对人教版“实验：探究碰撞中的不变量”导入部分的教学探讨

和晓东 张娜 蔡晓阳

(中山市第一中学 广东 中山 528400) (中山市实验中学 广东 中山 528400) (汕头市第一中学 广东 汕头 515041)

1 教材导入部分的编写思路

人教版教材“实验：探究碰撞中的不变量”一节中的导入部分编写思路如下．首先，借助举例说明“碰撞是自然界中常见的现象”；其次，通过实验演示质量相同及改变质量使之相差较多的小球A和B悬挂相碰，分析碰撞前后两球运动的变化，通过分析可知“两个物体碰撞前后的速度都会发生变化，物体的质量不同时速度变化的情况也不一样”．最后，编者发问——碰撞前后会不会有什么物理量保持不变？

2 问题的提出

通过对演示实验的分析，学生的确很容易知道质量和速度变化之间是有关系的．但是，这里存在3个需要思考的问题：

一是学生能否自主发现质量相同的A，B两小球的碰撞规律，即质量相等时速度交换.

二是他们能否主动拓展去思考质量不同的A，B两小球相碰又会有怎样的特点．

三是在没有过渡和引导的情况下，学生到底能否从“质量不同，速度变化不同”直接跳跃式地自主想到“有什么物理量保持不变”．

这是逐渐进阶的3个问题，前两个相对比较容易攻克，难的是第3个问题．

3 对问题的调查及结果分析

为了弄清上述3个问题，笔者专门对学生进行了调查．

3.1 调查过程

为了更详细地了解学生的思考过程，笔者采用调查表对学生进行调查．

首先，在腾讯视频客户端下载了“超级对称的牛顿摆”视频．

与直接阅读教材文本进行反馈不同，笔者精心选择了“超级对称的牛顿摆”视频让学生观看．该视频展示了牛顿摆的多种不同玩法，其中包括分别拉起一个、两个、三个小球由静止释放等，极具观赏性，视频中的部分现象如图1和图2所示．丰富多彩的物理现象不仅能让学生形成多维的感受，还可以激发学生的学习兴趣．兴趣是推动学习和思考的内部动机[1]．

图1 “超级对称的牛顿摆”视频截图1

图2 “超级对称的牛顿摆”视频截图2

其次，编制并打印“超级对称的牛顿摆”观后记录单．记录单上要求学生在观看完视频之后，写下最感兴趣的问题以及对其背后原因的思考．

再次，利用视频和记录单对汕头市第一中学(市重点中学)高一年级的43位学生进行调查，并回收全部记录单．调查时间设在高一下学期末，此时学生已经学完力学部分的相关知识，熟悉牛顿第二定律及能量守恒定律等，具备对牛顿摆现象的分析能力．

最后，对回收的记录单进行汇总分析．

3.2 调查结果

在回收的43份记录单里，针对前文提出的问题进行分析发现，有4位学生思考了等效于教材中B球的运动本质及规律的相关问题，占总人数的9%，学生基本上可以确定地得到“质量相等时速度交换”的结论；有5位学生涉及“质量不相等” 时小球的运动状况思考，占总人数的11.6%，但其中仅有1位学生的原因猜想靠近了本节课的教学内容，即当小球A的质量小于B时，碰后B的高度小于A在碰前静止释放的高度，由此可分析得到教材中对演示实验部分给出的结论——“两个物体碰撞前后的速度都会发生变化，物体的质量不同时速度变化的情况也不一样．”没有学生涉及到对“质量与速度变化有某种关联”问题的思考，虽然有3位学生认为牛顿摆中暗含有某种规律，但也只是停留于直觉，并不能给出合理的猜想．

除此以外，还有9位学生在思考“碰撞中能量是否守恒”的问题，占总人数的20.9%；有4位学生在思考“牛顿摆的意义”，占总人数的9%；有8位学生在思考“为什么中间的小球保持不动”占总人数的18.6%；还有10位学生在思考其他相关问题．

综上，我们可以发现，极少部分学生能够发现质量相同的A，B小球的碰撞规律；少部分学生能够主动思考质量不同的A，B小球相碰的特点；几乎没有学生能将碰撞小球的质量与速度变化关联起来，更谈不上想到“有什么物理量保持不变”．但是，部分学生对于能量守恒的问题分析比较透彻，说明他们对于能量守恒的应用掌握得比较透彻，然而也仅仅止步于应用分析，即便是“质量相等时速度交换”呼之欲出，这也反映出学生并不能很好地进行知识的拓展和归纳．

由此可知，教材试图通过碰撞的演示实验来让学生逐渐进阶地想到“有什么物理量保持不变”，这一活动并没有想象的那么顺利．

4 对调查结果的原因分析

为什么学生很难想到“有什么物理量保持不变”？笔者认为，这一困难的关键在于缺乏对“不变性”的追寻意识．

正如德国物理学家劳厄所说：“物理学的任务是要发现普遍的自然规律，而且又因为这样的规律性的最简单的形式之一，是它表明了某种物理量的不变性，所以对于守恒量的寻求不仅是合理的，而且也是极为重要的研究方向．”[2]通过查阅资料可以发现，书中导入部分的演示实验与当年荷兰物理学家惠更斯的碰撞实验极其相似．惠更斯通过实验发现“两个物体所具有的运动量在碰撞中都可以增多或者减少，但是他们的量值在同一个方向的总和却保持不变．”

与科学家们不同的是，学生的最大障碍正是在于缺乏对“不变性”的追寻意识．且不说让学生由碰撞实验主动想到“有什么物理量保持不变”，即使告知学生要“探究碰撞中的不变量”，学生也会有诸多的疑惑，比如“你怎么知道在碰撞中有物理量保持不变？”“为什么要探究不变量？”“是不是对于所有的现象都要想想有没有不变量？”等．可是，如果说此前学生并没有接触过“守恒定律”，有这样的想法再正常不过，然而事实是学生已经学习了能量守恒定律，依然还没有这些想法就不算正常了．

让人遗憾的是，在调查结果中不难发现，学生实则并没有理解“守恒定律”背后真正的价值和意义，更不用谈建立对“不变性”的追寻意识．因此，等到学习“探究碰撞中的不变量”时，学生根本无法主动想到“有什么物理量保持不变”，即使教材在空白处加上了说明，也只是显得突兀和不知所云．

另外，学生很难想到“有什么物理量保持不变”的原因还在于拓展和归纳能力的缺乏．由于学生习惯于接纳——应用的学习模式，他们更多的是关注知识本身及其应用，至于对知识的拓展和归纳则思考甚少，这就导致了即使是呼之欲出的推论，也无法向前迈步．

5 教学建议

针对以上的原因分析，笔者认为，可从以下两点突破“有什么物理量保持不变”的提问困难．

5.1 提前“埋种”建立学生对“不变性”的追寻意识

当学生由“单摆小球似乎总能达到同样的高度”这一现象学习完机械能守恒定律之后，教师需要“趁热打铁”地引导学生去感悟——白云苍狗，沧海桑田，在这变幻无常的背后似乎存在一种不变的秩序，而科学正是在万般变化中找到“不变性”，敏锐的科学家们早就感觉到了这一点．事实上，追寻 “不变性”正是科学思想的萌芽所在．通过借助生动的语言描述，让学生体会“不变性”支配自然规律的震撼，从而将他们头脑中的“守恒定律”从知识层面升华到意识层面．升华的过程还可以借助物理学史或者名人警句等，比如美国物理学家费恩曼曾说：“有一个事实，或者如果你愿意，也可以说一条定律，支配着至今所知的一切自然现象……这条定律称作能量守恒……”

“除了机械能是守恒不变的，在我们的宇宙中，你觉得还有没有其他的东西也可能是不变的呢？”这一顺理成章的问题可以让学生的思维发散开去．通过千百年对天体运动的观察，人们似乎并没有发现天体的运动有减少的现象.借此埋下“运动不灭”的种子——事实上，与能量一样，“存在于宇宙中的运动的量永远是一样的．因此，运动不能创造，只能转移．”[3]

5.2 充足“施肥”引发对问题的主动生成

在“实验：探究碰撞中的不变量”的第一课时，教师可以安排充足的时间给学生自主分析和讨论，让学生尝试从受力、运动状态、能量3方面去透彻地挖掘两悬挂小球在碰撞中的各个规律及特点，并进行拓展和归纳．打一个这样的比喻，当“种子”被施上“时间”的化肥后，会产生意想不到的化学反应，他们或许会感觉到，在这个碰撞中，好像有什么东西没有变，而且这个东西与小球的质量和速度有关．在主动生成问题的前提下，才能进行后续的实验探究和物理量的定义等．

当然，相比起 “填鸭式”的“高速”教学模式，这种方法看似费时，实则更能让学生体验到探索的乐趣和成就感，有效地促进学生科学思维与探究能力的发展．