以问题情境驱动科学探究培养高中生物理学科核心素养

摘 要：问题情境是开展科学探究的有效载体，在以问题情境驱动科学探究进而培养高中生的物理学科核心素养时，教师应基于教材分析、学情分析创设问题情境，引导学生经历发现问题、提出猜想、验证猜想等科学探究过程，并在这一过程中形成物理观念，发展科学思维，增强科学态度与责任，培养物理学科核心素养。

关键词：问题情境；科学探究；《动量定理》；高中物理；物理学科核心素养

中图分类号：G63 文献标识码：A 文章编号：0450-9889（2024）14-0124-04

根据《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称《课程标准》），科学探究是指基于观察和实验提出物理问题、形成猜想和假设、设计实验与制订方案、获取和处理信息、基于证据得出结论并作出解释，以及对科学探究过程和结果进行交流、评估、反思的能力［1］5。科学探究与物理观念、科学思维、科学态度和责任联系紧密，教师组织开展科学探究活动，带领学生切身体验科学规律的建立过程，能很好地帮助学生形成物理观念，发展科学思维，培养科学态度与责任。《课程标准》明确指出科学探究能力的培养，应渗透在物理教学的整个过程［1］51。教育较发达的美国、英国的高中课程标准都将科学探究能力作为重要培养目标［2］，可见培养科学探究能力的重要性。

《课程标准》指出，物理规律的探究需要创设问题情境，学生从问题情境中提出问题、形成猜想，根据问题情境运用已有知识论证猜想，选择符合情境要求的实验装置进行实验，获取客观、真实的数据，通过对数据的分析形成关于物理规律的结论［1］52。可见，问题情境是开展科学探究的有效载体，科学探究要以问题情境为依托，高质量的问题情境能有效地驱动科学探究，发展核心素养。

本文以人教版普通高中教科书物理选择性必修第一册第一章的《动量定理》教学为例，探讨如何创设问题情境驱动科学探究，进而培养学生的物理学科核心素养。

一、教学分析

（一）教材分析

《课程标准》对动量定理学习的要求很高，属于理解层次。教材引导学生在恒力作用下，从牛顿第二定律推导出动量定理，然后用微元法推广到变力作用的情况，最后引导学生运用动量定理分析生活中的敲击和缓冲问题。动量定理反映了力在时间上的积累效果，为解决力学问题提供了新的路径，对发展学生的运动与相互作用观念、完善学生的知识体系、开阔学生解决问题的思路等十分有益，动量定理同时也是学习动量守恒定律的重要基础。

（二）学情分析

本节课的授课对象是高二年级学生。学生已经学习了匀变速直线运动规律、牛顿第二定律、动量概念等，同时经过一年半的高中物理学习，学生具备一定的思维能力和论证能力。另外，高二年级学生有较为丰富的生活经历，对教材提到的打击、缓冲现象比较熟悉。但是，学生的实验能力和模型构建能力较差，所以教师在实验验证和定理运用这两个环节要做好铺垫。

（三）核心素养目标及重难点

根据《课程标准》要求“通过理论推导和实验，理解动量定理和动量守恒定律，能用其解释生产生活中的有关现象”［1］24，笔者将本节课的核心素养目标确定为三个方面：一是创设情境提出问题，激发思考，形成猜想，进行科学论证、实验验证等科学探究活动，沉浸式学习动量定理的内容，培养学生的科学探究能力和科学思维；二是通过辨析牛顿第二定律、动量定理和动能定理，加深学生对物理规律的认识，发展学生的运动与相互作用观，完善学生的物理观念；三是通过引导学生运用动量定理对生产生活中的缓冲和打击等现象进行定性分析和定量计算，培养学生的科学思维，认识科学的本质以及科学、技术、社会、环境的关系。

本节课的重点是通过科学探究学习动量定理，难点是利用动量定理分析缓冲和打击现象。科学探究活动可以深化学生对定理内容的理解，有助于突破定理应用这一难点。

二、教学过程

教师在课前准备好气垫导轨、光电门、数字计时器、学生用科学计算器，以及三个蹦极模型、10元面值纸币和两节5号干电池。根据物理规律形成过程、《课程标准》要求以及学生认知规律，教师创设六个问题情境将本节课的教学过程设计成六个环节，以问题情境驱动学生用科学探究的方式学习动量定理。

环节一：创设情境，激发好奇心，导入新课

教师播放一段视频：鸡蛋从30米高空落下来，砸穿了彩钢板。全场哗然。教师幽默地说：“看完视频，同学们有什么感想？我认为这是一个十分优秀的鸡蛋，脆弱的它居然懂得巧用物理知识砸穿彩钢板！同学们知道是什么知识吗？我们这节课就来学习这个知识。”

【设计意图】在学生看来，生活中的鸡蛋易碎易裂，十分脆弱，但高空落下来的鸡蛋竟能产生巨大冲力，砸穿了彩钢板。视频画面与生活认知产生了巨大冲突，这个冲突有效地激发了学生的好奇心和求知欲，同时让学生认识到高空抛物的危害，增强学生将科学与社会、环境联系起来的意识。

环节二：激发思考，提出问题，形成猜想

教师让学生回想在超市里用力推购物车的情景。为了增强现场感，教师同时轻轻推动长木板上的小车。经过一段位移后车的动能发生了变化，这是力在空间上累积的效果，这就是动能定理的直观表现。接着，教师引导学生从时间的角度来研究车的运动，让学生想一想：将会看到什么样的景象？能提出什么问题？引导学生提出“力在时间上的累积效应是什么”这一问题。

教材上的新知识对学生而言是未知的，对未知世界提出问题，需要具有批判精神和极强的创造力。教师稍留片刻给学生思考，启发学生从动能定理的表达式寻找灵感。不少学生认为：力与力作用时间的乘积等于动量变化。

【设计意图】基于观察和实验提出问题是科学探究的第一步。教师创设真实情境，让学生发现问题、提出要探究的问题，并做出猜想，为后面科学探究指明了方向。与此同时，教师鼓励学生从新的角度去看待旧的事物，创造性地提出问题并做出猜想，这对培养学生的创新能力和洞察力十分有益。

环节三：构建模型，论证猜想

教师引导学生构建模型，把抽象的物理问题和猜想转化成物理过程和物理现象，以便进行科学论证。师生构建如图1所示的模型：在光滑水平面上，木块在水平拉力F作用下，经过Δt时间，其速度由v变为v′。论证：力与力作用时间的乘积等于动量变化量（FΔt=Δp）。

确定用什么理论对猜想进行论证对学生来说并非易事。教师根据学生的实际情况进行引导：牛顿运动定律是力学的基石，我们运用牛顿第二定律推导出了动能定理，现在我们能不能也从牛顿第二定律入手论证我们的猜想呢？

学生在教师的启发引导下，运用牛顿第二定律和运动学规律进行如下论证。

在此过程中木块做匀加速直线运动，其加速度为a=[v-vΔt]，水平方向木块只受拉力作用，由牛顿第二定律有F=ma=m[v-vΔt]=[mv-mvΔt]。将上式朝着猜想方向变形得FΔt=m[v]-mv。所以，猜想得证。

师生一起将论证过程推广到存在摩擦力的情况，从而总结出结论：在某一个过程中，物体所受合力与合力作用时间的乘积等于物体的动量变化量。

【设计意图】教师引导学生构建模型，论证猜想，培养学生的模型构建、科学推理、科学论证等科学思维。

环节四：实践出真知，验证猜想

物理学是以实验为基础的学科，理论探究得出的结论要经得起实验的检验。接下来教师设计以下实验情境引导学生验证结论。

实验目的：验证表达式FΔt=mv[′]-mv。

构建实验情境：为减少实验误差，让沙桶拉着滑块在气垫导轨上运动，并搭配光电门和数字计时器进行实验（如图2所示）。

需要测量物理量：滑块及遮光条的总质量m，沙桶和沙的总质量m0（在沙桶和沙的总质量m0远小于滑块及遮光条总质量m的情况下，可认为滑块所受合力F等于沙桶和沙的重力；滑块通过两个光电门时遮光条的挡光时间Δt1、Δt2；滑块从光电门1运动到光电门2所用时间Δt，即拉力作用时间；遮光条宽度d。

图2

进行实验，记录数据：为节约时间，提高课堂效率，师生合作。教师操作实验，学生在表1中记录数字计时器读数。通过往沙桶加入细沙，改变拉力大小，重复实验，得出实验数据（如表1所示）。

处理数据：将学生分组，分别处理实验数据，合作验证动量定理。另外安排两名学生用游标卡尺测量遮光条宽度d=5.16×10-3 m。为使实验结果更精确，计算沙桶重力时可查阅相关资料获取当地重力加速度，保留4位小数。此次实验重力加速度取g=9.787 9 m/s2。

交流总结：学生处理完数据后，教师组织学生进行组内交流和组间交流，小结得出结论，并指出该结论就是动量定理。

【设计意图】教师引导学生通过实验验证猜想，培养学生设计实验、分析处理数据、论证评估、交流合作等科学探究能力，培养学生认真严谨、实事求是的科学精神。

环节五：得出结论，整理动量定理

学生在教师的引导下总结动量定理的内容如下。

定理内容：物体在一个过程中所受力的冲量等于它在这个过程始末的动量变化量。

定理表达式：FΔt=mv′-mv。

教师引导学生用微元法推导变力作用下的动量定理：将物体运动的实际过程细分成许多个短暂过程，在这些短暂过程里物体受力可看成恒力，所以每个短暂过程都可列式如下。

F1Δt=mv1-mv0

F2Δt=mv2-mv1

F3Δt=mv3-mv2

……

FnΔt=mvn-mvn-1

把各式相加后得到F1Δt+F2Δt+F3Δt+…+FnΔt=mvn-mv0，也可以写成FΔt=mvn-mv0，F为Δt内的平均作用力。

变力作用下的动量定理：FΔt=mvt-mv0。

冲量：力与力作用时间的乘积叫作力的冲量，单位是牛秒（N·s），是矢量。

为发展学生的运动与相互作用观，完善知识体系，教师引导学生辨析牛顿第二定律、动能定理和动量定理，引导学生从不同角度度量运动。牛顿第二定律F=ma，反映了力的瞬时效应；动量定理FΔt=Δp反映了力对时间的累积效应，其变形式F=[ΔpΔt]表明动量决定物体在力F的阻碍下能运动多长时间；动能定理FΔx=ΔEk反映了力对空间的累积效应，其变形式F=[ΔEkΔx]表明动能决定物体在力F的阻碍下能运动多远。

环节六：动量定理的应用

动量定理有两种应用：定性分析和定量计算。教师设计三个妙趣横生的情境，引导学生运用动量定理解决生产生活中遇到的有关问题。

应用一：模拟蹦极——你想玩哪种蹦极？

教师展示三个用铁架台制作的蹦极模型。第一个用细线绑住槽码，第二个用铁丝绑住槽码，第三个用松紧带绑住槽码。教师先问学生想玩用了哪种捆绑材质的蹦极，然后用木板托起三个槽码同时释放。结果第一个槽码绷断了细线，掉下去了；第二个槽码瞬间停下；第三个槽码缓冲后停下。教师幽默地说：第一个“人”下去上不来了；第二个“人”腰断了，结果很不好；第三个“人”觉得很好玩，还想再玩一次。三个蹦极的结果天差地别，教师启发学生用动量定理定性分析：在动量变化一定的情况下，动量变化用时越长，物体受力越小；反之，物体受力越大。前者叫缓冲，后者叫敲击。最后教师让学生举出生活中的其他例子，如跳高时要铺海绵垫、坐车要系安全带、用铁锤敲铁钉等。

应用二：君子爱财取之有道——快速抽出用两节干电池压住的纸币

教师将两节5号干电池叠放在一起，压住面值为10元的纸币，让学生抽出纸币，而两节干电池不倒下。学生踊跃参加游戏，但纷纷失败。教师幽默地说：看来君子们未得道啊，请看我如何抽出。教师一手轻捏纸币一端，一手伸出中指和食指快速敲击纸币，纸币瞬间抽出，电池直立如初。最后教师启发学生用动量定理分析原因：物体受力不变情况下，力作用时间越长，物体获得动量变化量越大；反之，动量变化量越小。

应用三：计算分析脆弱的鸡蛋为何威力巨大，解决课前问题

教师引导学生构建模型，进行理论估算。

把鸡蛋下落近似看作自由落体运动，鸡蛋下落30米获得的速为v=[2gh]=[2×10×30][≈]24.5 m/s。

鸡蛋高5 cm，将鸡蛋破碎过程看成匀减速过程，所以鸡蛋破碎用时即为与彩钢板作用时间：t=[hv]=[hv2]=[2hv]=[2×0.0524.5][≈]0.0041 s。

鸡蛋质量约为50 g，根据鸡蛋破碎过程估算鸡蛋所受冲力[F]=[0-mvt]=[0-0.05×24.50.004 1]≈-300 N。

教师引导学生继续分析：根据牛顿第三定律可知，鸡蛋对彩钢板平均冲力大小约为300 N，这是平均冲力，意味着有冲力更大的情况存在，且这个力的受力面积很小，约为鸡蛋的横截面积，压强很大，破坏力很强，所以鸡蛋能砸穿彩钢板。最后，教师严肃而有力地再三强调：高空抛物危害巨大，严禁高空抛物！

【设计意图】通过设计三个有趣的动量定理应用情境，激发学生的学习兴趣，培养学生的模型构建、科学推理、科学论证等能力，提升学生的科学思维素养，增强学生的社会责任感。

三、教学反思

本节课在情境创设、实验探究以及课后延伸等方面都有亮点。下面结合具体教学过程进行分析。

一是情境尽可能贯穿教学全过程。本节课以“高空落蛋”问题情境激发学生的好奇心，接着转向在超市推购物车的情境，引导学生提出问题、形成猜想，之后由推车情境构建物理模型论证猜想，然后师生合作设计实验进行实验验证，形成结论，即动量定理，最后创设学生熟悉且极具趣味性的应用情境，引导学生运用动量定理解决实际问题。整节课以问题情境驱动科学探究，学生在探究过程中深化了运动与相互作用的观念，培养了科学思维和科学探究能力，发展了核心素养。

二是教学设计理论探究和实验探究并重。教材只安排了动量定理的理论推导，既没有演示实验又没有学生实验。而动量定理的教学是组织学生开展科学探究活动的绝佳机会，因此教师有必要深挖教材，参照物理规律建立的普遍过程，设计理论论证和实验探究两个教学环节，同时利用真实的实验探究让学生感受到动量定理是真实可信的，避免学生产生动量定理仅是牛顿第二定律的推论的错误认识，加深学生对动量定理的理解，为动量定理的应用打下坚实基础。

三是教学后手要及时到位。本节课教学设计是以科学探究的形式学习动量定理的内容、运用定理分析生产生活中的简单现象，而运用动量定理分析解决多过程问题、流体问题等较复杂的问题应当另外安排课时。

参考文献

［1］中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）［M］.北京：人民教育出版社，2020：5+24+51-52.

［2］廖伯琴.普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）解读［M］.北京：高等教育出版社，2020：52.

（责编 刘小瑗）

作者简介：罗光辉，1978年生，广西贺州人，本科，一级教师，主要研究方向为高中物理教学。