核心素養視域下的“動量”教學設計

歐劍雄 許芙蓉

（1.福建省普通教育教學研究室，福建福州 350003；2.福建省莆田第五中學，福建莆田 351100）

“動量”是物理學中非常重要的一個概念，理解和掌握“動量”概念對學生形成清晰、系統的運動與相互作用觀至關重要.然而，由于“動量”概念本身比較抽象晦澀，學生又缺乏直觀體驗，因此長期以來“動量”都是高中物理教學的一個難點.作為初學者，學生往往無法理解為什么在有了速度和動能等概念之后還要引入“動量”.而在物理學史上，“動量”概念的建立過程也是曲折且艱辛的.教學時，引導學生追尋科學家的腳步，經歷科學探究過程，逐步建構動量概念，既有利于學生形成和理解動量概念，又能讓學生從中體會豐富的科學思想、科學方法和人文底蘊，促進學生在問題解決過程中提升物理學科核心素養.

1 核心素養視域下的“動量”教學目標設計

本節是人教版（2019版）高中物理選擇性必修第1冊第1章第1節的內容.與舊版（2007版）相比，新版保留了從尋求碰撞中的不變量引入“動量”概念的設計思路.［1］這樣的編排遵循物理學對守恒量不懈追求的宗旨.但要轉變學生腦海中認為碰撞與動能有關的迷思概念，仍需要教師具有極大的教學智慧.課程標準要求學生“理解動量”.［2］這要求教師創設物理情境引導學生親歷動量概念的形成過程，能解釋并應用于不同的生活情境.

在此之前，學生已經學習過矢量及其運算法則，能正確理解速度、動能和動能定理等物理概念和規律，較為熟練地掌握傳感器、光電門等實驗操作，對“守恒”這一重要思想也有初步的認識.此外，學生在數學課上已經系統學習過“二分法”，對生活中的碰撞現象也有一定的感性體驗.這些都為本節課的教學奠定了基礎.根據課程標準和核心素養的育人目標，結合教材及學情，本節課的教學目標設計如下.

1.1 物理觀念

（1）形成觀念.通過定性體驗和定量計算，從而初步建立動量概念；通過分組實驗驗證小車碰撞前后動量之和保持不變，知道動量概念建立的必要性及其意義，從守恒角度進一步理解動量概念；通過經歷實驗數據分析和例題計算，理解動量是矢量.

（2）解決問題.能應用動量概念計算實驗中小車的動量變化量，解決與動量有關的簡單問題.

1.2 科學思維

（1）模型建構.在“鉤碼落體—撞擊實驗”中，能選用自由落體運動模型解決測量鉤碼速度的問題.

（2）科學推理.能應用勻變速直線運動規律或動能定理分析推理鉤碼質量減半后繩子剛好斷裂時對應的高度.

（3）科學論證.在“鉤碼落體—撞擊實驗”和“小車碰撞”分組實驗中，能利用已有知識、通過實驗論證自己的觀點.

（4）質疑創新.能從勻變速直線運動和動能定理兩個角度計算鉤碼落體的速度；通過物理學史，感受并學習先輩們對已有知識的質疑創新精神.

1.3 科學探究

（1）問題.通過課前小游戲，知道撞擊效果與速度、質量有關，針對撞擊效果與速度、質量的定量關系問題提出有依據的猜測.

（2）證據.在“小車碰撞實驗”中，能根據提供的儀器，正確實施實驗，獲取實驗數據.

（3）解釋.在“鉤碼落體—撞擊實驗”中，觀看實驗現象，會解釋實驗現象并總結實驗結論；在“小車碰撞實驗”中，能分析數據，發現其中規律，形成合理的結論.

（4）交流.通過組內合作完成實驗，提升與他人交流的意愿和能力.能準確表達、評估實驗探究的結果.

1.4 科學態度與責任

（1）科學本質.經歷了動量概念的建立過程，認識到物理學是人類對自然現象的描述和解釋；感受物理概念引入的必要性，體會物理學是不斷發展的.

（2）科學態度.通過物理學史、一個游戲加兩個實驗，培養尊重事實、嚴謹認真的科學態度；提升學習和研究生活中物理問題的興致和能力，養成善于思考、勤于動手、樂于與他人交流合作的習慣.

（3）社會責任.通過動量概念對生活安全常識的解釋，感悟物理的實用價值，提高安全意識.

2 核心素養視域下的“動量”教學思路設計

根據擬定的教學目標，本節課的教學設計以“科學探究”為主線，在探究中引入、建立和完善“動量”概念，最后以其解決實際問題收尾，如圖1所示.

圖1 “動量”教學設計思路

本節課以互動小游戲導入課堂，讓學生對撞擊效果與什么因素有關有初步的感性認識，并據此拋出要解決的問題“撞擊效果與速度、質量之間有怎樣的定量關系”；根據猜想設計“鉤碼落體—撞擊實驗”，通過實驗得出結論“質量與速度的乘積相同時，撞擊效果相同”，從而建立“動量”概念.在暢游物理學史中通過小車碰撞實驗，從守恒角度進一步闡釋“動量”概念的物理意義，完善動量概念，同時強調動量的矢量性.最后以學生實驗數據為依托，求解小車碰撞前后的動量變化量，在概念的應用中拉下本節課的帷幕.

3 核心素養視域下的“動量”教學環節設計

3.1 游戲體驗，引入概念

教師先用乒乓球以較大的速度撞擊某學生的背部，再用瑜伽球分別以較小和較大的速度撞擊該學生的背部，同時請另一個男生做好現場保護以防摔倒.根據該學生反饋被撞擊的感受，提出問題：撞擊效果與哪些因素有關？學生回答與速度、質量有關.

而后教師引導學生根據自己的判斷猜測撞擊效果與速度、質量之間的定量關系.學生提出兩種猜想，其一為：撞擊效果與質量成正比、與速度成正比，即質量與速度的乘積相同時，撞擊效果相同；其二為：撞擊效果與質量成正比、與速度平方成正比，即動能相同時，撞擊效果相同.

設計意圖：在互動游戲中引入本節課的核心問題——碰撞，讓學生親自感受、觀察撞擊效果的影響因素，并據此提出合理猜想，為后續定量分析實驗的開展做鋪墊.游戲活躍了課堂氣氛，營造了輕松愉快的教學氛圍，能有效吸引學生的注意力，讓學生集中思維，更快進入課堂.

3.2 撞擊實驗，建立概念

要驗證兩種猜想究竟哪一種是正確的，需要通過實驗來一探究竟.教師介紹如圖2 的實驗裝置，細繩一端固定在鐵架臺上，另一端系一鉤碼，將鉤碼從不同高度由靜止釋放，當鉤碼釋放的高度足夠高時，細繩將會斷裂.然后通過以下問題串，引導學生利用該裝置設計實驗方案，驗證自己的猜想.

圖2 鉤碼落體撞擊實驗裝置

問題1：如何保證鉤碼下落后被細繩拉住瞬間的撞擊效果相同？

問題2：如何測量鉤碼被細繩拉住前瞬間的速度？

問題3：如何找到細繩剛好斷裂時對應的鉤碼高度？

問題4：實驗過程還有哪些需要注意的事項？

學生思考討論后，回答上述問題：令相同的繩子剛好斷裂說明撞擊效果相同；鉤碼被細繩拉住前的運動可視為自由落體運動，因此可通過測量自由落體的高度間接算得鉤碼的速度；借助數學工具——二分法能夠更快速地找到細繩剛好斷裂時對應的鉤碼高度；由于鉤碼下落后細繩將被拉長，所以即便細繩沒有斷，每次實驗后也都需要重新更換細繩.

教師演示實驗1：取質量為100 g的鉤碼進行實驗，發現鉤碼自由下落的高度為10 c m 時細繩不會斷裂，高度為20 c m 時細繩會斷裂.學生根據二分法確定接下來應該進行高度為15 c m 的實驗.依次類推，測得細繩剛好斷裂時鉤碼自由下落的高度為15－16 c m.

而后提出問題5：根據剛才的兩種猜想，若改用質量為50 g的鉤碼進行實驗，則高度為多少時細繩剛好會斷裂？

學生根據動能定理或自由落體運動公式推理得出結論：若質量與速度的乘積相同時撞擊效果相同，則高度應該為60－64 c m；若動能相同時撞擊效果相同，則高度應該為30－32 c m.

教師演示實驗2：改用質量為50 g的鉤碼進行實驗，發現鉤碼自由下落的高度為60 c m 時細繩不會斷裂，高度為64 c m 時細繩會斷裂.

師生根據上述實驗結果共同總結實驗結論：猜想一正確，即當質量和速度的乘積相同時，撞擊效果相同.以此引入概念：在物理學中，質量和速度的乘積mv稱為物體的“動量”.

教師再為學生介紹相關物理學史：早在1638年，意大利物理學家伽利略就通過對落體和撞擊現象的研究，總結出該結論，并最早提出“動量”概念，給出動量的定義.

設計意圖：用隨手可得且熟悉的實驗器材完成了撞擊效果的呈現，既揭露了科學本質，又降低了該實驗的探究門檻.通過問題串的形式引導學生設計和完善實驗步驟、思考實驗注意事項，培養了學生的科學推理和科學探究能力.通過該實驗引入“動量”概念，學生能更深刻體會動量概念引入的必要性，能有效轉變學生腦海中原有的碰撞與動能有關的迷思概念，突破本節課的教學難點.

3.3 還原歷史，完善概念

教師引導學生思考物理學家引入“動量”概念背后的深層次原因.伽利略為什么會去研究這樣的撞擊實驗？為什么會提出“動量”概念？因為千百年來人類對天體運動的觀察結果表明，在人類觀察精度內宇宙運動并沒有出現減小的跡象，于是歐洲文藝復興時期許多自然哲學家開始思量自然界的運動，他們認為宇宙運動的總量不會減小，只要能夠找到一個合適的物理量來量度運動，就會看到運動的總量是守恒的.

伽利略就是這領域的一位開拓者，他最早通過撞擊實驗提出“動量”概念.隨后，笛卡兒、惠更斯等繼承了伽利略的思想，并通過碰撞實驗進一步完善了“動量”概念.也就是說，笛卡爾、惠更斯通過碰撞實驗證明了：用伽利略提出的“動量”概念來量度運動時，運動的總量是保持不變的.

而后還原歷史，讓學生通過分組實驗驗證碰撞前后兩車的動量之和保持不變.教師介紹實驗儀器，如圖3 所示.為了讓實驗的結論更具普遍性，教師為學生準備了3種不一樣的分組實驗.分組實驗1：用運動的大質量小車碰靜止的小質量小車.分組實驗2：用運動小車碰靜止的等質量小車.分組實驗3：用運動的小質量小車碰靜止的大質量小車.

圖3 小車碰撞實驗裝置

通過以下問題串引導學生完善實驗方案.

問題1：本實驗需要測量哪些物理量？

問題2：上述物理量該如何測量？

問題3：實驗前，擋光片和光電門的位置應怎樣擺放，才能較準確地測量小車碰撞前后的速度？

學生思考討論后回答上述問題：需要測量兩小車的質量和兩小車碰撞前后的速度；質量可通過天平測量，速度可通過測擋光片寬度和擋光時間間接計算獲得；擋光片應盡可能靠近光電門以準確測量碰撞前后小車的速度，減小實驗誤差.

而后學生進行分組實驗，獲得實驗數據，并進行數據分析.教師組織學生進行展示交流，師生共同得出結論，在前兩組實驗中，多組實驗表明：在實驗誤差允許范圍內，碰撞前后兩小車的動量之和不變.但是在第3組實驗中，碰撞前后兩小車的動量之和發生了較大變化.

教師啟發學生思考，是不是第3 組實驗中碰撞前后兩小車動量之和不守恒？如果不是，那會是什么原因造成？第3組實驗與前兩組實驗有什么區別？

學生思考后發現第3組實驗中質量小的小車碰撞后反彈，速度方向發生變化.而動量是物體質量和速度的乘積，故動量可能也是矢量，數據處理時應考慮動量的方向.考慮方向后，師生共同重新處理實驗數據，發現第3 組實驗中碰撞前后兩小車的動量之和也保持不變.兩次數據處理表格如表1 所示.由此得出實驗結論：兩輛小車碰撞前后，動量之和保持不變；動量是矢量，其方向與速度方向相同.

表1 第3組實驗數據處理

設計意圖：結合物理學史，感受并學習先輩們對自然界的不懈追求，滲透科學思維、科學探究等核心素養的培養，啟發學生勤于思考，鼓勵學生大膽質疑和創新，激發學生學習物理的興趣.結合現代實驗儀器，提高實驗效率和精確度，設計3種不同碰撞實驗，使實驗結果更有普適性.分組實驗提升學生動手操作能力，在重現先輩們的碰撞實驗過程中，體會自然界的和諧與統一，讓學生對引入動量這一概念的必要性和重要性有了更為深刻的體會，對守恒量有更深刻的理解.在第3 組實驗中，引導學生思考實驗“誤差大”背后的原因，在解決問題的過程讓學生知道動量的矢量特性，有效突破本節課的重點.

3.4 結合實際，應用概念

教師播放多媒體，展示某小組第3 組實驗的數據（如表1），提出問題：碰撞前后兩車動量分別變化了多少.引導學生在解題之后總結：動量是矢量，一維矢量運算要規定正方向，并遵循矢量運算定則.

設計意圖：通過實例計算，既與前面的實驗呼應，又讓學生在解決實際問題的過程中加深對動量的理解，強化一維矢量運算能力，提升物理解題的規范性.以學生的實驗數據作為例題，彰顯了物理學科的實用性，體現了物理學科從生活中來又服務于生活的特點，讓學生感受物理魅力的同時，提升學習物理的興致.同時，圖表信息的呈現方式有助于培養學生的信息獲取和加工能力.