基于物理学科核心素养的“问题串”探究教学

周金中

摘 要：物理学科核心素养可以落实在教学设计的各个环节.结合“动量和动量定理”教学分析，阐述了高中物理课堂教学实践中运用以学生核心素养发展为本位、以问题串探究学习为主线的教学策略，提供了基于核心素养优化课堂教学的若干可操作性强的教学建议.

关键词：核心素养；问题串；探究；情境

一、教学分析——基于核心素养的教学方式选择

（一）教材分析

动量、动量变化、冲量等概念是本章的核心概念，动量定理是分析碰撞问题的重要方法、也是理论推导动量守恒定律的基础规律.《浙江省普通高中学科教学指导意见》说明指出：动量定理的计算只限一个物体、一维运动和一个过程，不要求涉及连续介质.另外教材“科学漫步”栏目提到了“汽车碰撞实验”，“科学足迹”栏目提到了“运动量度的争论”，课堂教学的深广度有很大弹性空间.

（二）学情分析

学生在前一节“探究碰撞中的不变量”中遇见了多种碰撞模型，也初步感受到“动量”这个有意义的不变量，初步认识到了动量的矢量性.但是对于动量变化的矢量性的理解、实践有难度.学生可以基于牛顿第二定理推导动量定理表达式，但是往往在分析合外力冲量或者外力的冲量和时因为受力分析缺陷容易漏力.另外对于“缓冲”理解能套用动量定理但是难以自发探究动量定理与动能定理关于“力积累”的区别.

（三）教学分析思考——问题串探究教学与核心素养愿景

考虑本节教学特点，传统的传授式教学无法长久吸引学生的注意力，很难让学生领悟概念的内涵和外延，也难以激发学生探索和应用规律的热情.基于问题串的问题探究式教学，能在逐层深入的问题探究中破解概念理解的难点.问题串探究一方面连接学生的系列自主活动体验，另一方面不断建构新的认知知识基础结构，其本身探究任务驱动过程在不断地探索创新，有助于实现基于核心素养的教学理念.

二、教学目标——物理核心素养视角

（一）四维学习目标

1.物理观念

学生能进一步感受“追寻守恒量”思想，认识到碰撞中的守恒量是动量，理解动量变化的原因是力的冲量.

2.科学思维

学生能基于生活中的碰撞问题情境建构较为抽象的物理模型；学生能正确使用物理思维方法，从定性和定量两个方面进行科学推理、找出动量变化与F的关系、推导动量定理，并能解释各种“缓冲”实际问题；学生能经历批判性思维，能从动量定理和动能定理角度思考问题“量度”力，追求理论创新.

3.实验探究

学生在理解动量变化过程中经历实验分析环节，应用数学方法画出动量的变化量；学生在动量定理的理解过程中经历数据论证环节，预测、评估、交流实验结果；学生可以在弹性实验探究过程中使用传感器收集信息.

4.科学态度和责任

学生在“拯救地球”的情境中提升学习兴趣、强化责任感；学生在基于证据和逻辑的问题串探究中发表自己的见解；学生在“高空抛蛋”和“最美妈妈吴菊萍”实例分析过程中更深感受STSE关系.

（二） 教学目标思考——教育取向的课堂教学

教育取向的课堂教学以课堂教学为基础或载体实现教育的目标，即学生通过课堂教学活动实现身心积极、健康的变化.核心素养终归是立足培养全面发展的人，教学目标中的行为主体应该是学生，设置的探究目标必须是课堂上学生能够实现的，教学目标的四个维度也应该基于物理学科特点促进学生物理核心素养的发展.

三、教学过程

（一）引入新课——从同伴活动展示走向灾难拯救行动

1.本课“母问题”情境

导语：如图1所示，这是前不久校本课上同学们展示的“鸡蛋撞地球”的制作，在评判大家对鸡蛋的碰撞效果时也在想这样一个问题：如果从地球外来了几个大大的“蛋”撞地球會怎样？

播放电影“天地大冲撞”视频（http：//v.baidu.com/movie/28365.htm？fr=ps_twala），提出拯救地球的准备号召，如图2所示（ppt展示），“所幸我们还有160多年的准备时间”.

2.回顾式问题引出

导语：碰撞问题总有规律可循，千里之行始于足下，把碰撞问题研究的时空先迁移到我们的实验室.回顾探究“碰撞中”的不变量实验.对运动问题的研究，物理学家们的基本研究思想是“追寻守恒量”，上节课中，你的探究实验方案是什么？你发现碰撞中的不变量是什么？

3.引入教学建议

“鸡蛋撞地球”是很多学校开展的活动，尽量选学生较为熟悉的或者设计新颖的作品.“天地大冲撞”视频只播放影片中一巨石引起巨浪席卷美国纽约的一段视频，主要是激发探究碰撞问题的动机.

（二）新课教学——问题串探究学习

1.探究问题一：（它们）碰撞中的不变量

预设：质量与速度的乘积.

导语：是的，我们很多同学都发现碰撞问题中“它们的质量和速度的乘积即mv”在碰撞前后很可能是保持不变的，说明mv这个物理量具有特别的意义 ，我们把它定义为动量.

探究收获一：描述运动状态的新概念——动量，p=mv.

回望：科学前辈们就是在追寻不变量的努力中，逐渐建立了动量的概念.展示笛卡尔、惠更斯、牛顿的动量概念完善历程.

引问：站在巨人肩膀上审视“动量”概念要注意哪些要点？

引导学生归纳动量要点：瞬时性（描述状态）；相对性（参考地面）；矢量性（平行四边形法则运算）.

教学建议：引导学生自己参照速度的特点来归纳出动量要点.

2.探究问题二：（物体）动量的变化

引导观察：现在我们就可以用建立的动量概念来描述碰撞中物体的运动状态.

演示实验1：举高的煮熟鸡蛋落在讲台上.请同学用动量的概念描述鸡蛋的运动状态.目的是明确动量的矢量性，感受动量的变化.

演示實验2：弹力球自由下落碰到地面，弹回到原高处.抽象出例题1.

例1 一个质量是0.01kg的弹力球，以6m/s的速度竖直向下撞地面，沿着同一直线以6m/s的速度竖直向上运动，碰撞前后钢球的动量有没有变化？变化了多少？方向如何？

预设：学生在前例中能顺利回答第一问，而对变化了多少有困难.

引导：矢量计算方法和矢量作图法，让学生在黑板演示矢量作图法——“从减数指向被减数”.

拓展活动：平抛弹力球，碰撞地面后，对面的学生接住弹力球，抽象出拓展问题：若以大小6m/s与水平45°角速度碰撞地面，同样大小与地面成45°角反弹，与地面碰撞前后钢球的动量有没有变化？变化了多少？方向如何？

引导：（预设如图3所示）让学生在黑板演示矢量作图法.

探究收获：某段运动过程（或时间间隔）末状态的动量p' 跟初状态的动量p的矢量差，称为动量的变化（或动量的增量），即[Δ]p= p'-p=mv' -mv，要关注矢量相加减.

教学建议：要考虑学生的接受程度，引导基础较好的学生根据数学矢量运算原则画出动量变化量，可以先教师演示一维作图，学生模仿二维矢量作图.

3.探究问题三：（受力）变化的原因

问题：可见，碰撞中，对某物而言，动量会发生变化.那么变化的原因是什么呢？

引导：投影车祸图，分析（某车）动量变化原因.撞后的车子发生了形变，形变的原因是什么？

预设：受到了外力.

问题对象：研究物体A（或物体B）受到的力F……

抽象问题模型：投影图4.

引导学生推理：物体A受力，合外力F=ma，演绎推理出[F=ΔpΔt]，联想总结比值定义的价值.

探究收获：动量变化的原因是物体受力，而且物体动量的变化率等于物体所受的合外力.

教学建议：做好铺垫引导，形变与力有关而动量变化（速度变化）与加速度与力有关.

4.探究问题四：（效果）[Δp]与F的关系

引导：现在可以根据动量的变化率分析物体的受力情况了.

情景引入，还是一个鸡蛋，这次是从高层释放（图片展示）.

例2 一个鸡蛋，10楼窗台释放，设碰撞时间为0.01s，碰撞过程中鸡蛋受到的平均作用力是多大？

引导学生估算：一个鸡蛋的质量0.05kg，10楼窗台落地速度[v=2gh][=2×10×28m/s]

[≈] ，作用力F，比较一个鸡蛋的重力mg=

拓展问题：地面对鸡蛋的平均作用力是多大？

引导：动量的变化率对应的是合外力，受力分析时要关注包括重力在内受到的各个力.另外，大家可能还有疑问是什么让鸡蛋变得这么“重”呢？

实例分析：2011年感动中国最美妈妈吴菊萍（投影图5），“她有一双最柔弱的臂膀，也是2011年中国最有力的臂膀.”0.1s托起一个从10楼掉落下来的2岁小女孩.你能估算出平均作用力吗？

情感引导：0.1s的力我算不出多大，因为太大太大……

探究收获：可见，碰撞中，力对时间的积累非常有意思，物理上把这个有意义的量定义为冲量I=Ft.引导学生明确冲量的基本特点——矢量、过程量.

引导：我们再回头看外力的冲量，[mv'-mv=Ft'-t=FΔt]，发现一个新的关于动量的关系式，定量的表示[Δp]与F的关系.

探究收获：动量定理——物体在一个过程始末的动量变化量等于它在这个过程中所受 力的冲量.

活动分析：用10N的水平推力作用于水平地面上的桌子，作用时间5s，桌子始终静止不动.则水平推力的冲量是多大？

预设讨论：冲量50N·s，但动量变化量为零，矛盾吗？你关于动量定理的理解觉得有什么需要重视？

探究总结：①表明合外力的冲量是动量变化的原因；②动量定理是矢量式，合外力的冲量方向与物体动量变化的方向相同；③合外力的冲量等于外力冲量的矢量和（积累）.

教学建议：一方面重视情感渲染实施安全教育、情感教育，另一方面要特别实施好规范应用动量定理解决问题的基本程序.

5.探究问题五：（应用）变量分析

引导：动量定理表明了力、时间、动量变化量之间的关系，我们看看生产生活中是如何利用这个规律的.（投影一组实物）

引导学生讨论：如何减少作用力，理解“缓冲”.

预设：学生考虑是延长了作用时间，[Δp]一定，根据[F=ΔpΔt]分析，F减少.

拓展讨论引导：是否是延长位移？教学意图是反思比较动量定理与动能定理.

预设：学生考虑动能定理[Fs=12mv'2][-12mv2]，上面实例中动能变化一定，延长位移s，F减少.

拓展讨论引导：如果等速弹性反弹，动能变化为零，但是速度大小不同，动能定理就难以分析.从动量定理角度能更好地分析“缓冲”力的问题.

探究小结：力对时间的积累与力对空间的积累，从不同的角度看力积累的效果.动量定理的本质是牛顿第二定律，能更好地分析碰撞相关问题中的力与时间关系.

教学建议：动量定理分析缓冲问题要强调控制变量思维方法.另外，动能定理延长位移问题不要深究，避免教学“跑题”.

6.“弹性教学”探究活动：变力对时间的“积累”效果（选用部分）

问题：动量定理对变力问题的分析？

实验探究：指导学生利用传感器记录小球拉力与时间的关系，利用米尺测量小钢球下落高度，估算细线直时的初速度，分析力与时间围成的“面积”，分析合外力冲量与动量变化关系（如图6所示）.

教学建议：对学习特别优秀的学生，才展开此部分的“弹性教学”探究活动.引导学生经历变力冲量求解方法（力与时间的面积），同时检验动量定理.对普通学生可以采用简要介绍的方式实施，也可以不开展.

四、教学过程回味

（一）引入教学思考——围绕学生个性凸显情境价值

问题情境尤其是“母问题”情境是整节课的物理“奇点”，如同大爆炸理论中的“奇点”，是整节课所有问题的“源头”，其重要性可见一斑.母问题情境要彰显“兴趣”和“问题”两个维度的情境价值.而“回顾”是新课教学的必要思维步骤，或隐性或显性，无论形式怎样，其关键是：回顾的教学动作要自然、自在，回顾的教学内容要突出自主探究收获和个性问题创新，回顾的教学引导要巧妙开启学生的问题空间和思维空间.

（二）问题串探究思考——层层深入彰显核心素养

精心编织的问题串、多梯度的问题预设、多角度的问题引导，把看似零散的概念、规律有机渗透在问题探究的全过程.依托问题串探究辐射出学生丰富的、深层的思维活动，也自然地衍生出完整的知识结构，有机地把学生的认知、思维、情感统一在课堂互动中.

教学过程中以符合学生认知结构的问题串探究为主线不断更新学生的物理观念、以学生自主探究为中心的问题解决策略不断强化学生的物理思维方法、以精悍的部分实验探究为手段不断拓展学生的实验探究能力、以富含人文情怀和科学精神的问题情境潜移默化的培育着学生的科学态度和责任感.