手架”理論建構物理模型的探索

摘? 要：在“碰撞”的課堂教學中，滲透物理學科素養的培養，引導學生建立物理觀念，發展科學思維、通過搭建合適的腳手架，進行科學探究，培養學生良好的科學態度與責任，促進學生形成良好的知識結構，保證教學目標的順利達成。利用“5點量表”的心理測量方法，對課堂教學設計的效果進行測量，檢驗教學設計的效果，為碰撞的物理教學提供一般方法。

關鍵詞：物理學科素養;腳手架;碰撞;物理模型

一、問題提出

“碰撞”是動量守恒定律的重要應用，在人教版選修教材中，通過前三節的教學鋪墊，首先通過提出問題、通過進行猜想和驗證假設，通過實驗探究讓學生體驗探究自然規律的過程，進而引導學生發現碰撞中的不變量，建立動量的概念，并挖掘出動量定理和動量守恒定律。在第四節的編排上，基于學生的認識，教材首先提出了兩物體碰撞過程遵循動量守恒定律，并在此基礎上通過思考與討論引導學生探究一維碰撞過程能否遵從能量守恒定律，從而引入彈性碰撞、非彈性碰撞的概念，希望學生能夠應用相關規律解決實際問題。

教材在編排上預設了一條邏輯主線，讓學生目睹了整個探究過程，但教學過程是動態的，需要學生的主動參與和積極探索，因此，需要在教學上為學生搭建“腳手架”，促使學生憑借已有的知識、經驗和能力，完成知識的構建。

在教育心理學領域中，“腳手架”理論起源于維果茨基的“最近發展區”的學習理論。維果茨基將兒童認知的發展劃分為兩種水平：一是兒童實際的學習水平，即兒童已經掌握的知識及技能水平;二是潛在的學習水平，即兒童即將達到的發展水平。維果茨基把兩種水平之間的差異稱之為“最近發展區”。它表現為“在有指導的情況下，憑借成人的幫助所達到的解決問題的水平與獨立活動中所達到的解決問題的水平之間的差異” 。

由外界提供的幫助即“腳手架”，腳手架在教學領域可能是一種教學策略或教學工具，伴隨著學生學習能力的逐漸提升，讓其承擔更多的學習責任，最后主導學習，并通過學習建構出屬于自己的知識。換言之，處于實際發展層次的學習者，通過教師搭建的“腳手架”，跨越最近發展區，最終達到潛在的發展層次。

筆者以碰撞為例，通過本節課的學習，引導學生運用已有的知識，使學生從具體的物理情境中進行科學的探究，主動建構新的物理模型，通過搭建合適的腳手架，更好的滲透物理學科素養。

二、教學思想與教學設計

（一）教學思想

教育部發布的《全面深化課程改革，落實立德樹人根本任務的意見》中提出“繼續推進課程改革，全面深化教育發展，要將學生發展核心素養體系作為教學的關鍵環節”。核心素養指出了教育的根本目的——育人，具體到高中物理學科，核心素養主要包括物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任四個維度的內容，希望能夠培養出優秀的物理人才。

在“碰撞”新授課的教學中，實施符合學生核心素養的物理教學，能有效地促進學生利用已有知識主動構建新的物理模型。

（二）教學目標設計

（1）認識彈性碰撞與非彈性碰撞，了解不同碰撞類型間的共性和區別（物理觀念）。

（2）會用動量、能量的觀點建立一維碰撞模型（科學思維）。

（3）能推導兩個物體發生一維碰撞后的速度（科學探究）。

（4）通過自主分析的過程，培養學生積極探索、應用理論解決實際問題的能力（科學思維與科學探究）。

（5）通過感受不同碰撞的區別，應用動量、能量的觀點綜合分析問題，培養學生勇于探索的精神（科學態度與社會責任）。

（三）教學流程

三、教學問題的解決與實施

（一）由熟悉的物理情境入手，引出物理問題

在物理教學中，通過學生熟悉的生活化的物理情境，與物理問題發生聯系，激發學生的學習的主動性。在“碰撞”的教學過程中，需要通過一個鋪墊和遷移來達成目標。

鋪墊：通過演示豎直面內兩小球的碰撞，分析系統是否遵循動量守恒定律。由于在豎直面內兩小球在水平方向上碰撞瞬間內力遠大于內力，故系統動量守恒。然后通過進一步的探究，播放視頻，斯諾克比賽中的兩個臺球在水平面相碰的瞬間，此時桌面有摩擦，但由于碰撞瞬間內力遠大于外力，因此，水平面內的碰撞也遵循動量守恒定律。通過發掘碰撞過程的共性進一步提問題：碰撞過程一定滿足動量守恒定律，一定滿足機械能守恒定律嗎？

（二）通過一動碰一靜的模型分析探究引入完全非彈性碰撞

從“完全非彈性碰撞”到“彈性碰撞”需要一個過渡，教學中需要根據學生已有認知設置物理情境，進行鋪墊。

鋪墊：設計一個“質量相等、一動碰一靜、碰后不分開”的問題。

例題1：如圖2所示，兩個物體的質量都是m，碰撞以前一個物體靜止，另一個以速度v向它撞去。碰撞以后兩個物體粘在一起，成為一個質量為2m的物體，以速度v? 繼續前進，這個碰撞過程機械能守恒嗎？

思考：碰撞中系統動量守恒嗎？

機械能有哪些形式？此題中機械能指的什么？

引導鋪墊的思考過程：

系統動量守恒，可以列出方程嗎？

碰撞前后系統的機械能分別指的是什么？

在分析機械能是否守恒時，回顧機械能包括：動能和勢能，本題中，主要是動能，因此，在探究機械能是否守恒時主要比較的是碰撞前后的動能是否相等。通過分析，給出解題的格式：

請一位同學上黑板演示解題過程，展示解題過程，進行點評。通過這個鋪墊初步達成目標，引入完全非彈性的核心概念。

（三）利用前面的鋪墊解決“質量相等、一動碰一靜、碰后分開”，引入非彈性碰撞

例題2：如圖3所示，兩個物體的質量都是m，碰撞前一個物體靜止，另一個以速度v向它撞去。若被碰物體的速度變為? ? ? ?，求：另一個物體的碰后速度及系統損失的機械能。

思考：碰撞后系統的動量守嗎？

碰撞前后的機械能分別指的什么？

引導鋪墊的思考過程：

碰撞前后系統動量守恒，所以可確定另一物體的速度。

碰撞前后系統的機械能分別指的什么？

由此想到，碰撞后系統的機械能包括了兩個物體具有的動能之和，

只要確定另一物體的速度就可以確定碰撞后系統的機械能。

根據第一個例題的鋪墊，這個碰撞過程仍然可以按照上題的思路去分析，給學生時間進行思考和計算，并進行點評。

通過視頻展臺展示有代表性的解題示范，進行點評，發現學生容易出現的思維誤區，適時引導。通過以上的鋪墊引入非彈性碰撞，并與完全非彈性碰撞加以比較，利用視頻直觀觀察完全非彈性碰撞的特點，進行概念區分，并引導學生進一步思考，損失的機械能的轉化問題，更進一步理解核心的物理概念，達成目標。

（四）從一般到特殊，利用碰撞的特點及前面的鋪墊探究彈性碰撞的問題

例題3：如圖4所示，已知地面光滑，物體m1以速度v1與原來靜止的物體m2碰撞，求碰后它們各自的速度v1' 和v2' 。

引導鋪墊的思考過程：

彈性碰撞遵循什么規律？

彈性碰撞是一種理想模型，根據系統動量守恒和機械能守恒，可計算出碰后各自的速度與兩物體質量之間的關系。

之后討論分析：兩個物體的質量大小對碰后的速度影響如何？

情況：m1 = m2;m1 > m2;m1 < m2;m1 >> m2;m2 >> m1

引導學生進行分析，總結結論：彈性碰撞后的特點：若質量相同，兩球交換速度;若大碰小，碰后速度同向，且v2' > v1';若小碰大，質量小的球反彈回來;

并利用教具進行現場實驗演示，通過小球碰撞演示板，驗證理論分析，培養學生良好的科學態度，加深學生對知識的理解。

通過以上鋪墊逐層遞進，從學生已有知識培養學生在彈性碰撞中應用動量守恒和機械能守恒處理問題的能力，發展物理思維。

通過以上教學過程，從學生認知的發展角度出發，搭建“腳手架”，幫助學生建立了科學的物理概念，掌握了物理規律，發展了物理思維，使得學生對碰撞的三種模型有一個清晰的認知和區分，為之后解決動量和能量綜合問題奠定了基礎。

四、成效分析

筆者選擇了任教的一個班級為研究對象，教學結束后做了以下兩項調查：

（一）利用5點量表定性調查

制作5點量表，對研究對象進行問卷調查，從“物理觀念”、“科學思維和科學探究”、“科學態度與社會責任”三個方面調查學生對本節教學的反饋與評價，見表1。

被測實驗班39人，以上各項得分及均值見表2：

（二）利用課后檢測定量調查

利用課后檢測題對學生的學習情況進行定量調查，獲得教學情況的即時反饋。針對教學中設計的教學目標設置5道計算題，利用30分鐘的時間，考查學生在這一節課中的學習情況。

試題如下（每題10分，共50分）：

T1：如圖5所示，有兩個質量相同的小球A和B（大小不計），A球用細繩吊起，細繩長度等于懸點距地面的高度，B球靜止放于懸點正下方的地面上.現將A球拉到距地面高度為h處由靜止釋放，擺動到最低點與B球碰撞后粘在一起共同上擺，求它們升起的最大高度是多少？

T2：如圖6所示，質量分別為ma=1 kg、mb=2 kg的兩小球在光滑的水平面上發生碰撞，碰撞前后兩球的位移—時間圖象如圖所示，則可知碰撞屬于何種碰撞？

T3：質量分別為mA=1 kg、mB=2 kg的A、B兩個小球在光滑水平面上發生碰撞，碰撞前后均在同一條直線上.碰撞前速度vA=6 m/s、vB=2 m/s，碰撞后速度vA'=2 m/s、vB'=4 m/s.則此碰撞損失的機械能是多少？

T4：如圖7所示，兩滑塊A、B在光滑水平面上沿同一直線相向運動，滑塊A、B的質量均為m，A速度大小為2v0，方向向右，滑塊B的速度大小為v0，方向向左，碰后兩物體粘在一起運動，求：兩滑塊碰撞后的共同速度及損失的機械能。

T5：如圖8所示，質量相等的三個物塊在一光滑水平面上排成一條直線，且彼此隔開了一定的距離，如下圖所示.具有動能E0的第1個物塊向右運動，依次與其余兩個靜止物塊發生碰撞，最后這三個物塊粘在一起，這個整體的動能是多少？

答題情況如下：

從以上兩項調查結果可以看出，本節課較好地達成了教學目標。

綜上所述，在碰撞的教學中，將物理模型與生活中已有的物理情境相結合，通過搭建“腳手架”，進行知識的鋪墊，引導學生自主思考和探究，建立物理觀念，發展科學思維，并與演示實驗相結合，培養學生良好的科學態度與責任，保證了教學目標的順利達成，為動量和能量的學習奠定了良好的基礎。

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作者簡介：

任娟，廣州大學畢業，碩士學位，中學二級教師，研究方向：物理教學。