基于物理學科核心素養(yǎng)的“問題串”探究教學

周金中

摘 要：物理學科核心素養(yǎng)可以落實在教學設計的各個環(huán)節(jié).結合“動量和動量定理”教學分析，闡述了高中物理課堂教學實踐中運用以學生核心素養(yǎng)發(fā)展為本位、以問題串探究學習為主線的教學策略，提供了基于核心素養(yǎng)優(yōu)化課堂教學的若干可操作性強的教學建議.

關鍵詞：核心素養(yǎng)；問題串；探究；情境

一、教學分析——基于核心素養(yǎng)的教學方式選擇

（一）教材分析

動量、動量變化、沖量等概念是本章的核心概念，動量定理是分析碰撞問題的重要方法、也是理論推導動量守恒定律的基礎規(guī)律.《浙江省普通高中學科教學指導意見》說明指出：動量定理的計算只限一個物體、一維運動和一個過程，不要求涉及連續(xù)介質.另外教材“科學漫步”欄目提到了“汽車碰撞實驗”，“科學足跡”欄目提到了“運動量度的爭論”，課堂教學的深廣度有很大彈性空間.

（二）學情分析

學生在前一節(jié)“探究碰撞中的不變量”中遇見了多種碰撞模型，也初步感受到“動量”這個有意義的不變量，初步認識到了動量的矢量性.但是對于動量變化的矢量性的理解、實踐有難度.學生可以基于牛頓第二定理推導動量定理表達式，但是往往在分析合外力沖量或者外力的沖量和時因為受力分析缺陷容易漏力.另外對于“緩沖”理解能套用動量定理但是難以自發(fā)探究動量定理與動能定理關于“力積累”的區(qū)別.

（三）教學分析思考——問題串探究教學與核心素養(yǎng)愿景

考慮本節(jié)教學特點，傳統(tǒng)的傳授式教學無法長久吸引學生的注意力，很難讓學生領悟概念的內涵和外延，也難以激發(fā)學生探索和應用規(guī)律的熱情.基于問題串的問題探究式教學，能在逐層深入的問題探究中破解概念理解的難點.問題串探究一方面連接學生的系列自主活動體驗，另一方面不斷建構新的認知知識基礎結構，其本身探究任務驅動過程在不斷地探索創(chuàng)新，有助于實現(xiàn)基于核心素養(yǎng)的教學理念.

二、教學目標——物理核心素養(yǎng)視角

（一）四維學習目標

1.物理觀念

學生能進一步感受“追尋守恒量”思想，認識到碰撞中的守恒量是動量，理解動量變化的原因是力的沖量.

2.科學思維

學生能基于生活中的碰撞問題情境建構較為抽象的物理模型；學生能正確使用物理思維方法，從定性和定量兩個方面進行科學推理、找出動量變化與F的關系、推導動量定理，并能解釋各種“緩沖”實際問題；學生能經(jīng)歷批判性思維，能從動量定理和動能定理角度思考問題“量度”力，追求理論創(chuàng)新.

3.實驗探究

學生在理解動量變化過程中經(jīng)歷實驗分析環(huán)節(jié)，應用數(shù)學方法畫出動量的變化量；學生在動量定理的理解過程中經(jīng)歷數(shù)據(jù)論證環(huán)節(jié)，預測、評估、交流實驗結果；學生可以在彈性實驗探究過程中使用傳感器收集信息.

4.科學態(tài)度和責任

學生在“拯救地球”的情境中提升學習興趣、強化責任感；學生在基于證據(jù)和邏輯的問題串探究中發(fā)表自己的見解；學生在“高空拋蛋”和“最美媽媽吳菊萍”實例分析過程中更深感受STSE關系.

（二） 教學目標思考——教育取向的課堂教學

教育取向的課堂教學以課堂教學為基礎或載體實現(xiàn)教育的目標，即學生通過課堂教學活動實現(xiàn)身心積極、健康的變化.核心素養(yǎng)終歸是立足培養(yǎng)全面發(fā)展的人，教學目標中的行為主體應該是學生，設置的探究目標必須是課堂上學生能夠實現(xiàn)的，教學目標的四個維度也應該基于物理學科特點促進學生物理核心素養(yǎng)的發(fā)展.

三、教學過程

（一）引入新課——從同伴活動展示走向災難拯救行動

1.本課“母問題”情境

導語：如圖1所示，這是前不久校本課上同學們展示的“雞蛋撞地球”的制作，在評判大家對雞蛋的碰撞效果時也在想這樣一個問題：如果從地球外來了幾個大大的“蛋”撞地球會怎樣？

播放電影“天地大沖撞”視頻（http：//v.baidu.com/movie/28365.htm？fr=ps_twala），提出拯救地球的準備號召，如圖2所示（ppt展示），“所幸我們還有160多年的準備時間”.

2.回顧式問題引出

導語：碰撞問題總有規(guī)律可循，千里之行始于足下，把碰撞問題研究的時空先遷移到我們的實驗室.回顧探究“碰撞中”的不變量實驗.對運動問題的研究，物理學家們的基本研究思想是“追尋守恒量”，上節(jié)課中，你的探究實驗方案是什么？你發(fā)現(xiàn)碰撞中的不變量是什么？

3.引入教學建議

“雞蛋撞地球”是很多學校開展的活動，盡量選學生較為熟悉的或者設計新穎的作品.“天地大沖撞”視頻只播放影片中一巨石引起巨浪席卷美國紐約的一段視頻，主要是激發(fā)探究碰撞問題的動機.

（二）新課教學——問題串探究學習

1.探究問題一：（它們）碰撞中的不變量

預設：質量與速度的乘積.

導語：是的，我們很多同學都發(fā)現(xiàn)碰撞問題中“它們的質量和速度的乘積即mv”在碰撞前后很可能是保持不變的，說明mv這個物理量具有特別的意義 ，我們把它定義為動量.

探究收獲一：描述運動狀態(tài)的新概念——動量，p=mv.

回望：科學前輩們就是在追尋不變量的努力中，逐漸建立了動量的概念.展示笛卡爾、惠更斯、牛頓的動量概念完善歷程.

引問：站在巨人肩膀上審視“動量”概念要注意哪些要點？

引導學生歸納動量要點：瞬時性（描述狀態(tài)）；相對性（參考地面）；矢量性（平行四邊形法則運算）.

教學建議：引導學生自己參照速度的特點來歸納出動量要點.

2.探究問題二：（物體）動量的變化

引導觀察：現(xiàn)在我們就可以用建立的動量概念來描述碰撞中物體的運動狀態(tài).

演示實驗1：舉高的煮熟雞蛋落在講臺上.請同學用動量的概念描述雞蛋的運動狀態(tài).目的是明確動量的矢量性，感受動量的變化.

演示實驗2：彈力球自由下落碰到地面，彈回到原高處.抽象出例題1.

例1 一個質量是0.01kg的彈力球，以6m/s的速度豎直向下撞地面，沿著同一直線以6m/s的速度豎直向上運動，碰撞前后鋼球的動量有沒有變化？變化了多少？方向如何？

預設：學生在前例中能順利回答第一問，而對變化了多少有困難.

引導：矢量計算方法和矢量作圖法，讓學生在黑板演示矢量作圖法——“從減數(shù)指向被減數(shù)”.

拓展活動：平拋彈力球，碰撞地面后，對面的學生接住彈力球，抽象出拓展問題：若以大小6m/s與水平45°角速度碰撞地面，同樣大小與地面成45°角反彈，與地面碰撞前后鋼球的動量有沒有變化？變化了多少？方向如何？

引導：（預設如圖3所示）讓學生在黑板演示矢量作圖法.

探究收獲：某段運動過程（或時間間隔）末狀態(tài)的動量p' 跟初狀態(tài)的動量p的矢量差，稱為動量的變化（或動量的增量），即[Δ]p= p'-p=mv' -mv，要關注矢量相加減.

教學建議：要考慮學生的接受程度，引導基礎較好的學生根據(jù)數(shù)學矢量運算原則畫出動量變化量，可以先教師演示一維作圖，學生模仿二維矢量作圖.

3.探究問題三：（受力）變化的原因

問題：可見，碰撞中，對某物而言，動量會發(fā)生變化.那么變化的原因是什么呢？

引導：投影車禍圖，分析（某車）動量變化原因.撞后的車子發(fā)生了形變，形變的原因是什么？

預設：受到了外力.

問題對象：研究物體A（或物體B）受到的力F……

抽象問題模型：投影圖4.

引導學生推理：物體A受力，合外力F=ma，演繹推理出[F=ΔpΔt]，聯(lián)想總結比值定義的價值.

探究收獲：動量變化的原因是物體受力，而且物體動量的變化率等于物體所受的合外力.

教學建議：做好鋪墊引導，形變與力有關而動量變化（速度變化）與加速度與力有關.

4.探究問題四：（效果）[Δp]與F的關系

引導：現(xiàn)在可以根據(jù)動量的變化率分析物體的受力情況了.

情景引入，還是一個雞蛋，這次是從高層釋放（圖片展示）.

例2 一個雞蛋，10樓窗臺釋放，設碰撞時間為0.01s，碰撞過程中雞蛋受到的平均作用力是多大？

引導學生估算：一個雞蛋的質量0.05kg，10樓窗臺落地速度[v=2gh][=2×10×28m/s]

[≈] ，作用力F，比較一個雞蛋的重力mg=

拓展問題：地面對雞蛋的平均作用力是多大？

引導：動量的變化率對應的是合外力，受力分析時要關注包括重力在內受到的各個力.另外，大家可能還有疑問是什么讓雞蛋變得這么“重”呢？

實例分析：2011年感動中國最美媽媽吳菊萍（投影圖5），“她有一雙最柔弱的臂膀，也是2011年中國最有力的臂膀.”0.1s托起一個從10樓掉落下來的2歲小女孩.你能估算出平均作用力嗎？

情感引導：0.1s的力我算不出多大，因為太大太大……

探究收獲：可見，碰撞中，力對時間的積累非常有意思，物理上把這個有意義的量定義為沖量I=Ft.引導學生明確沖量的基本特點——矢量、過程量.

引導：我們再回頭看外力的沖量，[mv'-mv=Ft'-t=FΔt]，發(fā)現(xiàn)一個新的關于動量的關系式，定量的表示[Δp]與F的關系.

探究收獲：動量定理——物體在一個過程始末的動量變化量等于它在這個過程中所受 力的沖量.

活動分析：用10N的水平推力作用于水平地面上的桌子，作用時間5s，桌子始終靜止不動.則水平推力的沖量是多大？

預設討論：沖量50N·s，但動量變化量為零，矛盾嗎？你關于動量定理的理解覺得有什么需要重視？

探究總結：①表明合外力的沖量是動量變化的原因；②動量定理是矢量式，合外力的沖量方向與物體動量變化的方向相同；③合外力的沖量等于外力沖量的矢量和（積累）.

教學建議：一方面重視情感渲染實施安全教育、情感教育，另一方面要特別實施好規(guī)范應用動量定理解決問題的基本程序.

5.探究問題五：（應用）變量分析

引導：動量定理表明了力、時間、動量變化量之間的關系，我們看看生產(chǎn)生活中是如何利用這個規(guī)律的.（投影一組實物）

引導學生討論：如何減少作用力，理解“緩沖”.

預設：學生考慮是延長了作用時間，[Δp]一定，根據(jù)[F=ΔpΔt]分析，F(xiàn)減少.

拓展討論引導：是否是延長位移？教學意圖是反思比較動量定理與動能定理.

預設：學生考慮動能定理[Fs=12mv'2][-12mv2]，上面實例中動能變化一定，延長位移s，F(xiàn)減少.

拓展討論引導：如果等速彈性反彈，動能變化為零，但是速度大小不同，動能定理就難以分析.從動量定理角度能更好地分析“緩沖”力的問題.

探究小結：力對時間的積累與力對空間的積累，從不同的角度看力積累的效果.動量定理的本質是牛頓第二定律，能更好地分析碰撞相關問題中的力與時間關系.

教學建議：動量定理分析緩沖問題要強調控制變量思維方法.另外，動能定理延長位移問題不要深究，避免教學“跑題”.

6.“彈性教學”探究活動：變力對時間的“積累”效果（選用部分）

問題：動量定理對變力問題的分析？

實驗探究：指導學生利用傳感器記錄小球拉力與時間的關系，利用米尺測量小鋼球下落高度，估算細線直時的初速度，分析力與時間圍成的“面積”，分析合外力沖量與動量變化關系（如圖6所示）.

教學建議：對學習特別優(yōu)秀的學生，才展開此部分的“彈性教學”探究活動.引導學生經(jīng)歷變力沖量求解方法（力與時間的面積），同時檢驗動量定理.對普通學生可以采用簡要介紹的方式實施，也可以不開展.

四、教學過程回味

（一）引入教學思考——圍繞學生個性凸顯情境價值

問題情境尤其是“母問題”情境是整節(jié)課的物理“奇點”，如同大爆炸理論中的“奇點”，是整節(jié)課所有問題的“源頭”，其重要性可見一斑.母問題情境要彰顯“興趣”和“問題”兩個維度的情境價值.而“回顧”是新課教學的必要思維步驟，或隱性或顯性，無論形式怎樣，其關鍵是：回顧的教學動作要自然、自在，回顧的教學內容要突出自主探究收獲和個性問題創(chuàng)新，回顧的教學引導要巧妙開啟學生的問題空間和思維空間.

（二）問題串探究思考——層層深入彰顯核心素養(yǎng)

精心編織的問題串、多梯度的問題預設、多角度的問題引導，把看似零散的概念、規(guī)律有機滲透在問題探究的全過程.依托問題串探究輻射出學生豐富的、深層的思維活動，也自然地衍生出完整的知識結構，有機地把學生的認知、思維、情感統(tǒng)一在課堂互動中.

教學過程中以符合學生認知結構的問題串探究為主線不斷更新學生的物理觀念、以學生自主探究為中心的問題解決策略不斷強化學生的物理思維方法、以精悍的部分實驗探究為手段不斷拓展學生的實驗探究能力、以富含人文情懷和科學精神的問題情境潛移默化的培育著學生的科學態(tài)度和責任感.