和曉東 張娜 蔡曉陽

(中山市第一中學 廣東 中山 528400) (中山市實驗中學 廣東 中山 528400) (汕頭市第一中學 廣東 汕頭 515041)

1 教材導入部分的編寫思路

人教版教材“實驗：探究碰撞中的不變量”一節(jié)中的導入部分編寫思路如下．首先，借助舉例說明“碰撞是自然界中常見的現(xiàn)象”；其次，通過實驗演示質量相同及改變質量使之相差較多的小球A和B懸掛相碰，分析碰撞前后兩球運動的變化，通過分析可知“兩個物體碰撞前后的速度都會發(fā)生變化，物體的質量不同時速度變化的情況也不一樣”．最后，編者發(fā)問——碰撞前后會不會有什么物理量保持不變？

2 問題的提出

通過對演示實驗的分析，學生的確很容易知道質量和速度變化之間是有關系的．但是，這里存在3個需要思考的問題：

一是學生能否自主發(fā)現(xiàn)質量相同的A，B兩小球的碰撞規(guī)律，即質量相等時速度交換.

二是他們能否主動拓展去思考質量不同的A，B兩小球相碰又會有怎樣的特點．

三是在沒有過渡和引導的情況下，學生到底能否從“質量不同，速度變化不同”直接跳躍式地自主想到“有什么物理量保持不變”．

這是逐漸進階的3個問題，前兩個相對比較容易攻克，難的是第3個問題．

3 對問題的調查及結果分析

為了弄清上述3個問題，筆者專門對學生進行了調查．

3.1 調查過程

為了更詳細地了解學生的思考過程，筆者采用調查表對學生進行調查．

首先，在騰訊視頻客戶端下載了“超級對稱的牛頓擺”視頻．

與直接閱讀教材文本進行反饋不同，筆者精心選擇了“超級對稱的牛頓擺”視頻讓學生觀看．該視頻展示了牛頓擺的多種不同玩法，其中包括分別拉起一個、兩個、三個小球由靜止釋放等，極具觀賞性，視頻中的部分現(xiàn)象如圖1和圖2所示．豐富多彩的物理現(xiàn)象不僅能讓學生形成多維的感受，還可以激發(fā)學生的學習興趣．興趣是推動學習和思考的內部動機[1]．

圖1 “超級對稱的牛頓擺”視頻截圖1

圖2 “超級對稱的牛頓擺”視頻截圖2

其次，編制并打印“超級對稱的牛頓擺”觀后記錄單．記錄單上要求學生在觀看完視頻之后，寫下最感興趣的問題以及對其背后原因的思考．

再次，利用視頻和記錄單對汕頭市第一中學(市重點中學)高一年級的43位學生進行調查，并回收全部記錄單．調查時間設在高一下學期末，此時學生已經(jīng)學完力學部分的相關知識，熟悉牛頓第二定律及能量守恒定律等，具備對牛頓擺現(xiàn)象的分析能力．

最后，對回收的記錄單進行匯總分析．

3.2 調查結果

在回收的43份記錄單里，針對前文提出的問題進行分析發(fā)現(xiàn)，有4位學生思考了等效于教材中B球的運動本質及規(guī)律的相關問題，占總人數(shù)的9%，學生基本上可以確定地得到“質量相等時速度交換”的結論；有5位學生涉及“質量不相等” 時小球的運動狀況思考，占總人數(shù)的11.6%，但其中僅有1位學生的原因猜想靠近了本節(jié)課的教學內容，即當小球A的質量小于B時，碰后B的高度小于A在碰前靜止釋放的高度，由此可分析得到教材中對演示實驗部分給出的結論——“兩個物體碰撞前后的速度都會發(fā)生變化，物體的質量不同時速度變化的情況也不一樣．”沒有學生涉及到對“質量與速度變化有某種關聯(lián)”問題的思考，雖然有3位學生認為牛頓擺中暗含有某種規(guī)律，但也只是停留于直覺，并不能給出合理的猜想．

除此以外，還有9位學生在思考“碰撞中能量是否守恒”的問題，占總人數(shù)的20.9%；有4位學生在思考“牛頓擺的意義”，占總人數(shù)的9%；有8位學生在思考“為什么中間的小球保持不動”占總人數(shù)的18.6%；還有10位學生在思考其他相關問題．

綜上，我們可以發(fā)現(xiàn)，極少部分學生能夠發(fā)現(xiàn)質量相同的A，B小球的碰撞規(guī)律；少部分學生能夠主動思考質量不同的A，B小球相碰的特點；幾乎沒有學生能將碰撞小球的質量與速度變化關聯(lián)起來，更談不上想到“有什么物理量保持不變”．但是，部分學生對于能量守恒的問題分析比較透徹，說明他們對于能量守恒的應用掌握得比較透徹，然而也僅僅止步于應用分析，即便是“質量相等時速度交換”呼之欲出，這也反映出學生并不能很好地進行知識的拓展和歸納．

由此可知，教材試圖通過碰撞的演示實驗來讓學生逐漸進階地想到“有什么物理量保持不變”，這一活動并沒有想象的那么順利．

4 對調查結果的原因分析

為什么學生很難想到“有什么物理量保持不變”？筆者認為，這一困難的關鍵在于缺乏對“不變性”的追尋意識．

正如德國物理學家勞厄所說：“物理學的任務是要發(fā)現(xiàn)普遍的自然規(guī)律，而且又因為這樣的規(guī)律性的最簡單的形式之一，是它表明了某種物理量的不變性，所以對于守恒量的尋求不僅是合理的，而且也是極為重要的研究方向．”[2]通過查閱資料可以發(fā)現(xiàn)，書中導入部分的演示實驗與當年荷蘭物理學家惠更斯的碰撞實驗極其相似．惠更斯通過實驗發(fā)現(xiàn)“兩個物體所具有的運動量在碰撞中都可以增多或者減少，但是他們的量值在同一個方向的總和卻保持不變．”

與科學家們不同的是，學生的最大障礙正是在于缺乏對“不變性”的追尋意識．且不說讓學生由碰撞實驗主動想到“有什么物理量保持不變”，即使告知學生要“探究碰撞中的不變量”，學生也會有諸多的疑惑，比如“你怎么知道在碰撞中有物理量保持不變？”“為什么要探究不變量？”“是不是對于所有的現(xiàn)象都要想想有沒有不變量？”等．可是，如果說此前學生并沒有接觸過“守恒定律”，有這樣的想法再正常不過，然而事實是學生已經(jīng)學習了能量守恒定律，依然還沒有這些想法就不算正常了．

讓人遺憾的是，在調查結果中不難發(fā)現(xiàn)，學生實則并沒有理解“守恒定律”背后真正的價值和意義，更不用談建立對“不變性”的追尋意識．因此，等到學習“探究碰撞中的不變量”時，學生根本無法主動想到“有什么物理量保持不變”，即使教材在空白處加上了說明，也只是顯得突兀和不知所云．

另外，學生很難想到“有什么物理量保持不變”的原因還在于拓展和歸納能力的缺乏．由于學生習慣于接納——應用的學習模式，他們更多的是關注知識本身及其應用，至于對知識的拓展和歸納則思考甚少，這就導致了即使是呼之欲出的推論，也無法向前邁步．

5 教學建議

針對以上的原因分析，筆者認為，可從以下兩點突破“有什么物理量保持不變”的提問困難．

5.1 提前“埋種”建立學生對“不變性”的追尋意識

當學生由“單擺小球似乎總能達到同樣的高度”這一現(xiàn)象學習完機械能守恒定律之后，教師需要“趁熱打鐵”地引導學生去感悟——白云蒼狗，滄海桑田，在這變幻無常的背后似乎存在一種不變的秩序，而科學正是在萬般變化中找到“不變性”，敏銳的科學家們早就感覺到了這一點．事實上，追尋 “不變性”正是科學思想的萌芽所在．通過借助生動的語言描述，讓學生體會“不變性”支配自然規(guī)律的震撼，從而將他們頭腦中的“守恒定律”從知識層面升華到意識層面．升華的過程還可以借助物理學史或者名人警句等，比如美國物理學家費恩曼曾說：“有一個事實，或者如果你愿意，也可以說一條定律，支配著至今所知的一切自然現(xiàn)象……這條定律稱作能量守恒……”

“除了機械能是守恒不變的，在我們的宇宙中，你覺得還有沒有其他的東西也可能是不變的呢？”這一順理成章的問題可以讓學生的思維發(fā)散開去．通過千百年對天體運動的觀察，人們似乎并沒有發(fā)現(xiàn)天體的運動有減少的現(xiàn)象.借此埋下“運動不滅”的種子——事實上，與能量一樣，“存在于宇宙中的運動的量永遠是一樣的．因此，運動不能創(chuàng)造，只能轉移．”[3]

5.2 充足“施肥”引發(fā)對問題的主動生成

在“實驗：探究碰撞中的不變量”的第一課時，教師可以安排充足的時間給學生自主分析和討論，讓學生嘗試從受力、運動狀態(tài)、能量3方面去透徹地挖掘兩懸掛小球在碰撞中的各個規(guī)律及特點，并進行拓展和歸納．打一個這樣的比喻，當“種子”被施上“時間”的化肥后，會產生意想不到的化學反應，他們或許會感覺到，在這個碰撞中，好像有什么東西沒有變，而且這個東西與小球的質量和速度有關．在主動生成問題的前提下，才能進行后續(xù)的實驗探究和物理量的定義等．

當然，相比起 “填鴨式”的“高速”教學模式，這種方法看似費時，實則更能讓學生體驗到探索的樂趣和成就感，有效地促進學生科學思維與探究能力的發(fā)展．