“動(dòng)量和動(dòng)量定理”的體驗(yàn)式教學(xué)設(shè)計(jì)

王 敏 劉小兵

（廣西師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，廣西 桂林 541004）

動(dòng)量和動(dòng)量定理是學(xué)好動(dòng)量守恒定律的基礎(chǔ)，也是高中物理教學(xué)的重要內(nèi)容，長(zhǎng)期以來都是教學(xué)的難點(diǎn).實(shí)踐表明，學(xué)生很難正確理解動(dòng)量和動(dòng)量定理的本質(zhì)含義，也難以正確運(yùn)用動(dòng)量定理解決實(shí)際問題.因此，如何讓學(xué)生正確理解動(dòng)量和動(dòng)量定理的意義，就成為本節(jié)課教學(xué)的關(guān)鍵.

體驗(yàn)式教學(xué)是一種根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)和規(guī)律，通過創(chuàng)造實(shí)際的或重復(fù)的經(jīng)歷和情境，更為直觀地呈現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生在親歷過程中理解并建構(gòu)知識(shí)、發(fā)展能力的教學(xué)形式.有鑒于此，立足于體驗(yàn)式教學(xué)模式的研究，對(duì)本節(jié)課進(jìn)行如下的教學(xué)探討.

1 對(duì)傳統(tǒng)教材的分析

現(xiàn)行人教版高中物理教材在“動(dòng)量和動(dòng)量定理”之前安排了“實(shí)驗(yàn)：探究碰撞中的不變量”，得出探究結(jié)果“發(fā)生碰撞的兩個(gè)物體，他們的mv矢量和在碰撞前后很可能保持不變”，對(duì)于各種形式的碰撞都是這樣.”緊跟實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出動(dòng)量定義：質(zhì)量與速度的乘積稱為物體的動(dòng)量，并介紹了動(dòng)量概念在物理科學(xué)史上的發(fā)展，指出動(dòng)量是矢量，與速度方向相同；然后例題計(jì)算小鋼球碰撞前后動(dòng)量的變化；隨后引出用“牛頓運(yùn)動(dòng)定律”研究單個(gè)物體動(dòng)量變化，經(jīng)牛頓運(yùn)動(dòng)學(xué)公式推導(dǎo)，整理出動(dòng)量定理關(guān)系式；再采用動(dòng)量定理公式，例解球棒打壘球題目，得出通過改變作用時(shí)間來增大或減小作用力.

筆者認(rèn)為，教材的處理存在幾個(gè)問題：第一，教材對(duì)于探究實(shí)驗(yàn)得到“發(fā)生碰撞的兩個(gè)物體，他們的mv矢量和在碰撞前后很可能保持不變”的結(jié)論闡述中并沒有解釋為什么采用mv來描述碰撞前后物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的關(guān)鍵問題，致使學(xué)生不能準(zhǔn)確理解mv量的真正內(nèi)涵；第二，教材未能將實(shí)驗(yàn)探究中兩個(gè)物體碰撞的動(dòng)量變化規(guī)律與單個(gè)物體動(dòng)量變化情況的研究進(jìn)行有效利用，致使學(xué)生學(xué)習(xí)深度不足.最后教材通過列舉打壘球例子，并未達(dá)到引發(fā)學(xué)生直觀認(rèn)識(shí)動(dòng)量變化一定時(shí)，如何改變時(shí)間就改變作用力大小的效果.

通過教材分析和對(duì)課程標(biāo)準(zhǔn)的理解，動(dòng)量和動(dòng)量定理的教學(xué)核心在于：怎樣正確理解動(dòng)量和動(dòng)量定理的“為什么”“是什么”和“怎么用”3個(gè)問題.對(duì)于“為什么”要用質(zhì)量m與速度v來定義動(dòng)量，需要解決如何讓學(xué)生通過體驗(yàn)來感受質(zhì)量和速度對(duì)物體運(yùn)動(dòng)情況的影響，借助探究實(shí)驗(yàn)的結(jié)果正確建立動(dòng)量概念.接著遵循“兩條腿走路”的方法，再?gòu)睦碚撋锨宄忉寗?dòng)量定理“是什么”的問題，并借助學(xué)生已有動(dòng)能定理的認(rèn)識(shí)對(duì)比加深對(duì)動(dòng)量定理的理解.知識(shí)的學(xué)習(xí)并非孤立存在，如何讓知識(shí)服務(wù)于生活，用動(dòng)量定理解釋生活中打擊、碰撞、爆炸等現(xiàn)象才是科學(xué)學(xué)習(xí)的本質(zhì).許多物理教師由于僅用物理題目進(jìn)行運(yùn)算，未把科學(xué)學(xué)習(xí)與生活體驗(yàn)緊密聯(lián)系起來，導(dǎo)致學(xué)生在大量的習(xí)題運(yùn)算中喪失學(xué)習(xí)的樂趣.

2 基于學(xué)生發(fā)展的體驗(yàn)式教學(xué)設(shè)計(jì)

2.1 依據(jù)情境體驗(yàn)，建立動(dòng)量概念

呈現(xiàn)生活情境：以10m/s的速度運(yùn)動(dòng)的足球和鉛球，誰可以用頭去接？質(zhì)量很小的子彈高速飛過來能不能接？學(xué)生肯定回答鉛球不能接，原因是其質(zhì)量太大；子彈頭也不能接，因?yàn)槠渌俣忍?這樣通過引導(dǎo)可以使學(xué)生理解運(yùn)動(dòng)物體的作用效果既與物體的質(zhì)量有關(guān)，也與物體的速度有關(guān)，那么與實(shí)驗(yàn)探究出來mv量是否一致，還需進(jìn)一步驗(yàn)證.

再創(chuàng)設(shè)第2個(gè)情境：邀請(qǐng)兩名體重不同的學(xué)生站在講臺(tái)上跳起后，先直腿下落，再換作起跳后屈膝下落，了解演示學(xué)生的感受.此實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單，亦可讓班級(jí)學(xué)生共同參與，在自己座位旁邊感受兩種下落方式的不同感受.拋出問題：兩種下落方式給人的感受為什么不同，而且體重重的學(xué)生感覺更加明顯，請(qǐng)同學(xué)們積極思考，尋找最佳解釋.

為解釋該問題，學(xué)生展開符合其認(rèn)知水平的思考，教師應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生說出自己的看法.體重輕的學(xué)生采用直腿下落感到背部疼，而體重重的學(xué)生直腿下落時(shí)，肩背部、脊椎感到刺疼.學(xué)生回答可能是因?yàn)橄啾惹ハ侣?，直腿下落過程中沒有人體緩沖，好似感覺地面給人的作用力更大.鼓勵(lì)學(xué)生深入思考人體是怎樣實(shí)現(xiàn)緩沖的，真正的物理情境是怎樣，通過此次課的學(xué)習(xí)，學(xué)生們會(huì)找到此情境最合理的解釋.

2.2 “兩條腿”得動(dòng)量定理，類比法顯定理本質(zhì)

上節(jié)課，學(xué)生通過探究“實(shí)驗(yàn)：尋找碰撞中的不變量”發(fā)現(xiàn)m1v1＋m2v2＝m1v1′＋m2v2′中的mv這個(gè)量有特殊意義，而且物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的描述與速度和質(zhì)量有關(guān)，那是否就是這個(gè)量呢？物理學(xué)上任何定理的發(fā)現(xiàn)都少不了實(shí)驗(yàn)和理論的支撐，如何從理論的角度也導(dǎo)出mv這個(gè)量，教師此處可列舉已學(xué)過的動(dòng)能定理的運(yùn)動(dòng)學(xué)公式推導(dǎo)過程.

v＝v0＋at變形為

牛頓運(yùn)動(dòng)學(xué)公式F＝ma變形為將（2）式代入（3）式可得

將（1）式代入（4）式可得

話說回來，老人為子女辛苦一輩子，子女贍養(yǎng)老人，讓老人享受人生的夕陽晚霞是兒女的責(zé)任跟義務(wù)。劉主任建議，在帶孩子這件事上，應(yīng)以年輕人為主，老年人身體畢竟不如年輕時(shí)，容易失眠、焦慮、健忘，所以要綜合老年人的想法與意愿，不能因?yàn)檫@件事而影響家庭和睦相處。

經(jīng)歷理論公式的推導(dǎo)過程，有助于學(xué)生熟悉和理解公式的變換形式，加深學(xué)習(xí)體驗(yàn).

化簡(jiǎn)后Ft＝mv－mv0.此式中的3個(gè)量都分別代表什么含義，通過對(duì)比可以清晰地得出結(jié)果見表1.

表1

通過對(duì)比觀察、分析找出上面兩個(gè)定理的相同點(diǎn)和不同點(diǎn)，加深對(duì)動(dòng)量定理和動(dòng)能定理的區(qū)別認(rèn)識(shí).動(dòng)能是標(biāo)量，大小與v2成正比，動(dòng)能的變化與外力的功相等，動(dòng)能的變化決定了物體克服阻力能夠運(yùn)動(dòng)多遠(yuǎn).動(dòng)量是矢量，大小與v成正比，動(dòng)量的變化與外力的沖量相等，動(dòng)量的變化決定了物體反抗阻力能夠運(yùn)動(dòng)多長(zhǎng)時(shí)間.可見動(dòng)量和動(dòng)能的本質(zhì)區(qū)別在于他們遵循的變化規(guī)律不同，從各自不同的角度描述物體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，并且動(dòng)量定理的研究對(duì)象一般是單個(gè)物體，由于物體系中的內(nèi)力總是成對(duì)出現(xiàn)，而每對(duì)作用力與反作用力的沖量總是大小相等，方向相反，若以物體體系為研究對(duì)象，內(nèi)力沖量的矢量和始終為零.據(jù)此動(dòng)量定理的研究推廣到物體系，即物體系所受合外力的沖量等于物體系內(nèi)各物體動(dòng)量變化的矢量和.

圖1

2.3 典型例題，定理應(yīng)用

例題.從一定高度H靜止釋放質(zhì)量為m的小球，小球落在地面上并反彈的高度為h，小球與地面接觸時(shí)間t，當(dāng)H為5m，小球質(zhì)量m為1kg，反彈高度h為0.8 m，請(qǐng)計(jì)算小球與地面接觸時(shí)間t為1s時(shí)，地面給小球

的平均作用力為多大？（如圖1所示）

通過上式發(fā)現(xiàn)，當(dāng)動(dòng)量變化量一定時(shí)，作用的時(shí)間越短，力也就越大，一定情況下物體重量可以忽略不計(jì).

課堂開始讓學(xué)生做起跳屈膝下落時(shí)，身體沒有明顯疼痛感的本質(zhì)原因是屈膝動(dòng)作延長(zhǎng)了作用時(shí)間，減小了地面對(duì)人的作用力，這就是生活中的緩沖.在車輛和很多機(jī)械中也廣泛使用緩沖彈簧延長(zhǎng)作用時(shí)間.蹦極運(yùn)動(dòng)中，挑戰(zhàn)者使用的彈性繩索，目的也是為了增加力的作用時(shí)間，減小繩索拉直時(shí)的作用力，進(jìn)而對(duì)人起到保護(hù)作用.此處可讓學(xué)生估算一下高空墜物，一個(gè)約為50g的雞蛋，從不同樓層落下來對(duì)地面的作用力大小，培養(yǎng)學(xué)生安全意識(shí).

3 對(duì)教學(xué)的啟示

物理的體驗(yàn)式教學(xué)設(shè)計(jì)，不僅要強(qiáng)調(diào)學(xué)生對(duì)物理知識(shí)的理解和掌握，明確“是什么”，還要基于理論的深度思考，在教學(xué)中使學(xué)生理解“為什么”和“怎么用”的問題.物理教育家喬際平指出：物理教學(xué)法只回答了教學(xué)過程中“是什么”的問題，沒有從根本上清楚明確地回答物理教學(xué)中“為什么”的問題，而物理教學(xué)論則要對(duì)物理教學(xué)過程中的各種問題做出“為什么”的回答.從這個(gè)意義上講，動(dòng)量和動(dòng)量定理的體驗(yàn)式教學(xué)設(shè)計(jì)從物理教學(xué)論的視角詮釋了動(dòng)量定理教學(xué)的條理性.縱觀動(dòng)量和動(dòng)量定理體驗(yàn)式教學(xué)設(shè)計(jì)的過程，得到如下幾點(diǎn)啟示.

3.1 強(qiáng)調(diào)情境教學(xué)

創(chuàng)設(shè)物理情境作為體驗(yàn)式教學(xué)設(shè)計(jì)的重要組成部分，充分展現(xiàn)著在情感和認(rèn)知的相互作用下，物理情境利用其獨(dú)特的直觀性，加深學(xué)生對(duì)現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)，從而有意識(shí)地思考問題，探索新知.

（1）生活情境.物理學(xué)的起源是生活現(xiàn)象，在物理教學(xué)中強(qiáng)調(diào)現(xiàn)象的直觀性可更好地讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到實(shí)驗(yàn)自變量帶來的實(shí)驗(yàn)效果的改變.生活實(shí)際以不容置疑的真實(shí)性而易于學(xué)生接受，課堂上引入相同速度飛來的足球和鉛球，以及質(zhì)量小速度快的子彈哪個(gè)可以接的情境，引起學(xué)生興趣，并引導(dǎo)學(xué)生積極主動(dòng)思考是什么量影響物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài).

（2）問題情境.問題是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的動(dòng)力和催化劑，當(dāng)學(xué)生思維得到啟發(fā)時(shí)，教師再通過問題情境，深入思考層次.不僅是生活事物，人體的一些反應(yīng)也值得探索，創(chuàng)設(shè)簡(jiǎn)單情境，讓學(xué)生思考起跳后兩種不同的方式下落分別給人體帶來的感受.緩沖是生活中十分常見的一個(gè)詞，但在此之前學(xué)生們都并未真正明白，一些物體是如何實(shí)現(xiàn)緩沖的，緩沖作用又會(huì)有什么樣的好處呢？帶著釋疑的心態(tài)展開本節(jié)課的重點(diǎn)學(xué)習(xí)，讓學(xué)生經(jīng)歷整個(gè)知識(shí)探索的過程，更有利于提高他們解決問題的能力.

3.2 注重科學(xué)方法

直觀性，是物理教學(xué)的一個(gè)重要原則，利用圖表比較相似定理公式，說明相同量和不同量之間的對(duì)比關(guān)系，比單獨(dú)了解動(dòng)量定理更讓人容易區(qū)分理解.高年級(jí)學(xué)生的抽象思維和邏輯思維已有較大發(fā)展，但面對(duì)新事物的區(qū)分辨別能力還未十分完善，利用對(duì)比法學(xué)習(xí)兩個(gè)定理，更為直觀的展現(xiàn)它們的異同，讓學(xué)生在構(gòu)建動(dòng)量和動(dòng)量定理的時(shí)候更有規(guī)律可循，為后面解決問題，選擇辦法提供很好的基礎(chǔ).而直觀性原則在創(chuàng)設(shè)情境以及對(duì)比學(xué)習(xí)動(dòng)量定理的設(shè)計(jì)中得到更加完整的體現(xiàn).

3.3 聯(lián)系學(xué)生認(rèn)知

教學(xué)不僅要讓學(xué)生學(xué)會(huì)物理知識(shí)，而且向?qū)W生重現(xiàn)物理規(guī)律的發(fā)現(xiàn)，學(xué)會(huì)運(yùn)用知識(shí)解釋生活現(xiàn)象.本節(jié)體驗(yàn)式教學(xué)設(shè)計(jì)由定性認(rèn)識(shí)、理論推導(dǎo)和定量計(jì)算3個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)構(gòu)成.定性認(rèn)識(shí)直觀明了，現(xiàn)象明顯，源于生活，引發(fā)思考；理論推導(dǎo)邏輯嚴(yán)密，考慮周全；定量計(jì)算清晰簡(jiǎn)潔，認(rèn)識(shí)深刻.整個(gè)教學(xué)設(shè)計(jì)步步深入、環(huán)環(huán)緊扣引導(dǎo)學(xué)生思維一步步上升，從生活走向物理，再由物理回歸生活運(yùn)用，充分顯示了教學(xué)的實(shí)用性，從定性認(rèn)識(shí)到定量計(jì)算加深了學(xué)生對(duì)動(dòng)量定理的認(rèn)識(shí)并幫助學(xué)生成功邁過對(duì)動(dòng)量的理解困難.至此整個(gè)動(dòng)量定理的體驗(yàn)式教學(xué)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)清晰并循序漸進(jìn)地促進(jìn)了學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展.

1 人民教育出版社課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心.選修3-5［M］.北京：人民教育出版社，2011：6－12.

2 喬際平.物理教育學(xué)［M］.南昌：江西教育出版社，1992：3.

3 胡彬.注重實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 引導(dǎo)學(xué)生探究［J］.物理教師，2014：40.