福建 鄭行軍

近幾年隨著基于核心素養(yǎng)的新課程標(biāo)準(zhǔn)逐步推進(jìn)，使得課堂教學(xué)模式也發(fā)生了明顯的轉(zhuǎn)變。探討如何把物理學(xué)科思想有效融合到課堂教學(xué)實(shí)施中時(shí)，在情境創(chuàng)設(shè)、課堂互動(dòng)探究、回歸生活實(shí)際和設(shè)問答疑等教學(xué)環(huán)節(jié)里應(yīng)該讓學(xué)生在多元環(huán)境中把握物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和科學(xué)態(tài)度等核心思想的內(nèi)涵，完成物理知識(shí)的內(nèi)化，是新課程標(biāo)準(zhǔn)下物理學(xué)科改革的一項(xiàng)重要內(nèi)容。

在教學(xué)過程中教師必須堅(jiān)持以傳授科學(xué)知識(shí)及其技能為基礎(chǔ)，以培育科學(xué)態(tài)度、情感與價(jià)值觀為主導(dǎo)，以發(fā)展學(xué)生創(chuàng)新精神、養(yǎng)成應(yīng)用科學(xué)方法的行為和習(xí)慣為重點(diǎn)，以了解科學(xué)、技術(shù)與社會(huì)的關(guān)系為背景，滲透科技意識(shí)，從而提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新精神。下面以中學(xué)物理《動(dòng)量定理》為例，簡(jiǎn)要分享基于核心素養(yǎng)條件下物理教學(xué)模式的構(gòu)建及教學(xué)評(píng)價(jià)過程。

一、教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)

教學(xué)目標(biāo)要圍繞培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)展開，具體分為物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四個(gè)維度，各個(gè)教學(xué)目標(biāo)并不是孤立的，而是互相滲透、彼此關(guān)聯(lián)的，需要綜合體現(xiàn)在課程的教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生學(xué)情上。從教學(xué)內(nèi)容上看，動(dòng)量定理側(cè)重于力在時(shí)間上的累積效果，為解決力學(xué)問題提供了新的途徑，這一節(jié)課可視為牛頓力學(xué)的進(jìn)一步展開，同時(shí)又為后面的“動(dòng)量守恒定律”奠定了基礎(chǔ)，深化了物理學(xué)的守恒思想；從學(xué)情上看，學(xué)生在學(xué)習(xí)了高一的牛頓運(yùn)動(dòng)定律知識(shí)后，已經(jīng)建立了力和運(yùn)動(dòng)關(guān)系的知識(shí)儲(chǔ)備，可以利用原有的認(rèn)識(shí)結(jié)構(gòu)嫁接新知識(shí)體系建構(gòu)，通過觀察激發(fā)興趣及好奇心，結(jié)合實(shí)驗(yàn)、推理引導(dǎo)學(xué)生利用物理現(xiàn)象自然過渡到新知識(shí)點(diǎn)上。

(一)物理觀念

學(xué)生能通過親歷情境感受“追尋守恒量”的思想，認(rèn)識(shí)到物體運(yùn)動(dòng)中的守恒量是動(dòng)量，理解動(dòng)量變化的原因是力的沖量。

(二)科學(xué)思維

學(xué)生能基于生活中的情境建構(gòu)較為抽象的物理模型；能正確使用物理思維方法，從定性和定量?jī)蓚€(gè)方面進(jìn)行科學(xué)推理、找出動(dòng)量變化與F的關(guān)系、推導(dǎo)動(dòng)量定理；能解釋各種“緩沖”的實(shí)際問題。

(三)科學(xué)探究

通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象探尋影響動(dòng)量的可能因素；綜合實(shí)驗(yàn)與理論相結(jié)合的方法推導(dǎo)驗(yàn)證動(dòng)量定理，通過實(shí)驗(yàn)助推知識(shí)的深度理解。

(四)科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

通過創(chuàng)設(shè)“雞蛋落地”的生活情境激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，體會(huì)從生活到物理，再?gòu)奈锢砘貧w生活的課程理念；教師通過不斷引導(dǎo)教學(xué)，使學(xué)生理解如何運(yùn)用物理規(guī)律去探究物體運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)，樹立科學(xué)的世界觀和方法論，體會(huì)物理學(xué)的價(jià)值。

二、教學(xué)過程設(shè)計(jì)

(一)教師演示雞蛋落地實(shí)驗(yàn)，提出學(xué)習(xí)主題

設(shè)計(jì)意圖：激疑啟發(fā)，提出問題，讓學(xué)生帶著問題進(jìn)入新課教學(xué)。

【實(shí)驗(yàn)1】桌面上放一塊木板，讓雞蛋從某一高度自由下落，學(xué)生觀察雞蛋落到木板上發(fā)生的現(xiàn)象——雞蛋破碎。

【實(shí)驗(yàn)2】請(qǐng)三位同學(xué)上臺(tái)，其中兩位同學(xué)在同一水平位置一起抻開同一塊毛巾，另一位同學(xué)讓雞蛋從與實(shí)驗(yàn)1中的同一高度自由下落，學(xué)生觀察雞蛋落在毛巾上的現(xiàn)象——雞蛋完好無損。

教師提出問題：為什么雞蛋落在木板上會(huì)破碎，而落在毛巾上卻完好無損呢？

(二)運(yùn)動(dòng)守恒概念形成

1.教師論述引入動(dòng)量概念的物理意義

設(shè)計(jì)意圖：以問題研究為抓手，提出動(dòng)量及動(dòng)量定理，樹立以解決實(shí)際問題為中心的物理學(xué)核心價(jià)值。

教師講述：古代科學(xué)家在研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)和物理規(guī)律時(shí)，就發(fā)現(xiàn)在自然界存在很多的守恒現(xiàn)象，如能量守恒、質(zhì)量守恒、電荷量守恒等等，當(dāng)時(shí)就推測(cè)是否物體的運(yùn)動(dòng)也存在守恒現(xiàn)象呢？例如，自由滑行的物體、水中上浮的小球，最終都會(huì)停下來，那么自然界所有的物體是否最終也會(huì)停下來呢？經(jīng)過科學(xué)不斷的觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)宇宙中所有物體的運(yùn)動(dòng)并沒有減弱的跡象。因此，科學(xué)家認(rèn)為宇宙中物體系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的總量不會(huì)減少，只要能找到一個(gè)合適的物理量來度量，就會(huì)看到運(yùn)動(dòng)守恒現(xiàn)象。

2.實(shí)驗(yàn)探究

設(shè)計(jì)意圖：從熟悉的生活場(chǎng)景中認(rèn)識(shí)自己不熟悉的、抽象的物理學(xué)知識(shí)，使學(xué)生深刻認(rèn)識(shí)物理來源于生活，可以使學(xué)生更直接、更形象地體會(huì)動(dòng)量與物體質(zhì)量和速度之間的關(guān)系，建立科學(xué)的物理探究觀(實(shí)驗(yàn)→歸納→總結(jié))和方法論(控制變量法)。

教師實(shí)驗(yàn)演示探究哪些物理參量會(huì)影響物體的運(yùn)動(dòng)效果：

①將小球放入豎直筒中，壓縮彈簧到某一位置，觀察：釋放彈簧彈開過程小球上升的高度(如圖1甲、乙所示)

教師分析：彈簧彈開過程中，產(chǎn)生一個(gè)初速度使小球向上運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)效果的明顯與否可以通過小球上升的高度來判斷。

甲

②增大彈簧開始時(shí)的壓縮量，觀察：彈簧彈開后小球上升高度的變化——球會(huì)上升至更高的高度。

教師分析：增大彈簧的壓縮量，彈簧會(huì)對(duì)小球產(chǎn)生一個(gè)更大的作用力，小球由此會(huì)產(chǎn)生更大的初速度，上升到更高的高度，產(chǎn)生更明顯的運(yùn)動(dòng)效果。

教師總結(jié)：物體的運(yùn)動(dòng)效果與速度有關(guān)。

③將小球和砝碼束縛在一起，增大物體的質(zhì)量，球仍從步驟①的位置開始釋放，觀察小球和砝碼上升高度的變化——球上升的高度比第一次低。(如圖2所示)

圖2

教師分析：物體運(yùn)動(dòng)效果與物體的質(zhì)量也有關(guān)系。

教師總結(jié)：物體的質(zhì)量與速度都會(huì)影響物體運(yùn)動(dòng)的效果，物理學(xué)中把物體質(zhì)量和速度的乘積定義為動(dòng)量。

(三)動(dòng)量定理的推導(dǎo)與驗(yàn)證

設(shè)計(jì)意圖：通過構(gòu)建理想物理模型，引導(dǎo)學(xué)生從各種復(fù)雜的條件信息中提取物體的共同屬性，由舊知識(shí)牽引出物理表象的本質(zhì)規(guī)律，實(shí)現(xiàn)由具體到抽象思維的躍升，完成知識(shí)內(nèi)化。

1.動(dòng)量定理的推導(dǎo)

教師以舊模型為抓手，通過新舊知識(shí)的銜接建構(gòu)動(dòng)量的知識(shí)體系，實(shí)現(xiàn)知識(shí)、思維的平滑過渡。

教師舉例：滑塊放置于粗糙的斜面上由靜止開始勻加速下滑，經(jīng)過位置A時(shí)，速度大小為v1，經(jīng)歷時(shí)間t經(jīng)過位置B時(shí)，速度增大為v2(圖3)，分析滑塊動(dòng)量的變化與哪些因素有關(guān)。

教師推導(dǎo)：(結(jié)合牛頓運(yùn)動(dòng)定律和運(yùn)動(dòng)學(xué)公式)

圖3

對(duì)滑塊受力分析，根據(jù)牛頓第二定律得

ma=mgsinα-μmgcosα

聯(lián)立得(mgsinα-μmgcosα)t=mv2-mv1

教師總結(jié)：動(dòng)量的變化量與物體受到的力有關(guān)，還與力作用的時(shí)間有關(guān)。定義力與時(shí)間的乘積為沖量，即物體所受合力的沖量等于動(dòng)量的變化量，這個(gè)結(jié)論叫做動(dòng)量定理。

教師拓展：動(dòng)量定理與動(dòng)量守恒的關(guān)系。對(duì)于系統(tǒng)而言，當(dāng)合力沖量為零時(shí)，由動(dòng)量定理可判斷出物體的動(dòng)量始終不變，即動(dòng)量守恒，故動(dòng)量守恒可認(rèn)為是動(dòng)量定理的一個(gè)特例，在學(xué)習(xí)動(dòng)量守恒之前必須先學(xué)習(xí)動(dòng)量定理，這是研究守恒的前提。

教師設(shè)疑：既然利用牛頓運(yùn)動(dòng)定律可以推導(dǎo)出動(dòng)量定理，那為什么學(xué)了牛頓運(yùn)動(dòng)定律還要學(xué)習(xí)動(dòng)量定理呢？

教師詮釋：假設(shè)離地球很遠(yuǎn)的位置有一顆超新星發(fā)生爆炸向四周發(fā)射光束，當(dāng)光到達(dá)地球時(shí)，會(huì)給地球一個(gè)輕微的推動(dòng)作用，而地球卻無法給超新星一個(gè)反作用力，因?yàn)槌滦且呀?jīng)消失了，此時(shí)牛頓第三定律已不再適用。但從運(yùn)動(dòng)守恒分析這個(gè)現(xiàn)象仍然是成立的，超新星發(fā)射光時(shí)，光得到了動(dòng)量，到達(dá)地球時(shí)，光把動(dòng)量傳給了地球，整個(gè)運(yùn)動(dòng)仍然守恒。

牛頓運(yùn)動(dòng)定律只是研究了力和運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系，無法體現(xiàn)守恒思想。在分析運(yùn)動(dòng)守恒關(guān)系時(shí)，應(yīng)運(yùn)用動(dòng)量定理而不是牛頓運(yùn)動(dòng)定律，因此，動(dòng)量定理應(yīng)用范圍更廣泛，這就是動(dòng)量定理的核心價(jià)值。

2.動(dòng)量定理的探究實(shí)驗(yàn)

設(shè)計(jì)意圖：教師解釋實(shí)驗(yàn)原理，通過類比探究機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)，指出裝置的內(nèi)涵不在裝置表象，而在于裝置所承載的物理問題，引導(dǎo)學(xué)生以問題觸發(fā)為前提，實(shí)現(xiàn)思維拓展和遷移。

教師遷移：若不測(cè)量距離h，而是測(cè)量出點(diǎn)A到B的時(shí)間間隔t，則重錘受到的合力沖量為mgt；動(dòng)量變化量Δp=mv2-mv1，通過判斷mgt與Δp間的大小關(guān)系，實(shí)驗(yàn)裝置則可以轉(zhuǎn)換為探究動(dòng)量定理。

實(shí)驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)表格

次數(shù)A到B的時(shí)間tA點(diǎn)B點(diǎn)y1v1y2v2合力的沖量mgt動(dòng)量的變化量mv2-mv1123

學(xué)生根據(jù)裝置的實(shí)驗(yàn)原理開展分組實(shí)驗(yàn)，測(cè)量采集數(shù)據(jù)分析計(jì)算，自主、合作探究得出動(dòng)量定理成立的結(jié)論，加深對(duì)定理的理解。

圖4

(四)動(dòng)量定理的應(yīng)用

設(shè)計(jì)意圖：引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用構(gòu)建的知識(shí)體系，分析“雞蛋落地”問題，提升學(xué)生運(yùn)用新知識(shí)解決實(shí)際問題的能力，再引入不同的實(shí)際生活情境，讓學(xué)生學(xué)會(huì)從不同的物理表象中探尋物理本源問題，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的內(nèi)化，培養(yǎng)學(xué)生的分析能力。

教師分析：雞蛋從同一高度靜止下落，到達(dá)接觸面時(shí)具有相同的速度v，前后兩次作用的時(shí)間不同，落在毛巾上經(jīng)歷更長(zhǎng)的緩沖時(shí)間，根據(jù)動(dòng)量定理可知(F-mg)t=mv，時(shí)間t越長(zhǎng)，則接觸面對(duì)雞蛋的作用力越小，故雞蛋不易破裂(圖5)。

圖5

教師繼續(xù)深入研究實(shí)際生活情境，學(xué)生觀看視頻，研究視頻中物體的運(yùn)動(dòng)，從動(dòng)量定理的角度分析運(yùn)動(dòng)原因。

教師播放視頻：

1.跳高視頻(圖6)

圖6

教師提問：運(yùn)動(dòng)員落地為什么要落在軟墊上？

學(xué)生回答：與直接落地時(shí)相比，落在軟墊上會(huì)延長(zhǎng)力的作用時(shí)間，根據(jù)動(dòng)量定理可知，軟墊對(duì)運(yùn)動(dòng)員的作用力比較小，可以保護(hù)運(yùn)動(dòng)員不受傷害。

2.雙手胸前傳接球視頻(圖7)

圖7

教師提問1：學(xué)生接球時(shí)為什么雙手彎曲？

學(xué)生回答：雙手彎曲時(shí)可以延長(zhǎng)接球時(shí)間，減小球?qū)θ说淖饔昧?，減小球?qū)θ梭w的傷害。

教師提問2：學(xué)生傳球時(shí)，為什么雙手回收后再將球傳出？

學(xué)生：回收后再發(fā)球可以延長(zhǎng)人對(duì)球的作用時(shí)間，使球獲得更大的初速度，運(yùn)動(dòng)更遠(yuǎn)。

三、教學(xué)感悟與啟示

基于核心素養(yǎng)的教學(xué)模式使得課堂教學(xué)的實(shí)際效果從原有知識(shí)、技能傳授內(nèi)化至思維層次的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生的知識(shí)、技能和思維的提升能夠最大程度得以展現(xiàn)，具體實(shí)施可以把握以下幾點(diǎn)：

(一)創(chuàng)設(shè)生活化情境，實(shí)現(xiàn)物理新授課導(dǎo)入。

物理知識(shí)的顯著特點(diǎn)就是情境生活化，生活中的很多現(xiàn)象和規(guī)律都與物理息息相關(guān)。因此，將模擬學(xué)生在日常生活中常見的物理情境作為課堂知識(shí)導(dǎo)入，讓學(xué)生知道知識(shí)就在身邊，能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，使課堂充滿生命活力。如課堂實(shí)際演示日常生活常見現(xiàn)象：雞蛋落地。通過展示雞蛋從高空落下完好無損的現(xiàn)象，與學(xué)生“雞蛋落地很容易摔破”的生活經(jīng)驗(yàn)產(chǎn)生沖突，使教學(xué)引入得以“破解”并順利展開，可見新課導(dǎo)入生活化的重要作用與價(jià)值。

(二)重視探究式教學(xué)模式，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)。

探究式教學(xué)模式可以激發(fā)學(xué)生積極的探究情感。在物理學(xué)科中探究式教學(xué)是利用探究的形式進(jìn)行科學(xué)內(nèi)容的教學(xué)，使學(xué)生更好地理解科學(xué)過程的探究特征，為科學(xué)抽象和實(shí)際情境構(gòu)建出一條橋梁和紐帶，在不斷地探究中完成知識(shí)內(nèi)化，加強(qiáng)物理探究的思維模式和方法訓(xùn)練。

(三)在理論推導(dǎo)中實(shí)現(xiàn)物理思維的訓(xùn)練，深化學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)。

物理學(xué)的基本特點(diǎn)要求教學(xué)應(yīng)當(dāng)重視理論推導(dǎo)，這種理論推導(dǎo)需要學(xué)生具有較強(qiáng)的物理思維能力和運(yùn)算能力。通過構(gòu)建理想化模型情境，使學(xué)生在教師的引導(dǎo)下分析物理量之間存在的定量關(guān)系，這樣整個(gè)過程脈絡(luò)清晰、環(huán)環(huán)相扣，從而使學(xué)生深刻地體驗(yàn)到科學(xué)方法的效果和魅力，并自然地訓(xùn)練學(xué)生的各類思維。

(四)重視變式教學(xué)和價(jià)值，滲透延展學(xué)生思維維度，提升學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)。

動(dòng)量定理蘊(yùn)含的物理意義需要學(xué)生全面透徹地理解和運(yùn)用，新授課中的變式探究就顯得尤為重要。在新課教學(xué)中通過原始物理問題的設(shè)置，可以讓學(xué)生的直覺思維、抽象思維等思維能力得到發(fā)展，從而提高解決實(shí)際問題的能力，實(shí)現(xiàn)物理變式教學(xué)生態(tài)化的落腳點(diǎn)；利用物理學(xué)史問題的研究，讓學(xué)生了解嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和循序漸進(jìn)的科學(xué)探索觀，引領(lǐng)學(xué)生形成正確的科學(xué)態(tài)度；在定理的推演過程中通過與牛頓運(yùn)動(dòng)定律的對(duì)比界定兩者的區(qū)別與聯(lián)系，以及明確定理在不同情況下的運(yùn)用方法，從而達(dá)到明晰定理內(nèi)涵、完成知識(shí)遷移的目的。通過變式教學(xué)構(gòu)建由易到難、由抽象到生態(tài)化的系統(tǒng)平臺(tái)，使學(xué)生思維方法的訓(xùn)練可以有序展開和逐步提升，從而突破物理思維障礙。

高中物理作為高中教育教學(xué)體系中必不可缺的組成部分，對(duì)于學(xué)生的綜合發(fā)展起到了十分重要的作用。在新的課程標(biāo)準(zhǔn)和考試評(píng)價(jià)體系的大前提下，教師需要深刻領(lǐng)會(huì)其內(nèi)涵，根據(jù)相關(guān)的原則要求，采取切實(shí)可行且高效的教學(xué)策略，提升物理教學(xué)的質(zhì)量。

基金項(xiàng)目：福建省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃課題“基于數(shù)理學(xué)科融合的可視化教學(xué)研究”(課題批準(zhǔn)號(hào)：Fjjgzx19-008)。