通过“脚手架”理论建构物理模型的探索

摘  要：在“碰撞”的课堂教学中，渗透物理学科素养的培养，引导学生建立物理观念，发展科学思维、通过搭建合适的脚手架，进行科学探究，培养学生良好的科学态度与责任，促进学生形成良好的知识结构，保证教学目标的顺利达成。利用“5点量表”的心理测量方法，对课堂教学设计的效果进行测量，检验教学设计的效果，为碰撞的物理教学提供一般方法。

关键词：物理学科素养;脚手架;碰撞;物理模型

一、问题提出

“碰撞”是动量守恒定律的重要应用，在人教版选修教材中，通过前三节的教学铺垫，首先通过提出问题、通过进行猜想和验证假设，通过实验探究让学生体验探究自然规律的过程，进而引导学生发现碰撞中的不变量，建立动量的概念，并挖掘出动量定理和动量守恒定律。在第四节的编排上，基于学生的认识，教材首先提出了两物体碰撞过程遵循动量守恒定律，并在此基础上通过思考与讨论引导学生探究一维碰撞过程能否遵从能量守恒定律，从而引入弹性碰撞、非弹性碰撞的概念，希望学生能够应用相关规律解决实际问题。

教材在编排上预设了一条逻辑主线，让学生目睹了整个探究过程，但教学过程是动态的，需要学生的主动参与和积极探索，因此，需要在教学上为学生搭建“脚手架”，促使学生凭借已有的知识、经验和能力，完成知识的构建。

在教育心理学领域中，“脚手架”理论起源于维果茨基的“最近发展区”的学习理论。维果茨基将儿童认知的发展划分为两种水平：一是儿童实际的学习水平，即儿童已经掌握的知识及技能水平;二是潜在的学习水平，即儿童即将达到的发展水平。维果茨基把两种水平之间的差异称之为“最近发展区”。它表现为“在有指导的情况下，凭借成人的帮助所达到的解决问题的水平与独立活动中所达到的解决问题的水平之间的差异” 。

由外界提供的帮助即“脚手架”，脚手架在教学领域可能是一种教学策略或教学工具，伴随着学生学习能力的逐渐提升，让其承担更多的学习责任，最后主导学习，并通过学习建构出属于自己的知识。换言之，处于实际发展层次的学习者，通过教师搭建的“脚手架”，跨越最近发展区，最终达到潜在的发展层次。

笔者以碰撞为例，通过本节课的学习，引导学生运用已有的知识，使学生从具体的物理情境中进行科学的探究，主动建构新的物理模型，通过搭建合适的脚手架，更好的渗透物理学科素养。

二、教学思想与教学设计

（一）教学思想

教育部發布的《全面深化课程改革，落实立德树人根本任务的意见》中提出“继续推进课程改革，全面深化教育发展，要将学生发展核心素养体系作为教学的关键环节”。核心素养指出了教育的根本目的——育人，具体到高中物理学科，核心素养主要包括物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任四个维度的内容，希望能够培养出优秀的物理人才。

在“碰撞”新授课的教学中，实施符合学生核心素养的物理教学，能有效地促进学生利用已有知识主动构建新的物理模型。

（二）教学目标设计

（1）认识弹性碰撞与非弹性碰撞，了解不同碰撞类型间的共性和区别（物理观念）。

（2）会用动量、能量的观点建立一维碰撞模型（科学思维）。

（3）能推导两个物体发生一维碰撞后的速度（科学探究）。

（4）通过自主分析的过程，培养学生积极探索、应用理论解决实际问题的能力（科学思维与科学探究）。

（5）通过感受不同碰撞的区别，应用动量、能量的观点综合分析问题，培养学生勇于探索的精神（科学态度与社会责任）。

（三）教学流程

三、教学问题的解决与实施

（一）由熟悉的物理情境入手，引出物理问题

在物理教学中，通过学生熟悉的生活化的物理情境，与物理问题发生联系，激发学生的学习的主动性。在“碰撞”的教学过程中，需要通过一个铺垫和迁移来达成目标。

铺垫：通过演示竖直面内两小球的碰撞，分析系统是否遵循动量守恒定律。由于在竖直面内两小球在水平方向上碰撞瞬间内力远大于内力，故系统动量守恒。然后通过进一步的探究，播放视频，斯诺克比赛中的两个台球在水平面相碰的瞬间，此时桌面有摩擦，但由于碰撞瞬间内力远大于外力，因此，水平面内的碰撞也遵循动量守恒定律。通过发掘碰撞过程的共性进一步提问题：碰撞过程一定满足动量守恒定律，一定满足机械能守恒定律吗？

（二）通过一动碰一静的模型分析探究引入完全非弹性碰撞

从“完全非弹性碰撞”到“弹性碰撞”需要一个过渡，教学中需要根据学生已有认知设置物理情境，进行铺垫。

铺垫：设计一个“质量相等、一动碰一静、碰后不分开”的问题。

例题1：如图2所示，两个物体的质量都是m，碰撞以前一个物体静止，另一个以速度v向它撞去。碰撞以后两个物体粘在一起，成为一个质量为2m的物体，以速度vʹ 继续前进，这个碰撞过程机械能守恒吗？

思考：碰撞中系统动量守恒吗？

机械能有哪些形式？此题中机械能指的什么？

引导铺垫的思考过程：

系统动量守恒，可以列出方程吗？

碰撞前后系统的机械能分别指的是什么？

在分析机械能是否守恒时，回顾机械能包括：动能和势能，本题中，主要是动能，因此，在探究机械能是否守恒时主要比较的是碰撞前后的动能是否相等。通过分析，给出解题的格式：

请一位同学上黑板演示解题过程，展示解题过程，进行点评。通过这个铺垫初步达成目标，引入完全非弹性的核心概念。

（三）利用前面的铺垫解决“质量相等、一动碰一静、碰后分开”，引入非弹性碰撞

例题2：如图3所示，两个物体的质量都是m，碰撞前一个物体静止，另一个以速度v向它撞去。若被碰物体的速度变为       ，求：另一个物体的碰后速度及系统损失的机械能。

思考：碰撞后系统的动量守吗？

碰撞前后的机械能分别指的什么？

引导铺垫的思考过程：

碰撞前后系统动量守恒，所以可确定另一物体的速度。

碰撞前后系统的机械能分别指的什么？

由此想到，碰撞后系统的机械能包括了两个物体具有的动能之和，

只要确定另一物体的速度就可以确定碰撞后系统的机械能。

根据第一个例题的铺垫，这个碰撞过程仍然可以按照上题的思路去分析，给学生时间进行思考和计算，并进行点评。

通过视频展台展示有代表性的解题示范，进行点评，发现学生容易出现的思维误区，适时引导。通过以上的铺垫引入非弹性碰撞，并与完全非弹性碰撞加以比较，利用视频直观观察完全非弹性碰撞的特点，进行概念区分，并引导学生进一步思考，损失的机械能的转化问题，更进一步理解核心的物理概念，达成目标。

（四）从一般到特殊，利用碰撞的特点及前面的铺垫探究弹性碰撞的问题

例题3：如图4所示，已知地面光滑，物体m1以速度v1与原来静止的物体m2碰撞，求碰后它们各自的速度v1' 和v2' 。

引导铺垫的思考过程：

弹性碰撞遵循什么规律？

弹性碰撞是一种理想模型，根据系统动量守恒和机械能守恒，可计算出碰后各自的速度与两物体质量之间的关系。

之后讨论分析：两个物体的质量大小对碰后的速度影响如何？

情况：m1 = m2;m1 > m2;m1 < m2;m1 >> m2;m2 >> m1

引导学生进行分析，总结结论：弹性碰撞后的特点：若质量相同，两球交换速度;若大碰小，碰后速度同向，且v2' > v1';若小碰大，质量小的球反弹回来;

并利用教具进行现场实验演示，通过小球碰撞演示板，验证理论分析，培养学生良好的科学态度，加深学生对知识的理解。

通过以上铺垫逐层递进，从学生已有知识培养学生在弹性碰撞中应用动量守恒和机械能守恒处理问题的能力，发展物理思维。

通过以上教学过程，从学生认知的发展角度出发，搭建“脚手架”，帮助学生建立了科学的物理概念，掌握了物理规律，发展了物理思维，使得学生对碰撞的三种模型有一个清晰的认知和区分，为之后解决动量和能量综合问题奠定了基础。

四、成效分析

笔者选择了任教的一个班级为研究对象，教学结束后做了以下两项调查：

（一）利用5点量表定性调查

制作5点量表，对研究对象进行问卷调查，从“物理观念”、“科学思维和科学探究”、“科学态度与社会责任”三个方面调查学生对本节教学的反馈与评价，见表1。

被测实验班39人，以上各项得分及均值见表2：

（二）利用课后检测定量调查

利用课后检测题对学生的学习情况进行定量调查，获得教学情况的即时反馈。针对教学中设计的教学目标设置5道计算题，利用30分钟的时间，考查学生在这一节课中的学习情况。

试题如下（每题10分，共50分）：

T1：如图5所示，有两个质量相同的小球A和B（大小不计），A球用细绳吊起，细绳长度等于悬点距地面的高度，B球静止放于悬点正下方的地面上.現将A球拉到距地面高度为h处由静止释放，摆动到最低点与B球碰撞后粘在一起共同上摆，求它们升起的最大高度是多少？

T2：如图6所示，质量分别为ma=1 kg、mb=2 kg的两小球在光滑的水平面上发生碰撞，碰撞前后两球的位移—时间图象如图所示，则可知碰撞属于何种碰撞？

T3：质量分别为mA=1 kg、mB=2 kg的A、B两个小球在光滑水平面上发生碰撞，碰撞前后均在同一条直线上.碰撞前速度vA=6 m/s、vB=2 m/s，碰撞后速度vA'=2 m/s、vB'=4 m/s.则此碰撞损失的机械能是多少？

T4：如图7所示，两滑块A、B在光滑水平面上沿同一直线相向运动，滑块A、B的质量均为m，A速度大小为2v0，方向向右，滑块B的速度大小为v0，方向向左，碰后两物体粘在一起运动，求：两滑块碰撞后的共同速度及损失的机械能。

T5：如图8所示，质量相等的三个物块在一光滑水平面上排成一条直线，且彼此隔开了一定的距离，如下图所示.具有动能E0的第1个物块向右运动，依次与其余两个静止物块发生碰撞，最后这三个物块粘在一起，这个整体的动能是多少？

答题情况如下：

从以上两项调查结果可以看出，本节课较好地达成了教学目标。

综上所述，在碰撞的教学中，将物理模型与生活中已有的物理情境相结合，通过搭建“脚手架”，进行知识的铺垫，引导学生自主思考和探究，建立物理观念，发展科学思维，并与演示实验相结合，培养学生良好的科学态度与责任，保证了教学目标的顺利达成，为动量和能量的学习奠定了良好的基础。

参考文献：

[1]朱智贤.心理学大辞典[M].北京：北京师范大学出版社，1989：1007.

[2]罗正范.核心素养理念下高中物理教学实践探索[J].新课程研究，2019（3）：20-21.

[3]袁杰.探析在新授课中实施“过程性变式教学”的方法—以“带电粒子在磁场中运动”的课堂教学为例[J].物理教学探讨，2015（2）：66-69.

[4]刘银奎.核心素养导向下的高中物理教学初探—以“曲线运动”教学为例[J].物理教学，2018（3）：18-21.

[5] 陈振.基于核心概念下的高效物理知识应用教学初探——以《小球碰撞》一节的教学设计为例[J].物理教学探讨，2016（1）：22-23.

[6]张方晓.“脚手架”模型支持学习环境设计研究[D].上海：华东师范大学，2004.

作者简介：

任娟，广州大学毕业，硕士学位，中学二级教师，研究方向：物理教学。