关于动量守恒定律教学高端备课的探讨

乔 通

(许昌学院教育科学学院,河南 许昌 461000)

关于动量守恒定律教学高端备课的探讨

乔 通

(许昌学院教育科学学院,河南 许昌 461000)

本文从高端备课的角度,依据科学认识论和学生的学习规律,对动量守恒教学重新做了设计,最后总结出了对物理探究教学设计的几点启示．

高中物理； 动量守恒;高端备课;探究教学

动量守恒定律一直是高中物理力学教学的重要内容,对这个知识点的教学似乎早已没有更多可商榷的问题了,但是仔细琢磨不难发现教材中仍然存在着一些逻辑错误．有鉴于此,本文对动量守恒定律的教学逻辑进行了再思考,希望对中学物理教学有所裨益．

1 该节教材编写中的问题

当前动量守恒教学,主要有两种教学思路,基本上集中体现在两套教材的编写中．

大纲版教材中在介绍动量守恒定律之前先介绍了动量定理．其教学过程是这样设计的:首先,在复习前一节动量定理的基础上,设置情境,滑冰场上两个原来静止的学生,无论谁推谁,他们都会朝相反的方向滑去,他们的动量都发生了变化,两个人本来都没有动量,现在都有了动量．紧接着提出问题:如果物体相互作用,动量的变化服从什么规律呢? 之后,教材设计了小车实验来进行实验探究．通过实验得出了动量守恒的结论．接下来,教材提出了一个更复杂的碰撞问题,两个质量不同的小球,沿着同一直线朝相同的方向运动,速度大的小球追上速度小的球,两球发生碰撞,问题是碰撞前后的总动量有什么关系．教材中用牛顿第三定律和动量定理推导,最后得出动量守恒的结论．[1]

显然,从整体上看,这种教学逻辑从简单到复杂,从现象到理论,体现了一定的认识规律．但是,这种教学设计从问题的提出,到实验的实施,再到结论的推导,都是教师主导,较少学生的参与．从学生思维参与程度分析,学生从一开始就不清楚为什么要提出这样的问题,于是整个教学过程中学生的思维无法被充分调动起来．

新课程改革提倡探究教学,意在让学生经历科学探究的过程,于是教材编写也发生了较大变化．课标版教材中,在动量守恒和动量定理之前,安排了一节“探究碰撞中的不变量”,意在通过科学探究,让学生经历问题的提出、猜想、验证等环节,体验动量守恒定律得出的过程．[2]这样的教学安排貌似是合理的,但是其中却隐藏着逻辑错误．

首先,科学研究的第一步是提出问题,于是教材首先提出问题:寻找不变量．这里貌似在进行科学探究,然而事实上,这样的问题已经预设了我们要寻找一个不变量,而这样有明显预设的科学问题学生是无法提出来的,也是无法理解的:为什么要寻找不变量?又怎么知道这里面一定有不变量?

其次,在提出问题之后,教材作出了假设．在这一步,教材中假设了多种动量守恒的关系式,有mv,mv2,v/m等等形式．然而为什么要作出这样的猜想,却没有丝毫的逻辑可言．因此,这样看似是让学生经历探究的过程,但是学生对物理知识的发现过程依然是模糊的，并且这给学生造成的印象也是科学研究似乎可以任意地制造假设.

总之,教材中这样设计教学过程看似是探究教学,而其实是伪探究,因为从问题到假设,教材中已经有太多的预设,只是形式上引导学生进行所谓的科学探究．而真正的探究教学需要引导学生从情境中自然而然地发现问题,而不是直接提出带有明显预设性的问题．真正的探究教学需要有根据的提出假设,而不是作出没有根据的胡猜乱想．鉴于此,我们对这节课的教学逻辑进行了再思考．

2 该节高端备课的过程

基于以上认识,我们这样设计这节课的教学:首先从具体情境入手,让学生分析问题,解决问题．然后,让学生在解决问题的过程中发现不变量,即动量守恒,这相当于作出科学假设．最后对假设进行实验验证．具体的教学环节介绍如下.

2.1 问题1: 冰壶比赛

首先,播放奥运会冰壶比赛视频．在视频中,出现两个冰壶发生正碰,之后原来静止的冰壶运动,而原来运动的冰壶却突然静止．由于平时学生较少遇到这种现象,这样能起到激发学生思考的作用．于是学生在好奇心的驱动下,不免产生疑问:两个冰壶碰撞后为什么原来运动的冰壶会突然静止?但是,此处学生的疑问并不是科学问题,教师可以继续引导,将学生的“为什么”的问题引导至“是什么”的问题:我们看到原来静止的冰壶运动了,它的速度看似是等于原来运动的冰壶速度,但是究竟是不是呢?它的速度是什么样的呢?与原来运动的冰壶相比,其速度是变大了?变小了?还是不变?

下面教师就可以引导学生运用已有的知识解答上述的问题．在此,设原来运动的冰壶质量为m1,原来静止冰壶质量为m2．因两个物体相碰撞,根据牛顿第三定律有F1=-F2.

根据牛顿第二定律F=ma,代入上式可得

m1a1=-m2a2.

由于我们要得出速度关系,所以需要把加速度关系式替换成速度关系式,因此代入加速度的定义式a=(v′-v)/t,于是有

m1v1′-m1v1=-(m2v2′-m2v2).

由于从视频中看到,原来运动的冰壶1碰撞之后静止,故有m1v1′=0;冰壶2碰撞之前静止,故有m2v2=0．把已知条件代入上式有

m1v1=m2v2′.

由于两个冰壶质量相等,所以v1=v2′．

这样,我们就从理论层面上回答了上面的科学问题，并且得出了一个规律,如果有两个质量相同的物体发生正碰,就会发生速度交换．

2.2 问题2: 小车弹开实验

接下来设计第2个情境:有两辆质量相同的小车,中间有一个弹簧,刚开始使弹簧处于压缩状态,并用绳子系紧,剪断绳子之后,两小车弹开后速度近似大小相等．接下来,给其中一个小车上增加重物,就会发现有重物的小车弹开的速度明显小于空车．

这个现象较为普通,但是学生不免产生疑问:这个现象怎么解释呢?有了前面的例子,学生在此已经有能力独立解决这个问题,教师便可以让学生自己独立解决．

设两辆小车的质量分别为m1和m2．对于两辆小车,根据牛顿第三定律,有F1=-F2.

根据牛顿第二定律F=ma,代入上式可得

m1a1=-m2a2.

由于我们要得出速度关系,所以需要把加速度关系式替换成速度关系式,因此代入加速度的定义式a=(v′-v)/t,于是有

m1v1′-m1v1=-(m2v2′-m2v2).

下面把初始条件代入上式有

m1v1′=-m2v2′.

当小车质量相同时,有v1′=-v2′,即小车1和小车2的末速度大小相等,方向相反．

当小车1上增加重物时,有v1′ <|-v2′|,即小车1的速度大小小于小车2的速度,并且两车速度方向相反．

这样,我们从理论方面解决了实验中的问题．同样也得出了一个新的规律:如果两个小车相互弹开,质量大的小车获得的速度小;质量相同时,两小车的速度大小相等．

2.3 “发现”不变量

通过解决以上两个问题,学生已经清楚其中的解决思路和过程．这时可以顺理成章地引导学生发现其中的共性．这一步,我们可以问学生:大家发现以上两个问题中有什么共性?

通过教师引导学生容易发现，在研究对象方面,我们处理的问题都是两个物体相互作用的问题．一个是相互碰撞,一个是相互分离，其实都是相互作用．在研究方法方面,我们在处理这两类问题的时候都用到了牛顿第三定律和牛顿第二定律．

教师可以适当提示:在研究过程方面有没有共同点?

这时学生容易发现，在研究过程中,有一个中间结论是相同的,那就是这两个问题都有以下关系式成立，即

m1v1′-m1v1=-(m2v2′-m2v2).

此时,教师就可以引导学生进一步发现，这就值得我们关注了,为什么总会有这个关系式成立?而这个式子又有什么物理含义呢?

在此,教师可以引领学生理解，等号左边代表物体1的mv增加,等号右边代表物体2的mv减小．显然,从以上的式子可以直观地发现，两个相互作用的物体,一个物体的mv增加,等于另一个物体的mv减小．换句话说,对于两个相互作用的物体而言,我们发现这个mv是一个不变的东西,这个特殊的不变量,物理学上叫做动量．这个关系式就是我们今天探究学习中发现的重要物理规律,叫做动量守恒．

到这里,我们得出了假设,但是理论假设的正确性还有待于进一步的实验验证．

2.4 实验验证和讨论

在此,我们可以用课标版教材上设计的气垫导轨实验或者两个摆球碰撞实验来验证上述动量守恒的假设．通过实验验证之后,我们就得出了动量守恒定律．

由于我们发现的动量守恒的表达式在形式上与动量守恒的常用表达式有所出入,于是需要引导学生做进一步的讨论．

此时,教师可以向学生提问,让学生对照课本,对比我们发现的动量守恒表达式和课本上的不同之处．通过对比发现,只需要把上面的式子移项就可以写成动量守恒定律的常用形式:m1v1+m2v2=m1v1′+m2v2′．

此时教师需要解释清楚为什么需要移项．移项不仅仅是一种数学上的处理,而且更重要的是两个表达式分别代表了的不同物理意义．教材中式子的物理意义是:两物体相互作用之前的动量之和等于相互作用后的动量之和．也就是说,这种形式的动量守恒是站在“两个物体”也就是“系统”的视角来表达物理规律的．它表达的意思是,系统前后两种状态下的总动量守恒．而移项之前的动量守恒表达式是站在单个物体的角度研究问题的．这样做的好处就是,往往我们知道系统之前的总动量,而想知道相互作用之后系统中各个物体的动量,这样我们就很方便运算了．教师可以例举以前的小车实验,让学生通过具体的练习体会移项后的表达式的优点．

3 启示及建议

本文从一个新的视角设计了动量守恒定律的教学过程,力求真正引导学生体验知识发现的过程．纵观整个教学过程,可以得出以下几点启示及建议.

3.1 探究教学应展现知识发展自身的逻辑

相比之下,我们设计的探究教学最独到之处在于:发现守恒量,不是寻找守恒量．寻找守恒量这种教学设计在教学之前就假设了自然界中有守恒量,我们一定可以找到守恒量,这样的逻辑前设是独断的,是让学生费解的．因此,教材中的探究教学生搬硬套探究的过程,而未能展现知识内部发展的内在逻辑,是假探究．而我们所设计的教学逻辑是引导学生通过分析不同情境中的问题,从而发现其中共同的关系存在(动量守恒关系式)．这就体现了科学发现的逻辑,这样的教学更合乎知识发展自身的逻辑．这样的探究教学才是真探究.

3.2 探究教学应从具体问题开始

任何一个科学问题的提出都不是抽象地提出的,而是基于一个特殊情境提出的．教材中的假探究其实就错在这里,企图从一个抽象问题出发展开探究．其实这个抽象问题的背后已经预设了一部分结论,这样的问题必然令学生无法思考．因此,正确的设计思路应该是先从一个具体情境出发展开探究．但是在实际教学过程中,有很多时候某个具体的问题并不是我们要解决的科学问题,这时可以通过对具体问题的分析,把具体问题逐渐上升为更加抽象的科学问题．[3]本文的设计思路就体现了这样的思想．

3.3 探究教学中假设的提出应体现逻辑性

假设是科学探究的重要环节,是对科学问题的尝试性解决．对于假设教学必须明确的是,假设是根据一定的科学现象和相关理论,对科学问题尝试性的解决,不能为了假设而假设．[4]因而假设教学的重点应放在引导学生分析和解决问题，应避免突兀地提出假设．教材中科学假设的教学过程逻辑跳跃性太大,显得很随意,似乎假设是凭空想象得来的．这不仅不利于学生参与问题解决的过程,无法理解假设的内容,而且会使学生对科学本质产生错误的认识,似乎科学假设是科学家任意制造的．因此,假设的教学过程要充分展示出问题解决的过程,这样才能使假设的得出具有逻辑性,才能引导学生做出合理的假设或者充分理解假设的内容．

1 人民教育出版物理室. 物理(第二册)[M].北京:人民教育出版社,2003:8-11.

2 人民教育出版社课程教材研究所. 物理(选修3-5)[M].北京:人民教育出版社,2014:1-15.

3 秦晓文. 科学探究中提出问题的教学策略[J].课程·教材·教法,2016(5):118-121.

4 黄顺基. 自然辩证法概论[M].北京:高等教育出版社,2004:100.

5 邢红军，石尧，李静.“平抛运动”教学的高端备课[J].物理教师，2014(6)：19-20.

6 曹开铮.例谈中学物理“高端备课”的基本策略[J].物理教师，2016(8)：36-38.

本文系2017年度许昌学院校内科研基金项目“小学科学教师科学认识论知识的调查研究”成果(项目编号：2017YB042).

2016-09-09)