張 娜

(中山市實驗中學(xué) 廣東 中山 528400)

物理核心素養(yǎng)是學(xué)生在物理學(xué)習(xí)過程中逐漸形成的重要品格和關(guān)鍵能力，它對促進(jìn)個人終身發(fā)展和社會發(fā)展至關(guān)重要[1]．物理核心素養(yǎng)主要由以下4方面的要素構(gòu)成——“物理觀念”、“科學(xué)思維”、“實驗探究”、“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”．其中，守恒觀是物理學(xué)科的基本觀念之一，是人們認(rèn)識自然界和處理問題的基本思維出發(fā)點[2]．

高中階段，學(xué)生主要需要學(xué)習(xí)的“守恒定律”之一即動量守恒定律．而在選修3-5中“壓軸出場”的動量守恒定律，理解起來對學(xué)生的思維要求更高，且在《關(guān)于2017年普通高考考試大綱修訂內(nèi)容的通知》中，為順應(yīng)課程標(biāo)準(zhǔn)修訂的趨勢，將選修3-5從選考改為必考．無論是從核心素養(yǎng)還是順應(yīng)課改的角度上來講，無疑都對動量守恒定律的教學(xué)提出了更高的要求．因此，開發(fā)基于核心素養(yǎng)的“動量守恒定律”教學(xué)設(shè)計刻不容緩．

1 教材內(nèi)容簡析

筆者所在地區(qū)采用的是粵教版高中物理教材選修3-5，動量守恒定律位于第一章的第2節(jié)．編者首先引導(dǎo)學(xué)生思考雞蛋掉在地上與海綿上受力不同的原因；接著通過對一幅由采集器收集數(shù)據(jù)并繪制的F-t圖，引導(dǎo)學(xué)生思考力與作用時間的乘積是否恒定，從而引出Ft=mvt-mv0，并定義了沖量和動量；當(dāng)F=0時，物體動量保持不變，由此引發(fā)對“由兩個物體組成的系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)所受合外力為零時，系統(tǒng)總動量是否也保持不變？”的思考，然后通過氣墊導(dǎo)軌的實驗探究(步驟已給出)得到了動量守恒定律，最后在資料活頁中介紹了動量守恒定律的發(fā)現(xiàn)歷史．

筆者認(rèn)為，教材的編寫存在以下值得商榷之處：一是學(xué)生理解用電腦顯示的F-t圖像并不容易，如若用它作為新知識的引入，有可能會增加學(xué)生的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)、沖淡教學(xué)重點；二是學(xué)生并沒有經(jīng)歷“發(fā)現(xiàn)守恒量”的過程，從問題的提出，到實驗方案的設(shè)計，教科書全部“代勞”，學(xué)生只是機械地跟著按部就班，就得到了“動量守恒”的結(jié)果；三是動量守恒定律的表述不是特別明朗——物體在碰撞時，如果系統(tǒng)所受的合外力為零，則系統(tǒng)總動量保持不變．在其他非碰撞的相互作用模型里是否如此呢？編者在后續(xù)也沒有做詳細(xì)的拓展說明．

本節(jié)課的核心應(yīng)該在于創(chuàng)設(shè)具體情境，讓學(xué)生在分析和解決問題的過程中發(fā)現(xiàn)不變量，并在此基礎(chǔ)上提出科學(xué)假設(shè)，然后通過實驗驗證該假設(shè)的合理性，最后在充分挖掘結(jié)論的內(nèi)涵和外延之后得到最終結(jié)論．這樣設(shè)計的目的是，讓學(xué)生在分析常見現(xiàn)象背后規(guī)律的同時，培養(yǎng)其利用科學(xué)方法進(jìn)行驗證的科學(xué)探究能力，深化其物理觀念．

2 學(xué)生情況分析

本節(jié)課教學(xué)對象是高二學(xué)生，學(xué)生已經(jīng)掌握了牛頓運動定律、平拋運動等知識，且已經(jīng)初步了解科學(xué)探究的基本步驟，知道打點計時器、氣墊導(dǎo)軌、光電門等相關(guān)器材的使用．雖然學(xué)生并非第一次學(xué)習(xí)“守恒思想”，但探究過程依舊是本節(jié)課所要突破的重難點，也是提高學(xué)生核心素養(yǎng)的平臺所在．

3 教學(xué)過程設(shè)計

3.1 提出原始問題 發(fā)現(xiàn)不變量

首先，播放丁俊暉的臺球比賽視頻．在視頻中，運動的白色母球正碰靜止的1號球之后，白色母球停下，而1號球運動起來．

學(xué)生也許從未思考過這種常見現(xiàn)象背后的原因，然而對于貌似簡單的事物，才需要追究其復(fù)雜的一面，只有經(jīng)歷了復(fù)雜，才能真正領(lǐng)悟到簡單的震懾力[3]．在學(xué)生思考“為什么會這樣？”的同時，教師需要幫助他們理清頭腦中的“這樣”具體是指什么________

(1)白色母球為什么會靜止？

(2)1號球為什么會運動？

(3)為什么白色母球沒有和1號球一起往前運動或者反彈回去？

(4)為什么1號球的速度看起來跟碰前白色母球的速度差不多？

(5)1號球的速度跟碰前白色母球的速度大小關(guān)系具體是怎樣的？

接著，教師就可以引導(dǎo)學(xué)生用已學(xué)的知識解決自己的困惑．

白色母球和1號球的運動狀態(tài)之所以會改變，是因為在碰撞的過程中，受到了撞擊力的作用，力是改變物體運動狀態(tài)的原因，這樣就回答了第(1)(2)問．

至于速度關(guān)系，學(xué)生最容易想到的是借助工具進(jìn)行測量！比如，用打點計時器或者光電門及相關(guān)儀器測出．在手頭上沒有儀器的時候能不能通過理論推導(dǎo)找到他們的速度關(guān)系呢？引導(dǎo)學(xué)生嘗試用公式進(jìn)行推導(dǎo)．

兩個物體相碰，兩個物體都會受到來自對方的撞擊力，取白色母球受力方向為正方向.

由牛頓第三定律知

F白=-F1

由牛頓第二定律

F=ma

知

m白a白=-m1a1

又由于

且白色母球最終靜止，進(jìn)一步得

最終可以發(fā)現(xiàn)

m白v白=m1v1

即，在碰撞過程中，白色母球的mv“完全轉(zhuǎn)移”到1號球上去了．而由于臺球m白=m1，所以v白=v1，1號球的速度跟碰前白色母球的速度大小相等，方向相同．以上就弄清了第(4)(5)問．

至于第(3)問，假設(shè)白色母球并沒有停止而是具有一定的速度，和1號球一起往前運動或者反彈，則有

得

進(jìn)一步得到

至此我們又發(fā)現(xiàn)了類似的特點：在碰撞過程中，白色母球的mv部分“轉(zhuǎn)移[4]”到1號球上去了；碰前白色母球的mv等于碰后白色母球和1號球的mv之和．

這好像是在告訴我們，mv可以在物體之間轉(zhuǎn)移，而且在轉(zhuǎn)移的過程中，總量并不會發(fā)生變化．至于為什么白色母球沒有和1號球一起往前運動或者反彈回去，這個問題晚一點再去思考(為后一節(jié)課埋下伏筆)，因為現(xiàn)在我們有更重要的事情要做！

3.2 定義不變量

通過以上分析，學(xué)生已經(jīng)發(fā)現(xiàn)：在碰撞的過程中，mv的總量是不變的，這個特殊的不變量——m與v的乘積，在物理學(xué)上定義為動量p，p=mv，單位為kg·m/s；動量是矢量，方向與v方向相同．

至于在碰撞乃至其他的相互作用的過程中，動量P是否守恒，我們還需要進(jìn)一步驗證．

3.3 驗證碰撞過程中的動量守恒

由于學(xué)生已經(jīng)經(jīng)歷過機械能守恒實驗的驗證過程，因此該部分可以讓學(xué)生嘗試進(jìn)行實驗設(shè)計[5]或者參考教科書上的實驗方案，最后教師根據(jù)學(xué)生的實驗設(shè)計提供相應(yīng)器材，以供使用，通過這種方式來提高學(xué)生的“實驗探究素養(yǎng)”．教師可做以下提示(學(xué)生早已學(xué)過相應(yīng)物理量的測量方法，此處可捎帶復(fù)習(xí))：

(1)驗證碰撞時動量是否守恒，驗證的表達(dá)式是怎樣的？讓學(xué)生進(jìn)一步明確和細(xì)化實驗?zāi)康?系統(tǒng)碰前的總動量等于碰后的總動量，即

(2)碰撞的兩物體，用什么呢？小球．

(3)如何測量物體質(zhì)量？天平．

(4)如何測量兩物體的速度？打點計時器、光電門等．

最終，學(xué)生通過實驗驗證得到：在誤差允許的范圍內(nèi)，兩物體在碰撞(相互作用)時，系統(tǒng)碰前的總動量等于碰后的總動量．

這里需要說明的是，教科書上關(guān)于動量守恒定律的表述是“物體在碰撞時，如果系統(tǒng)所受的合外力為零，則系統(tǒng)總動量保持不變．”事實上，動量守恒定律是一個獨立的實驗規(guī)律，適用于目前物理學(xué)研究的一切領(lǐng)域，因此在課堂中教師需要做相應(yīng)的拓展說明，以培養(yǎng)學(xué)生形成“動量守恒的普適性”這一物理觀念．

4 教學(xué)反思及啟示

本文從新的視角介紹了動量守恒定律的教學(xué)過程，力求真正讓學(xué)生經(jīng)歷知識的發(fā)現(xiàn)過程．在探索備課與教學(xué)的過程中，筆者有以下反思及啟示，供同仁參考，以望拋磚引玉．

4.1 課堂教學(xué)應(yīng)搭建知識的 “生長點”

在課堂教學(xué)中，教師應(yīng)該從學(xué)生已有的認(rèn)知水平和經(jīng)驗出發(fā)，找準(zhǔn)新知識的“生長點”以及新舊知識的“聯(lián)結(jié)點”，以促進(jìn)學(xué)生對知識的整體構(gòu)建．然而筆者認(rèn)為，粵教版用采集器收集數(shù)據(jù)并繪制的F-t圖作為學(xué)生思考的起點，這樣用并不熟悉的圖像作為新概念的“生長點”，不利于學(xué)生將其納入自己的知識體系中．

本設(shè)計以丁俊暉的臺球比賽視頻作為引入，以思考生活中常見現(xiàn)象背后的原因作為內(nèi)驅(qū)力，讓學(xué)生結(jié)合已經(jīng)學(xué)習(xí)的牛頓運動定律來分析，從而在碰撞過程中發(fā)現(xiàn)不變量．物理源于生活，高于生活，最終又用于生活．

4.2 探究教學(xué)應(yīng)該展現(xiàn)知識的主動建構(gòu)

真正意義上的學(xué)習(xí)，是指對知識的主動探索和發(fā)現(xiàn)、對所學(xué)知識意義的主動建構(gòu)，而不是只是把知識從教師頭腦中轉(zhuǎn)移到學(xué)生的筆記本上[6]．

本節(jié)課設(shè)計的特點在于通過對常見現(xiàn)象的分析“發(fā)現(xiàn)不變量[7]”，而不是“尋找不變量”．如果設(shè)計為“尋找不變量”的話，比如人教版教科書的編寫思路，這就意味著設(shè)計者已經(jīng)知道了有守恒量，但是學(xué)生卻會困惑“無緣無故地為什么要尋找一個不知其所以的不變量？”以及“怎么事先知道的有這個不變量的？”當(dāng)然，物理學(xué)也可以基于直覺提出猜想并驗證，只不過那是發(fā)生在少數(shù)天才身上．對大部分的學(xué)生而言，所謂的探究實驗流于形式，所謂的啟發(fā)式教學(xué)也變成了“不動聲色”的灌輸．

4.3 從“知識”到“觀念”的轉(zhuǎn)變還需升華

本節(jié)課的設(shè)計從具體的生活情境出發(fā)，對習(xí)以為常的現(xiàn)象進(jìn)行思考，研究現(xiàn)象背后更本質(zhì)的規(guī)律特征．這不僅僅是讓學(xué)生明白，看似簡單的東西背后實則藏有更大的宇宙奧秘，更是希望通過這樣的思考和發(fā)現(xiàn)，讓學(xué)生對我們生活的宇宙乃至對“上帝之手”肅然起敬！

如此這般，“守恒觀念”根深蒂固，物理之美無以言表，宇宙之奇嘆為觀止！