感受科技魅力 发展学生核心素养——以“光子的力量”教学设计为例

李 萍 李俊鹏

（1.中国农业大学附属中学，北京 100193；2.北京市海淀区教师进修学校，北京 100195）

1 教学设计指导思想

《普通高中物理课程标准（2017年版）》界定了高中物理的课程理念.注重体现物理学科本质，培养学生物理核心素养.注重课程的时代性，关注科技进步和社会发展需求.高中物理课程在内容上注重与生产生活、现代社会及科技发展的联系，反映当代科学技术发展的重要成果和科学思想，同时关注物理学的技术应用带来的社会问题，培养学生的社会参与意识和社会责任感.

这就要求教师们在备课、上课的过程中，不能仅仅着眼于基本知识的掌握、基本规律的理解和应用、基本技能的培养，更要从物理观念维度帮助学生构建完整的物质观，深刻理解运动和相互作用观，从科学思维角度关注基于经验事实构建物理模型的抽象概括过程，在教学中注重体现物理与科技紧密相连，从科学态度与责任维度培养学生的参与感、获得感.

2 教学内容分析

“光子的力量”是基于动量定理在微观世界建构模型的综合复习专题课.在新高考改革的背景下，我们依据课程标准来指导教学.课程标准内容要求，理解动量定理和动量守恒定律，知道动量守恒定律的普适性，在分析物理问题的过程中，体会自然界的和谐与统一，了解太空物体的碰撞和微观粒子的碰撞等，拓展对物理世界的认识和理解，深化对物体之间相互作用规律的理解.综合复习将面对的是学业水平较高要求，理解所学的物理概念和规律及其相互关系，能正确解释自然现象，综合应用所学的物理知识解决实际问题.能将真实的实际问题中对象和过程转换成所学的物理模型，认识到物理研究是一种对自然现象进行抽象的创造性工作.

从近几年高考来看，动量定理、动量守恒定律都是高频考点，要求较高，侧重与科技前沿、社会热点问题相关，通过微观粒子模型的构建和动量定理的应用来解决实际问题.通过动量的观点，可以将高中力、热、光、电、原的各个领域整合在一起，简洁统一.通过动量定理、动量守恒定律探寻科技前沿的秘密，让动量定理、动量守恒定律成为学生解读微观世界、探索新世界的密钥，从动量的视角看世界.

3 学生学习情况分析

（1）物理观念方面：学生对光具有波粒二象性有一定的感性认识，掌握了动量与冲量基本概念，对动量定理、动量守恒定律有了较深刻的理解和认识，能够熟练运用动量定理解释宏观世界的运动现象，学生对动量定理、动量守恒定律在微观世界的应用存在一定的差距，对光子的动量和能量的理性认识有待具体化，对自然界的和谐统一的观念需要具体的实例进一步丰富认识.

（2）科学思维方面：具有基本的逻辑分析和推理论证能力，有一定的应用数学方法研究物理问题的能力，有一定的构建物理模型的能力.物理观念是物质基础，科学思维是核心素养的核心，构建物理模型是科学思维的重要表现.学生对于复杂问题欠缺分层次、分阶段的思想方法，欠缺梳理内在逻辑关系的能力.面对陌生的真实情景，学生构建物理模型的能力有待提高，特别是把科技前沿问题的转换成物理模型的能力，需要继续提高.

（3）科学探究方面：学生具有一定的科学探究能力，在理论探究方面也具备一定的猜想、分析、论证、数学推导等意识，面对全新的陌生的问题，还需要适当的迁移能力，使得科学探究趋于内化，有待继续提高.

（4）科学态度与责任方面：学生具有一定的学习物理的兴趣和对科学的尊重，对科技前沿、社会热点有较强的兴趣，能够感受到基础物理的重要性，但对科技前沿背后物理本质的认识感到高不可攀，不善于运用现有的物理观念和科学思维，对其本质进行模型构建、科学探究.还应该认知到物理是人类认识自然和发展进步的重要基础学科，同时感受科技的巨大魅力，增强社会责任感和使命感.

4 教学目标分析

教学目标以模型构建为学习主线，结合具体的知识点和素养发展要求来表述.

（1）通过光压存在的可能性猜想，明确光具有粒子性、波动性、电磁波的本质，光具有动量、能量；传播过程中方向发生改变，光子动量发生改变；散射时频率发生改变，光子动量发生改变，丰富学生的物质观.

（2）通过理论探究光压大小影响因素，侧重光的粒子性，培养学生模型构建能力，发展学生科学思维.

（3）通过太阳帆面积的可行性评估，进一步提升学生模型构建、运用物理规律解决实际问题的能力.

（4）通过光镊的探究，再次见证光子的力量，再次培养学生模型构建能力，体会宏观世界与微观世界的和谐统一，丰富学生的运动和相互作用观.

（5）通过激光制冷的设想，将力、热、光统一起来，使学生感受物理学统一和谐、简洁之美；从波粒二象性的角度解释“绝对零度无法达到”，促进学生形成全面的物质观.

（6）通过对太阳帆、光镊、激光制冷的了解，感受大国重器的魅力，提高学生科学责任感和使命感，浸润心灵.

5 学习过程设计

本节课是动量守恒定律专题复习“粒子流模型”中的最后一节课.单元核心知识就是动量定理的碰撞模型，构建不同的表现形式，加深理解运动和相互作用观.如图1所示.

图1 粒子流模型专题复习

本节课共分两部分：一是探究光子的力量；二是见证光子的力量.从实践上升到理论，探究光子的力量；再将理论运用到实践中，见证光子的力量，符合学生的认知规律.教学结构图如图2所示.

图2 “光子的力量”教学结构图

根据皮亚杰建构学习理论，学生在学习过程中学习意义的获得，是每个学习者以自己原有的知识经验为基础，对新信息重新认识和编码，建构自己的理解.教师是教学的引导者，并将监控学习和探索的责任也由教师为主转向学生为主，最终要使学生达到独立学习的程度.

光子的力量与其他模型不同之处在于：水、空气、离子、分子都是实物或实物粒子，有质量，1个粒子的动量可以用p=mv来表示，和宏观物体的动量表达相近.大量的粒子表现出的作用力，宏观表现往往与“体积”或“总质量”有关，学生比较容易迁移.而光子不是实际存在的实物粒子，没有静止质量，大量光子表现出的作用力，宏观表现往往与“光强”“受力面积”有关，这一点学生在知识迁移过程中，有一定的困难.所以，在教学上设置合适的问题，选用合适的视频等教学资料，能够起到事半功倍的效果，帮助学生能力的迁移、思维品质的提升、核心素养的形成.

6 主要教学活动设计

教学流程图如图3所示.

图3 “光子的力量”教学流程图

6.1 以核心问题引领科学探究

（1）观看视频资料：我国首次完成太阳帆在轨关键技术验证，天帆一号试验成功（如图4所示）.

图4 “天帆一号”在轨试验成功

（2）光子的压力是如何产生的？

（3）影响光压（压强）大小的因素有哪些？

（4）光压产生与气体压强产生相比，模型建构、微观本质、宏观表现有哪些相同点与不同点？

6.2 以核心任务发展科学思维

解决实际问题：太阳帆面积可行性评估.

问题：利用太阳光的“光压”为探测器提供动力，将太阳系中的探测器送到太阳系以外，这就需要为探测器制作一个很大的光帆，以使太阳光对光帆的压力超过太阳对探测器的引力，不考虑行星对探测器的引力.假设帆面始终与太阳光垂直.光帆能将太阳光全部吸收，（引力常量G、太阳质量M，太阳帆质量m、太阳辐射功率P已知），求太阳帆面积满足的条件.

图5 太阳帆推动航天器

6.3 以科技创新发展科学思维

创新思维：光镊的设计.

（1）问题：激光束可以看作是粒子流，其中的粒子以相同的动量沿光传播方向运动.激光照射到物体上，在发生反射、折射和吸收现象的同时，也会对物体产生作用.一束激光经S点后被分成若干细光束，穿过一个介质小球.已知光束①和②强度相同，图中O点是介质小球的球心，入射时光束①和②与SO的夹角均为θ，出射时光束均与SO平行.若不考虑光的反射和吸收.请作图分析.

如图6所示，请你以某一长度的有向线段表示光子的动量.

图6

（a）画出光束①通过介质小球过程中光子动量变化量；

（b）画出光束①因折射受到介质小球对光束施加力的大致方向；

（c）画出两束光光子对介质小球的作用力合力的方向；

（d）分析说明，如果介质小球只受到两束光子的作用，将会怎样运动（如图7所示）？

图7

（e）分析说明，如果向上移动介质小球，小球受力将如何变化？

（2）观看光镊视频资料，见证光子的力量.

（3）请你展开想像的翅膀：激光能给物体制冷吗？

（4）观看视频：大国重器——上海光源所.

7 学习效果反馈性评价

针对物理学科核心素养的4个方面，高中物理学业质量划分了5个水平层级.教师在制定评价方案时，要针对学生的情况和发展需求，选择适当的水平层级命制或选取评价的问题.学生在本节课学习时，将面对高考，因此题目应以学业水平3、4的要求为主，对比较优秀的学生，可以选择水平5的问题.下面以一个例题说明.

例.一台功率为P0的激光器发出一束激光，光束的横截面积为S.假设该激光束垂直照射到某物体表面，光子的频率是ν，已知普朗克常量为h，光速为c，则在时间Δt内，求：

（1）激光束发出的光子总能量E；

（2）激光束发出的光子总个数N；

（3）一个光子的动量p；

（4）假设光子全部被吸收，激光束在物体表面产生压力F1；

（5）假设光子全部被反射，激光束在物体表面产生压力F2；

（6）假设光子一半被吸收、一半被反射，激光束在物体表面产生压力F3；

（7）以上3种情况下，激光束在物体表面产生压强p光；

（8）光压与哪些因素有关？与哪些因素无关？

（1）-（3）小问属于基本概念规律的考察，初步了解所学的物理概念和规律，能解释简单的自然现象，解决简单的实际问题，属于学业水平1、2的层级；（4）-（6）小问主要考察模型构建，能在熟悉的问题情境中根据需要选用所学的恰当的模型解决简单的物理问题：能对常见的物理问题进行分析和推理，获得结论并作出解释，属于学业水平3、4的层级；（7）（8）小问，能清晰、系统地理解物理概念和规律，能正确解释自然现象.综合应用所学的物理知识灵活解决实际问题，属于学业水平五的层级.

8 教学设计反思

从整体上看，本节课教学设计符合学生核心素养的课程改革理念.探究光子的力量，光子具有波粒二象性，以电磁波的形式传播，这些都是物质性的表现；光压的产生是光与物质的相互作用，在相互作用中完成能量和动量的传递与交换，这些都是物理观念的具体表现；通过模型构建解决实际问题，结合类比、对比的方法，运用逻辑推理等物理思想和方法，培养了学生的科学思维；理论探究也培养了学生的探究能力；中科院上海光源所作为大国重器为我国微操控领域提供技术保障，“天帆一号”标志着我国航天人在航天领域的新突破.这些都能对学生进行很好的德育教育.太阳帆、光镊、激光制冷等科技前沿问题，不仅让学生感受到科学的魅力，而且也培养了学生科学态度与责任感.通过问题或多种活动的设计，让每一个学生主动参与到每一个学习过程，落实核心素养基于课堂上真实问题情景中自然而然地发生和实现.学习物理是从内部而生发的，爱国主义情感培养、德育教育也是浸润式的，不是听见，而是情感的触动.在教学中，物理教师要建立大物理观念，做科学教育，在有限的时空观里给学生留下科学的图景.

总之，只要再想深入一些，尝试着去做，坚持做，世界就会不一样.