高亞浩 袁財容

摘 ? 要：文章以“動量定理”教學(xué)為例，從學(xué)生思維發(fā)展特點出發(fā)，重構(gòu)教材資源，優(yōu)化教學(xué)設(shè)計，從而更好地培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。

關(guān)鍵詞：教材資源;科學(xué)思維;思維進階

中圖分類號：G633.7 文獻標(biāo)識碼：A ? ?文章編號：1003-6148（2019）11-0065-4

科學(xué)思維是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成部分，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維是物理教學(xué)的重要教學(xué)目標(biāo)，教師應(yīng)學(xué)會利用教材中的教學(xué)資源優(yōu)化教學(xué)設(shè)計，培養(yǎng)學(xué)生的模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等能力[1]。教材中的教學(xué)資源主要包括課本中的插圖、課后習(xí)題、思考與討論、演示實驗、STS、科學(xué)漫步和科學(xué)足跡等。筆者以人教版高中物理選修3-5第十六章第二節(jié)《動量和動量定理》一節(jié)的教學(xué)為例，談?wù)勅绾沃貥?gòu)教材資源，優(yōu)化教學(xué)設(shè)計，讓學(xué)生在課堂學(xué)習(xí)中實現(xiàn)思維進階。

1 ? ?調(diào)整教學(xué)結(jié)構(gòu)，關(guān)注學(xué)生科學(xué)思維發(fā)展的特點

物理學(xué)科的知識結(jié)構(gòu)主要包括實驗基礎(chǔ)、理論推導(dǎo)、數(shù)學(xué)表達、思想方法、應(yīng)用價值等內(nèi)容。這些內(nèi)容之間存在著緊密的邏輯關(guān)系。因此，教師在教學(xué)中要理清這種關(guān)系，不必拘泥于教材資源，對教材編排的教學(xué)內(nèi)容，或者內(nèi)容呈現(xiàn)的順序及方式進行精心地組織和調(diào)整，使其更符合學(xué)生科學(xué)思維發(fā)展的特點。2017年版《普通高中物理課程標(biāo)準》中指出了科學(xué)思維發(fā)展的五個水平，仔細分析可以發(fā)現(xiàn)，五個水平之間呈遞進關(guān)系，每個水平都有不同的側(cè)重點。水平一強調(diào)了物理模型的建構(gòu)，對應(yīng)科學(xué)思維中的模型建構(gòu)能力;水平二對模型建構(gòu)能力提出了更高的要求，在此基礎(chǔ)上強調(diào)了對物理現(xiàn)象的分析和推理，對應(yīng)科學(xué)思維中的科學(xué)推理能力;水平三對模型建構(gòu)、科學(xué)推理都提出了更高的要求，并強調(diào)用恰當(dāng)、實用的證據(jù)表達觀點，對應(yīng)科學(xué)思維中的科學(xué)論證能力;水平四對模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證提出了更高的要求，此外重點強調(diào)了對已有理論提出有依據(jù)的質(zhì)疑，對應(yīng)科學(xué)思維中的質(zhì)疑創(chuàng)新能力;水平五則體現(xiàn)了科學(xué)思維的總體要求。由此可以看出，學(xué)生模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證和質(zhì)疑創(chuàng)新能力的發(fā)展是呈一定的遞進關(guān)系。因此，在教學(xué)時教師也應(yīng)按照學(xué)生科學(xué)思維發(fā)展的特點進行教學(xué)。

人教版《動量和動量定理》一節(jié)，教材在第一節(jié)探究實驗的基礎(chǔ)上直接給出動量的定義，并從物理學(xué)史的角度加以認識，然后通過例題提出動量的變化，加深對動量和動量變化的矢量性的理解。關(guān)于動量定理，教材先是在恒力作用的情況下由牛頓第二定律推導(dǎo)出動量定理的表達式，之后用微元法分析出動量定理不僅適用于恒力也適用于變力。最后，通過壘球、易碎物品包裝，碼頭懸掛舊輪胎以及“科學(xué)漫步”的汽車碰撞實驗來展現(xiàn)動量定理在生活中的廣泛應(yīng)用[2]。

筆者認為，直接提出“動量”“沖量”和“動量定理”的概念，會讓學(xué)生對為什么要提出新的物理概念認識不深刻，也不利于科學(xué)思維的培養(yǎng)。理論推導(dǎo)出動量定理的表達式后就直接應(yīng)用動量定理解決實際問題，缺少實驗驗證環(huán)節(jié)，教學(xué)過程的整體性和連貫性不強。教材中的應(yīng)用例題采用了擊打模型，而推導(dǎo)動量定理的模型卻是碰撞模型，在新課教學(xué)環(huán)節(jié)沒有基于學(xué)生視角，不利于學(xué)生的理解應(yīng)用。

調(diào)整后的教學(xué)結(jié)構(gòu)如下：

首先，從“暴走雞蛋的跳樓實驗”提出要研究的碰撞問題，引導(dǎo)學(xué)生從實驗出發(fā)，建構(gòu)簡化的物理模型，發(fā)展學(xué)生的模型建構(gòu)能力;其次，引導(dǎo)學(xué)生運用已有知識“牛頓第二定理”推導(dǎo)出“Ft=mvt-mv0”，將其與“動能定理”類比，建立 “動量”“沖量”“動量定理”概念，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)推理能力;再次，借助DIS數(shù)字化實驗 “驗證動量定理”并分析實驗誤差，總結(jié)動量定理的適用條件和注意事項，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)論證能力;最后，圍繞學(xué)生的易錯點設(shè)置有梯度的例題，讓學(xué)生利用動量定理解決實際問題。調(diào)整后的教學(xué)結(jié)構(gòu)，既體現(xiàn)了重視物理概念的形成過程和物理規(guī)律的得出過程，也體現(xiàn)了重視模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、實驗驗證等科學(xué)思維的培養(yǎng)過程。

2 ? ?優(yōu)化教學(xué)環(huán)節(jié)，實現(xiàn)學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng)

教師應(yīng)精心設(shè)計教學(xué)環(huán)節(jié)，構(gòu)建合理的教學(xué)情境和教學(xué)梯度，促進學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng)。因此，教師在進行教學(xué)設(shè)計時，應(yīng)做好以下四點：第一，深度解讀教材，優(yōu)化教材資源，幫助學(xué)生認識客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系;第二，開展豐富的學(xué)生活動，通過學(xué)生熟悉的問題情境激疑生趣，使其能基于經(jīng)驗事實抽象概括和建構(gòu)物理模型，促進學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展;第三，補充學(xué)生實驗，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷分析、歸納等邏輯推理過程;第四，改善實驗方案或?qū)嶒炑b置，使實驗現(xiàn)象或?qū)嶒灲Y(jié)果更加直觀、形象，規(guī)律的得出過程更加嚴謹，讓學(xué)生體驗質(zhì)疑和批判、檢驗和修正的科學(xué)思維過程。

2.1 ? ?實驗引入，構(gòu)建碰撞模型

實驗引入既能大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也有助于學(xué)生對碰撞模型獲得最直觀的認識。建構(gòu)模型是一種重要的科學(xué)思維方式，教師在教學(xué)中要讓學(xué)生體會建構(gòu)物理模型的思維方法，學(xué)會如何通過建構(gòu)物理模型來研究實際問題。筆者在引入環(huán)節(jié)重構(gòu)教材資源，通過以下兩步實現(xiàn)思維進階：

（1）演示“暴走雞蛋的跳樓實驗”（圖1）：讓雞蛋落在做好的容器中的海綿上，雞蛋完好;第二次將同樣的雞蛋從同樣的高度釋放后落在容器中的木板部分，雞蛋破碎。

提出問題：雞蛋與接觸面碰撞過程中受到的沖擊力與哪些因素有關(guān)？

（2）構(gòu)建簡化的物理模型（圖2），提示學(xué)生應(yīng)用牛頓第二定律推導(dǎo)碰撞過程中的沖擊力的表達式。

在該環(huán)節(jié)，讓學(xué)生充分感知從生活現(xiàn)象獲得物理知識的過程，通過學(xué)生活動體驗如何對物理現(xiàn)象進行加工、想象形成理性判斷，再通過構(gòu)建簡化物理模型，培養(yǎng)學(xué)生利用物理知識解決生活現(xiàn)象的能力。這樣的教學(xué)設(shè)計，從學(xué)生熟悉的情境設(shè)置問題，層層推進，符合學(xué)生的思維發(fā)展規(guī)律。

2.2 ? ?建立動量和沖量概念，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)推理能力

（1）遵循學(xué)生的思維認知規(guī)律，在類比中提出動量和沖量以及動量定理的概念

學(xué)生獨立推導(dǎo)出F=m ，師生一起討論、總結(jié)得出表達式的適用條件是恒力，無法解決實際的碰撞過程，在這種情況下就需要引入新的物理概念，將結(jié)果變形得到：Ft=mvt-mv0。

教師引導(dǎo)學(xué)生從表達式的形式聯(lián)想到動能定理Fx= mv ?- mv ?，再拓展到自然界的任何規(guī)律都滿足一個過程量對應(yīng)一個狀態(tài)量的變化，在類比中得出mv是狀態(tài)量，F(xiàn)t是過程量，提出動量和沖量的概念。

在該教學(xué)環(huán)節(jié)中，將教材中“科學(xué)足跡”欄目“歷史上關(guān)于運動量度的爭論”的相關(guān)內(nèi)容引入課堂，還原了歷史爭論，帶領(lǐng)學(xué)生經(jīng)歷物理概念的建構(gòu)過程和物理規(guī)律的形成過程，這是對教材資源的合理重構(gòu)，也讓學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中體驗了物理規(guī)律發(fā)現(xiàn)的邏輯思維過程。

（2）從恒力到變力，遷移知識，實現(xiàn)思維進階

如圖3，可以從恒力沖量的計算方法，過渡到F-t圖像的面積表示沖量，再提出力隨時間先增大后減小的變力的沖量如何計算？也可借助“微元法”計算出t時間內(nèi)的沖量即為F-t圖像的面積。從定性和定量兩個方面對力的沖量計算進行科學(xué)推理、找出規(guī)律、形成結(jié)論，在師生討論中引導(dǎo)學(xué)生從淺到深地思考問題，激發(fā)高階思維的發(fā)生。

2.3 ? ?拓展教材資源，驗證動量定理，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)論證能力

介紹完動量定理的表達式，提出問題：動量定理是理論推導(dǎo)出來的，在實際碰撞中是否成立呢？我們還需要做什么？學(xué)生能回答出需要實驗驗證。教師展示實驗儀器（圖4），介紹DIS系統(tǒng)的工作原理，指導(dǎo)學(xué)生自主操作實驗，并根據(jù)測出的碰撞前后的速度，計算碰撞前后的動量的變化量，與借助軟件計算出的F-t圖像的面積進行對比，得到實驗結(jié)論。

從理論推導(dǎo)過渡到實驗驗證，形成了嚴密的思維論證過程。學(xué)生在觀察、實驗的基礎(chǔ)上通過科學(xué)推理和科學(xué)論證得到結(jié)論，加深了對動量定理的理解和內(nèi)化，也體驗了物理規(guī)律的得出過程和科學(xué)推理的思維過程。比傳統(tǒng)的僅從理論推導(dǎo)得出動量定理，再填鴨式地告訴學(xué)生動量定理適用于變力，更有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力。

2.4 ? ?合理糾錯，遷移知識，發(fā)展學(xué)生的質(zhì)疑創(chuàng)新能力

在教材中，列舉了生活中的很多實例，也計算了球棒擊球過程中的變力平均值。筆者認為，在應(yīng)用環(huán)節(jié)可以緊扣碰撞模型展開，充分暴露學(xué)生的易錯點，讓學(xué)生互相糾錯，激發(fā)學(xué)生質(zhì)疑思維的發(fā)展。

在教學(xué)時，筆者圍繞兩道例題和一個視頻開展，具體內(nèi)容如下：

例1 2010年8月19日，四川航空一架A321客機在5100米高空和飛鳥相撞，導(dǎo)致飛機受損。假設(shè)與飛機相撞的這只小鳥的質(zhì)量為1 kg，以20 m/s的速度水平迎面撞上速度為720 km/h的飛機并粘在飛機上，而飛機并沒有因為與鳥相撞而改變速度。若小鳥撞飛機的作用時間是0.002 s，試求出：

（1）碰撞過程中，小鳥動量的變化量？

（2）碰撞過程中，飛機受到的撞擊作用力是多大？

該道例題設(shè)置了兩個問題，第1問旨在強化學(xué)生對動量定理矢量式的理解，第2問在第1問的基礎(chǔ)上應(yīng)用動量定理的表達式求解變力。矢量性是動量定理應(yīng)用的易錯點，所以在應(yīng)用時需讓學(xué)生充分暴露并強化。這道題另外的用途就是，通過對計算數(shù)據(jù)的分析，讓學(xué)生體會小鳥撞飛機的力，在課堂上給學(xué)生普及機場附近“凈空”的重要性（圖5）。

例2 質(zhì)量為m的雞蛋，從高度h=0.8 m處自由落到硬質(zhì)地面上，如果作用時間Δt=0.01 s，求雞蛋受到地面的撞擊作用力是多大？若落在彈性地面上，從接觸地面到速度為零，作用時間Δt'=0.2 s，此時受到的撞擊作用力是多大？（g取10 m/s2）

解 以雞蛋為研究對象，在與地面碰撞之前自由落體，剛與地面接觸時，雞蛋的速度為：v0= ，經(jīng)過Δt=0.01 s時間后，速度vt=0，對雞蛋與地面碰撞過程分析，取豎直向上為正方向，則

代入數(shù)據(jù)可得：F=41mg

由牛頓第三定律可知：

由牛頓第三定律可知：

該例題既做到了對課堂的前后呼應(yīng)，又通過習(xí)題教學(xué)，使學(xué)生在科學(xué)思維、探究能力、實踐意識、科學(xué)態(tài)度等方面得到有效提升，激發(fā)了高階思維的發(fā)生。將“暴走雞蛋的跳樓實驗”問題轉(zhuǎn)化為定量計算的應(yīng)用習(xí)題，對學(xué)生的抽象思維、構(gòu)建物理模型、受力分析及運動過程分析、動量定理矢量性等學(xué)科綜合知識提出較高要求。學(xué)生思考求解的過程，就是思維逐步深入、知識逐步內(nèi)化的過程。

教材中還有其他的應(yīng)用舉例，筆者將教材中的應(yīng)用舉例進行有效整合，采取分類教學(xué)：一類是延長作用時間來減小沖擊力，另一類是減小作用時間增大沖擊力。通過制作教學(xué)視頻分類呈現(xiàn)動量定理的應(yīng)用，相比教材中的圖片展示，更能引起學(xué)生的興趣，提高了教學(xué)的有效性。

3 ? ?結(jié) ?語

只有符合學(xué)生科學(xué)思維發(fā)展的特點，充分調(diào)動其生活經(jīng)驗的教學(xué)資源，才能更有效地培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力。教師可以在教材已有教學(xué)資源的基礎(chǔ)上，適當(dāng)補充，合理重構(gòu)，在教學(xué)中重視概念的形成過程和規(guī)律的發(fā)現(xiàn)過程，重視和生活相關(guān)的實際應(yīng)用，精心優(yōu)化教學(xué)設(shè)計，使教學(xué)內(nèi)容更符合學(xué)生思維發(fā)展的特點，實現(xiàn)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的科學(xué)思維發(fā)展。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2]人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心.物理選修3-5[M].北京：人民教育出版社，2018.（欄目編輯 ? ?張正嚴）