基于科学探究下的概念规律课教学设计与实践——以教科版“动量”教学为例

蔡卫东

(江苏省前黄高级中学,江苏 常州 213161)

本节课以教育科学出版社选修3-5“动量”为例,基于物理学科核心素养探讨科学探究式教学在物理课堂中的应用与实践．通过研读整章教材,进行比较研究,合理整合重组.本节课从引入问题、科学探究、质疑释疑、拓展提升等环节,始终围绕科学探究这个关键词展开,达到了培养学生物理学科核心素养的教学目的．

1 设计思想与背景

教科版“碰撞与动量守恒”共有3小节构成.本节课鼓励学生主动探究、合作交流,在教师创设物理情境,有效形成科学问题的引导下,实现对知识的主动建构和学生科学探究能力的培养．为此,笔者基于两方面的思考进行教学设计．

1.1 基于新旧教材的比较

无论是科教版还是人教版新教材,都将动量的内容后置于选修系列3-5模块,而不同以往教材动量的内容被设置于力学部分.学生不仅要学会用动量守恒定律解决宏观物体的相互作用,还要为进一步认识微观粒子的相互作用问题铺垫．从内容的逻辑线索来看,两种教材的核心是要体现学习中的探究精神,强调物理学中“守恒量”的思想.教材第1节都通过探究实验引导学生体会碰撞过程中的不变量,再指出质量与速度的成积可能具有特殊的物理意义,进而在实验和理论的基础上给出动量和动量守恒定律.显然区别于以往教材直接给出冲量和动量的定义．当然,有限的几次简单测量并不能得到普适性的物理规律,但是两个物体在碰撞过程中很可能存在“守恒量”的猜想是有实验基础的,学生在追寻“不变量”科学探究过程中的切身体验十分有教育价值．

1.2 基于核心素养的培养

2016年9月,教育部下发的《普通高中物理课程标准(征求意见稿)》将物理学科核心素养概括为“物理观念”、“科学思维”、“科学探究”、“科学态度与责任”等4个方面．其中,“科学探究”主要包括问题、证据、解释、交流与合作等要素．科学探究是本节课的重中之重.本文主要设计了3个探究过程,一方面引导学生亲自去发现隐藏在现象背后“守恒”的自然规律,感悟自然界的和谐与统一;另一方面将实验技能的训练与科学探究过程的体验有机地结合,为物理概念的引入、物理规律的建立提供实验基础;第三,在科学探究过程中,包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等科学思维能力得到培养．

2 教学流程与点评

基于教材的比较研究和学生科学思维的发展,笔者依据整合创新教材,创设科学探究情境,渗透科学史教育的理念设计了本节课．从学生学习效果和教师观摩反馈来看,基本达成了教学目标．

2.1 课堂引入:创设物理情境,形成科学问题

师:近年来的热词“互联网+”,是把互联网的创新成果与经济社会各领域深度融合,当然,互联网也走进了我们的学习生活,微信朋友圈的一则“忆童年”引起了我这个60后老男孩的回忆和共鸣．

手机与电脑同屏展示:“打弹珠、骑马打仗、小火箭、斗鸡……”儿时的碰撞游戏给我们带来愉悦(展示图片1);但是,汽车追尾给家庭带来灾难(GIF动画);天体碰撞甚至会给全人类带来灾难(GIF动画)．

点评:课堂引入有互联网+、微信朋友圈等体现课程的时代性,又有学生既陌生又想了解的童趣游戏．教师将手机和电脑实现共屏展示,充分体现科技进步和社会发展是本节课的亮点之一．

图1

师:这些现象都与我们第1节讨论的“碰撞”有关.我们再来看一个视频,丁俊晖总能以各种形式把球打进,可见球和球之间的碰撞是否存在一定的物理规律?请大家回忆一下,我们学习了哪两种类型的碰撞?

生:弹性碰撞和非弹性碰撞(完全非弹性碰撞是非弹性碰撞中的特例)．

师:分成这两种碰撞的依据是什么?

生:碰撞前后两物体的总动能是否变化．

2.2 科学猜想:基于演示实验,培养科学思维

大自然在造就万物时,处处呈现了对称美,德国女数学家诺特指出:对应于每一种对称美,都有一条守恒定律．那么,非弹性碰撞前后,是否也有一个类似于动能这样的物理量保持不变呢?请大家讨论猜想．

(1) 质量守恒．质量并不描述物体的运动状态,不是我们追寻的物理量．

(2) 速度v．如果速度之和保持不变,可以写成表达式:v1+v2=v1′+v2′．请学生们观察小实验:让等质量的两小车由动碰静,碰撞前后速度之和可能不变;质量大的小车碰质量小的静止小车(质量悬殊稍大),碰后速度之和反而增大了．显然,速度之和守恒不具有普遍性．

我们通过实验现象进行科学猜想,又用实验否定了这个猜想,是否说明这个猜想毫无意义呢?当然不是,我们改变质量,导致速度发生变化,那么,这个不变量是否与质量m和速度v都有关系呢?进一步明确了我们科学猜想的方向．动能就是m与v2的组合,质量m和速度v还有没有更简洁的组合方式呢?

猜想(1)质量与速度的乘积mv．如果两小车各自的mv之和是不变量,则关系式可以写成

m1v1+m2v2=m1v1′+m2v2′．

(3)m12v1+m22v2=m12v1′+m22v2′，m12v12+m22v22=m12v1′2+m22v2′2……今天,我们首先从较为简洁的两种猜想入手进行定量研究．

点评:根据情境巧设问题,既回顾旧知,更为引导学生从实验探究入手,追寻碰撞中的“不变量”埋下伏笔．设计的问题兼具指导性和开放性,规避了探究的盲目性,又体现了科学规律的简洁之美,注重学生逻辑思维能力的培养．

2.3 科学探究:融入创新实验,建构物理观念

《课程标准》和教科书都只要求研究一维碰撞.这既符合物理学“从简单问题着手进行研究”的惯例,也符合学生的认知规律．

实验器材:小车(100 g),配重50 g若干，轨道，弹簧片.

师:轨道上的两辆小车发生一维碰撞,有多种方式?哪种方式最简单,即更便于我们实验操作呢?

生:动碰静、对碰、追及碰、由静止状态弹开……

师:动碰静如果碰撞后粘合在一起最简单,那么只要测量碰前和碰后各一个速度．

科学探究1:动碰静粘合.

图2

我们首先从最简单的碰撞形式入手进行定量研究,如图2．

(1) 两辆小车的质量m1=m2=100 g．碰撞前后的时间大约是2倍关系,说明碰前速度大约是碰后速度的2倍．为了更直观地验证猜想,我们可以把时间记入事先设计的Excel表格,利用公式计算功能,发现猜想(1)和猜想(2)可能都是正确的．如果两个小车的质量不相等,结果会怎样呢?

(2) 小车1质量m1=150 g,小车2质量m2=100 g．碰撞前后的时间没有比较清晰的倍数关系,记入表格进行公式计算,发现猜想(1)在误差范围内是正确的,猜想(2)明显不守恒．

(3) 改变两小车的质量,得到多组数据．初步得到结论: 猜想(1)是正确的,猜想(2)不正确．

点评:人教版教材“探究碰撞中的不变量”实验中,为便于提出不同的实验方法,引导学生注重实验中的科学思想,从不同角度呈现3种实验案例供选择．其中,案例1借助气垫导轨、数字计时器、光电门等器材的设计思想与教科版教材类似．但该方案由于滑块在气垫导轨上呈悬浮状态,碰撞时的稳定性较差,导致实验误差较大．我们还是借助DISLab数字实验室,将小车置于轨道上开展实验．光电门的位置是实验成功与否的重要因素,为减小系统所受摩擦力的影响,两个光电门应尽量靠近且在两辆小车发生碰撞的附近．

科学探究2: 动碰静分开.

我们在两小车碰撞处分别装上正对的弹簧片,研究动碰静分开的情况．需要测量碰前和碰后挡光片经过光电门共3个时间,记入Excel进行探究．

(1) 两辆小车的质量相等m1=m2=121 g．

(2) 小车1质量m1=171 g,小车2质量m1=121 g．

(3) 改变两小车的质量,得到多组数据．初步得到结论:猜想(1)是正确的,猜想(2)不正确．

点评:本环节用3个光电门分别采集3个时间,且满足m1≥m2,目的是保证小车1碰撞后不反弹．既保证实验探究简洁明了,又为下一探究环节围绕动量的方向性展开讨论埋下伏笔．

科学探究3:对碰后分开.

两小车对碰后分开的情况,需要测量碰撞前后共4个时间,两个光电门分别记录往返两次时间．为了更加精确地测量碰撞前后瞬间的速度,光电门需要尽量靠近些,且碰撞发生在两个光电门之间．课堂上多次请学生配合演示实验都不一定能成功,因此,我们对课前多次尝试之后成功的6组数据进行研究,如表1．

表1

师:分析数据,猜想(1)和猜想(2)都是不正确的．猜想(1)难道在对碰时就不成立了吗?如果不是,我们是否可以在数据处理过程中找一找出现的问题?

生:(展开讨论,寻找原因)速度是矢量,碰撞前后速度方向发生改变,我们要用“—”表示反方向．

师:(和学生共同修正数据)可见,猜想(1)仍然是正确的,猜想(2)不正确．这也给我们以启发:速度v是矢量,不变量mv也应该是一个矢量,有方向性．

通过大量不同形式的碰撞实验,如追及碰、弹开状态、二维碰撞等,又验证了更为复杂的守恒表达式,发现:两个物体碰撞时,一个物体的mv减少,另一个物体的mv一定会增加,而且它的增加量与前一个物体的减少量相等．这使我们意识到mv这个物理量具有特别的意义,物理学中把它定义为物体的动量p,p=mv,这个守恒规律叫“动量守恒定律”(板书)．

点评:3次探究都设计了如表1所示的表格,不仅有猜想(1)、(2),还有猜想(3)、(4)……．虽然探究3没有在课堂直接演示,重在数据分析,但在前两次探究的基础上加以说明,可信度高;Excel表格呈现的实验数据简洁明了,公式计算功能使数据处理简单方便,效果较好．

2.4 理论探究:建立物理模型,体验逻辑力量

经过3轮实验探究后,教师通过建构物理概念、建立物理模型、开展理论探究等教学策略,增强学生对核心概念、物理模型、物理规律的理解,从而培养学生的科学思维能力,促进学生物理核心素养的提高．

师:实验过程中,我们发现系统的动量总是不完全守恒,总存在一定的误差,你认为主要原因是什么?

生:系统受到摩擦力．

图3

师:我们把两小车碰撞理想化为没有摩擦力的模型,如图3,碰撞过程中的相互作用力是F1和F2,请从牛顿运动定律的角度,证明m1v1+m2v2=m1v1′+m2v2′．

教师巡视整个教室,手机和电脑同屏展示学生的证明过程.

根据牛顿第二定律:F1=m1a1,F2=m2a2.

根据牛顿第三定律:因为F1=-F2,所以m1a1=-m2a2.

碰撞时间极短,用Δt表示,则有

移项即证

m1v1+m2v2=m1v1′+m2v2′．

同时,得到动量守恒定律的条件是:系统不受外力或所受合外力为0．

师:动量守恒定律是自然界中最普遍、最基本的定律之一,大到宏观宇宙,小到微观粒子,又或是高速领域,只要系统所受的合外力为0．我们再来看一些例子:天体碰撞(GIF动画)、微观粒子碰撞(α粒子散射动画模拟实验)、汽车追尾(GIF动画)、飞机爆炸(GIF动画)等．似乎有些现象中系统所受的合外力并不等于0,动量是否也守恒呢?

师生共同总结:像这些爆炸、猛烈撞击等现象,内力远大于外力,我们认为系统也满足动量守恒定律的条件．

点评:建构理想化模型、开展理论探究等可以开阔学生的思路,便于他们自觉地运用所学知识来处理问题;再者,理论探究、逻辑推理也是科学探究的重要方法之一．

2.5 回归拓展:解释生活现象,关注科技发展

应用回归1:牛顿摆．5个完全相同的钢球组成的牛顿摆,把一个小球向左拉高释放,撞向其余静止的4个小球;把2个小球一起向左升起,同时释放,撞向其余静止的3个小球;把3个小球一起向左升起,同时释放,撞向其余静止的2个小球……分别会发生什么现象?

图4

我们用手机拍摄“慢视频”(如图4,iphone 7P有“慢视频”拍摄功能),手机和电脑同屏,让学生清晰直观地感受小球碰撞前后“速度交换”现象．这种奇妙现象是因为在碰撞中存在“不变量”的基础上还满足“机械能守恒”,质量相等的小球碰撞中“依次”进行“速度交换”．冰壶比赛中“打定”其实也是由于这个原理发生“速度交换”现象(播放“打定”视频)．

图5

拓展延伸2:陀螺仪．我们已经学习的关于物理学中“守恒”思想的有机械能守恒、能量守恒、电荷守恒等;今天学习的动量守恒定律是自然界中最普遍、最基本的定律之一;广泛应用于航空航天及航海的陀螺仪,是基于角动量守恒设计用来传感和维持方向的装置,进一步深造我们还将要学习角动量守恒等知识(演示陀螺仪现象,如图5)．

师生共同回顾学习本节课的收获,体会从实验和理论两个方面,寻找“不变量”及其守恒定律的过程;强调科学探究的重要作用,科学探究不能是形式主义的,它渗透于全部教学内容之中．

点评:这节课是科学探究的一个片段,学生在对碰撞结果有自己预期的基础上,应用物理知识和数学知识进行分析后,看看结论是否与生活经验一致.这是对于分析过程的一种“评估”．进而使学生在认识科学本质,理解科学·技术·社会·环境关系的基础上,逐渐形成对科学和技术应有的正确态度和责任感．

3 教学理念与反思

基本概念、基本规律和基本方法及其相互联系构成了高中物理的基本结构和完整体系,因此概念规律课是高中物理教学的一种重要课型．教科版“动量”一节引出“动量”概念,通过实验探究和建构理想化模型进行理论推导等方法得到“动量守恒”规律.笔者基于教学设计和课堂实践反思高中物理开展概念规律课的教学．

3.1 创设问题情境,激发探究潜能

物理情境的创设应有助于激发学生的学习兴趣和求知欲望,营造活泼的课堂学习氛围.当然,这是其功能的初级阶段．更为重要的是要创设便于发现问题的物理情境,引导学生在实际的物理情境中发现与探究主题密切相关的问题．一是通过游戏、实验、故事,或者是学生生活中熟知的典型事例创设问题情境．课堂引入时,借助热词“互联网+”展现教师儿时的游戏创设问题情境,将物理规律的探究主题与学生熟悉的物理现象及已有的知识结构联系起来,学生在必要的观察经验的基础上,运用已有的知识对探究问题进行初步猜想、分析和讨论．二是通过科学探究过程,或对学生已有知识的分析引申和逻辑展开创设问题情境．本节课的主体部分是3个实验探究过程,又用牛顿定律解决理想化的碰撞模型,从实验和理论两个角度明确“动量守恒定律”的研究主题．三是通过产生矛盾、设置悬念、进行类比等方式创设问题情境．如课堂结尾,牛顿摆为什么会出现速度传递现象;类比牛顿摆现象和冰壶打定现象;演示陀螺仪的奇妙现象将课堂拓展延伸．

3.2 注重科学探究,实现知识建构

高中物理规律的学习往往出现在学生毫无认识或认识不足的情况下告知学生,再逐字逐句解释和说明．这种做法离开了认识的基础,颠倒了认识的顺序,没有经过对有关问题的分析和必要的探究过程,就不可能理解它的真正含义．科学探究可以是直接从实验结果中分析、归纳、概括而总结出来,即实验归纳法;也可以利用已有的概念和规律,通过逻辑推理或数学推导,得出新的规律,即理论分析法．本节课将二者结合起来,重在科学探究过程．教师充分信任学生,科学猜想、科学探究、理论推导等环节鼓励和引导学生经历科学探究过程,实现知识建构．比较两种教材,人教版设计的3个参考案例探究性很强,实验结论没有给出,但在适当环节给出了提示,如,实验以“实验的基本思路”和“需要考虑的问题”展开,从而降低实验难度．笔者更认可对一种案例进行深度探究,本节课的3个探究过程,精心设计,由浅入深,既有为得到规律而开展的验证性探究,又有从实验过程中生成问题,设置悬念,通过交流、评价、修正等方式的思辨过程．激发学生对科学的热爱和对探究的兴趣,综合实验归纳法和理论分析法实现知识建构．

3.3 理解物理意义,做到学以致用

科学探究过程中知道不变量“mv”具有的特殊意义及其满足的等式关系,也是对动量概念和动量守恒定律的理解过程．对于重点物理规律,还要求学生灵活运用,这是将抽象物理规律具体化的过程,是理解的第二个飞跃过程．一方面要选择各种不同的实际问题情境,通过教师示范引导和学生交流讨论,让学生在解决实际问题的过程中,巩固、深化和活化对物理规律的理解;另一方面使学生掌握分析、处理实际问题的方法,发展学生分析和解决实际问题的能力、运用数学解决物理问题的能力、逻辑说理和表达能力,以及创造能力．慢视频播放牛顿摆现象、冰壶打定视频、手指上旋转的陀螺仪等是课堂的升华之处．限于课堂时间,学生观察慢视频,教师引导学生课后结合动量守恒和动能守恒寻找两个质量相等的小球发生弹性碰撞出现“速度交换”的原因,冰壶比赛中的打定现象就是这个原理．旋转的陀螺仪涉及未知的角动量守恒等知识,将高中物理课堂教学推向科学、技术和社会高度,培养了学生的科学态度与责任．

1 韦叶平.基于实验探究下的规律课教学实践研究——以创新建构“牛顿第二定律”为例[J].物理教师,2016(8):14-17,21.

2 耿宜宏,王志刚.基于问题探究式教学在高中物理课堂的实践与思考——以“牛顿第三定律”一课的教学为例[J].物理教师,2015(11):27-30.