石曉蘭 王延楠 劉世洪

(北京市十一學(xué)校 北京 100039)

近年來(lái)，核心素養(yǎng)成為基礎(chǔ)教育領(lǐng)域熱議的話(huà)題，各個(gè)學(xué)科都傾力培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)．物理核心素養(yǎng)包括“物理觀(guān)念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度和責(zé)任”4 個(gè)方面[1]，科學(xué)探究強(qiáng)調(diào)提出問(wèn)題、收集證據(jù)、給出解釋和深入交流；科學(xué)思維側(cè)重模型構(gòu)建、科學(xué)推理、科學(xué)認(rèn)證和質(zhì)疑創(chuàng)新．

動(dòng)量是物理學(xué)中一個(gè)極其重要的概念，歷史上動(dòng)量概念的提出經(jīng)歷了曲折漫長(zhǎng)的過(guò)程．動(dòng)量概念是物理學(xué)家基于認(rèn)知規(guī)律，經(jīng)歷了“知識(shí)邏輯”“實(shí)驗(yàn)探索”后提煉出的精華．“探究碰撞中的不變量”這堂課可以幫助學(xué)生親歷物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)守恒量的重要?dú)v程，是一次提升物理核心素養(yǎng)的好契機(jī)[2,3]．下面以“探究碰撞中的不變量”一課為例，探索物理教師如何在遵循認(rèn)知規(guī)律，強(qiáng)化知識(shí)、提升技能、培養(yǎng)科學(xué)價(jià)值觀(guān)的同時(shí)，在科學(xué)探究中提升學(xué)生的科學(xué)思維．

1 教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)

1.1 提出問(wèn)題

1.1.1 體驗(yàn)自然界多種碰撞類(lèi)型

首先通過(guò)視頻展示(例如汽車(chē)安全碰撞測(cè)試、天體相撞、擊打乒乓球等)，體會(huì)碰撞的兩個(gè)特點(diǎn)：作用力大、作用時(shí)間短．

1.1.2 觀(guān)察現(xiàn)象，構(gòu)建模型，培養(yǎng)物理直覺(jué)

情境創(chuàng)設(shè)：演示牛頓擺實(shí)驗(yàn)，如圖1所示，先將左邊的球1拉開(kāi)一定角度，與其余的球碰撞，學(xué)生觀(guān)察現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)規(guī)律．

(1)如果左邊拉起3個(gè)球，同學(xué)們能猜到碰撞后的結(jié)果嗎？

(2)你發(fā)現(xiàn)了什么有趣的規(guī)律？

圖1 牛頓擺

設(shè)計(jì)意圖：從各種碰撞類(lèi)型到牛頓擺小球碰撞，完成模型構(gòu)建．牛頓擺實(shí)驗(yàn)場(chǎng)面震撼，利用奇特而又充滿(mǎn)規(guī)律的現(xiàn)象吸引了學(xué)生的注意力，調(diào)動(dòng)了其積極性，通過(guò)觀(guān)察學(xué)生會(huì)形成直覺(jué)，即左邊抬起幾個(gè)球，右邊就有幾個(gè)球同時(shí)彈起，直接體驗(yàn)守恒量的存在，從而培養(yǎng)學(xué)生的觀(guān)察能力和物理直覺(jué)[4]．

1.2 從碰撞效果科學(xué)猜想出相關(guān)物理量

(1)碰撞中的規(guī)律直接體現(xiàn)在碰撞的效果上，尋找碰撞中的守恒量第一步，我們是不是可以先探索哪些物理量會(huì)影響碰撞效果？你覺(jué)得哪些物理量可能影響碰撞效果？

(2)你能不能設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的方案來(lái)驗(yàn)證速度/質(zhì)量對(duì)碰撞效果的影響？

(3)之前我們學(xué)過(guò)哪些和質(zhì)量、速度都相關(guān)的物理量？

(4)碰撞中的不變量還可能是什么形式？

學(xué)生猜想(列舉其中2種)：

(1)

(2)

設(shè)計(jì)意圖：從碰撞效果猜測(cè)相關(guān)物理量符合一般的認(rèn)知規(guī)律和科學(xué)猜想過(guò)程．通過(guò)問(wèn)題驅(qū)動(dòng)的形式，引導(dǎo)學(xué)生大膽猜想碰撞中的不變量．學(xué)生觀(guān)察現(xiàn)象一般會(huì)想到碰撞前后動(dòng)能不變，將實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與已學(xué)知識(shí)聯(lián)系．

1.3 確定實(shí)驗(yàn)方案

1.3.1 體會(huì)一般到特殊的物理研究方法

(1)碰撞的類(lèi)型多種多樣，如果你想驗(yàn)證猜想，是先研究最復(fù)雜的碰撞，還是最簡(jiǎn)單、最典型的碰撞？

(2) 你覺(jué)得最簡(jiǎn)單的碰撞情形是什么？

教師展示研究對(duì)象：兩輛小車(chē).

(3)怎么保證這兩輛車(chē)進(jìn)行一維碰撞？

1.3.2 目標(biāo)驅(qū)動(dòng)，明確任務(wù)細(xì)節(jié)

(1) 我們的實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖鞘裁矗?/p>

(2)依據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，需要測(cè)量什么物理量？測(cè)完后如何處理數(shù)據(jù)？

1.3.3 從實(shí)際出發(fā)，合理選擇測(cè)速手段

(1)我們學(xué)過(guò)哪些測(cè)速手段？

學(xué)生回答：打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、超聲波測(cè)速儀、光電門(mén)、頻閃照相.

(2)這4種測(cè)速手段中，每一種都適用嗎？哪些方案更具有可行性？

學(xué)生小組討論：論證哪些方案可行.

設(shè)計(jì)意圖：引導(dǎo)學(xué)生將已學(xué)知識(shí)與實(shí)際情景聯(lián)系起來(lái)，結(jié)合實(shí)際選擇最優(yōu)方案，論證打點(diǎn)計(jì)時(shí)器和頻閃照相在此實(shí)驗(yàn)中的弊端，即無(wú)法測(cè)量小車(chē)反彈情況下的速度．借此鍛煉學(xué)生的知識(shí)應(yīng)用能力，真正做到學(xué)以致用．

1.4 探究多種碰撞類(lèi)型

實(shí)驗(yàn)儀器：電子稱(chēng)，小車(chē)(兩輛)，配重條，普通直軌道，光電門(mén)及配套Pasco實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如圖2所示．小車(chē)兩側(cè)分別是磁扣和粘鉤，磁扣相對(duì)時(shí)實(shí)現(xiàn)彈性碰撞，粘鉤相對(duì)時(shí)實(shí)現(xiàn)完全非彈性碰撞．

圖2 探究多種碰撞類(lèi)型實(shí)驗(yàn)儀器

我們要尋找的是多種碰撞情形中的不變量，所以探究應(yīng)該體現(xiàn)碰撞的多樣性．由于碰撞效果與質(zhì)量、速度有關(guān)，故需要不同組選取的質(zhì)量不同．為了減小軌道與小車(chē)之間摩擦力對(duì)被測(cè)速度的影響，光電門(mén)離碰撞發(fā)生點(diǎn)不能太遠(yuǎn)．此外，同極磁扣相對(duì)時(shí)發(fā)生彈性碰撞時(shí)，磁力作用距離和作用時(shí)間均較長(zhǎng)，在該過(guò)程內(nèi)測(cè)得的小車(chē)速度不是碰撞前后的速度，所以光電門(mén)的間距不能過(guò)近．合理確定光電門(mén)與小車(chē)的位置關(guān)系，才能夠達(dá)到研究碰撞前后不變量的目的，這對(duì)學(xué)生的分析、觀(guān)察能力要求很高．

小組成員分工合作，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)．學(xué)生掃描二維碼，通過(guò)手機(jī)將數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果輸入在線(xiàn)協(xié)作的石墨表格，石墨文檔網(wǎng)頁(yè)呈現(xiàn)形式如圖3所示．

圖3 在線(xiàn)協(xié)作石墨文檔效果圖

1.5 科學(xué)推理交流創(chuàng)新

1.5.1 分析數(shù)據(jù)，科學(xué)推理初步結(jié)論

每組根據(jù)所測(cè)數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果，得出初步結(jié)論， 評(píng)估和交流各組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)論.本文中只摘錄其中2組數(shù)據(jù)，針對(duì)學(xué)生猜想的式(1)和式(2)進(jìn)行分析.第2組數(shù)據(jù)及處理結(jié)果如表1所示.

表1 第2組(粘鉤相對(duì))實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理結(jié)果

碰撞前碰撞后碰撞前后相對(duì)差異/%(m1v1+m2v2)/(kg·m·s-1)12m1v21+12m2v22()/J(m1v1′+m2v2′)/(kg·m·s-1)12m1v1′2+12m2v2′2()/J動(dòng)量動(dòng)能0.270.140.250.066.3455.82

學(xué)生結(jié)論：本組的碰撞類(lèi)型是碰后粘在一起運(yùn)動(dòng)，發(fā)生碰撞的兩物體碰撞前后的質(zhì)量與速度的乘積保持不變．

1.5.2 質(zhì)疑創(chuàng)新，交流比較其他的數(shù)據(jù)

師：第3組數(shù)據(jù)(表2)碰撞前后mv之和相對(duì)差異很大，誤差是否來(lái)源于操作失誤？

表2 第3組(磁扣相對(duì))實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理結(jié)果

碰撞前碰撞后相對(duì)差異/%(m1v1+m2v2)/(kg·m·s-1)12m1v21+12m2v22()/J(m1v1′+m2v2′)/(kg·m·s-1)12m1v1′2+12m2v2′2()/J動(dòng)量動(dòng)能0.190.070.290.0654.559.20

生：已多次檢查，沒(méi)有操作失誤，我們做的另一組數(shù)據(jù)的相對(duì)差異就很?。?/p>

開(kāi)展小組討論.

討論結(jié)果：速度的方向不同，取紅車(chē)(碰撞小車(chē))原來(lái)的方向?yàn)檎较?，反彈的速度?yīng)為負(fù)值，修正計(jì)算結(jié)果，如表3所示．

表3 第3組數(shù)據(jù)修正后的處理結(jié)果

學(xué)生得出結(jié)論：發(fā)生碰撞的兩物體碰撞前后的質(zhì)量和速度的乘積之和是不變量，且具有方向性．

設(shè)計(jì)意圖：分析數(shù)據(jù)得出結(jié)論的過(guò)程培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)推理能力．實(shí)驗(yàn)后，筆者發(fā)現(xiàn)學(xué)生已經(jīng)非常適應(yīng)在線(xiàn)協(xié)作的學(xué)習(xí)方式，甚至有不少學(xué)生通過(guò)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)用Excel函數(shù)處理數(shù)據(jù)的方法，提升了有益?zhèn)€人終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的關(guān)鍵能力，踐行了核心素養(yǎng)的理念．通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，學(xué)生能更真切地體會(huì)到碰撞中的不變量是個(gè)矢量．

1.6 教師深化解釋

大量的實(shí)驗(yàn)證明，我們今天探究到的不變量mv同樣適用于其他復(fù)雜的碰撞情況，并且mv不僅碰撞前后不變，而且在整個(gè)過(guò)程中都不變，它是一個(gè)守恒量．

大多數(shù)碰撞是在極短時(shí)間內(nèi)發(fā)生的，比如汽車(chē)碰撞、鋼球碰撞，這增加了研究的復(fù)雜性，使得研究碰撞過(guò)程非常困難．但是我們關(guān)心的通常只是碰撞后的結(jié)果，借助守恒量，我們能跳過(guò)中間復(fù)雜的過(guò)程，只看碰撞前后的狀態(tài)，大大簡(jiǎn)化了研究過(guò)程，這也是物理學(xué)家為什么那么鐘愛(ài)尋找守恒量的一個(gè)原因．

2 教學(xué)反思

本節(jié)課的教學(xué)設(shè)計(jì)立足于學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律， 在充分激起學(xué)生興趣的同時(shí)，引領(lǐng)學(xué)生在科學(xué)探究的過(guò)程中進(jìn)行總結(jié)．學(xué)生作為課堂主體，充分融入教學(xué)過(guò)程中，在科學(xué)探究中滲透科學(xué)思維，學(xué)習(xí)研究問(wèn)題的科學(xué)態(tài)度、科學(xué)方法和科學(xué)精神．筆者在平時(shí)教學(xué)中廣泛使用石墨文檔促進(jìn)教學(xué)，教師只需要在課前將鏈接發(fā)送到班級(jí)群．所有學(xué)生無(wú)須注冊(cè)便可多人同時(shí)編輯文檔，能實(shí)時(shí)收集學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和預(yù)習(xí)過(guò)程中的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了所有人同時(shí)共享數(shù)據(jù)的功能，不僅大大提高了教學(xué)效率，也引導(dǎo)學(xué)生正確使用手機(jī)促進(jìn)學(xué)習(xí)．