基于物理核心素養(yǎng)下的動(dòng)量定理教學(xué)設(shè)計(jì)

邱爽 彭朝陽

摘? ?要：培養(yǎng)當(dāng)下中學(xué)生的物理核心素養(yǎng)作為2017年物理課程標(biāo)準(zhǔn)的教學(xué)目標(biāo)，如何將核心素養(yǎng)的四要素，“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“ 科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”融入到實(shí)際的物理教學(xué)中成為當(dāng)下物理教師的關(guān)注焦點(diǎn)。本文選取動(dòng)量定理一節(jié)作為教學(xué)內(nèi)容，敘述如何結(jié)合物理核心素養(yǎng)的內(nèi)涵及要求來設(shè)計(jì)教學(xué)，從而達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的目的。

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng);教學(xué)設(shè)計(jì);動(dòng)量定理

引言

我國近年來的教育變革逐步從“知識(shí)為本”過渡到“以人為本”，從“雙基”到“三維目標(biāo)”再到如今的“核心素養(yǎng)”這一過程即教育回歸本質(zhì)的過程。2017年課程標(biāo)準(zhǔn)中明確指出：高中物理學(xué)科核心素養(yǎng)是物理學(xué)科育人價(jià)值的集中體現(xiàn)，是學(xué)生通過物理學(xué)科學(xué)習(xí)而逐步形成的正確價(jià)值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力[ 1 ]。高中物理學(xué)科核心素養(yǎng)主要指向通過物理學(xué)科要培養(yǎng)什么樣的人，即經(jīng)過物理學(xué)科的學(xué)習(xí)，高中生應(yīng)具備具有物理學(xué)科特質(zhì)的、滿足個(gè)人發(fā)展與社會(huì)發(fā)展所需的正確價(jià)值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力[ 2 ]。所以一線物理教師目前應(yīng)思考該如何將核心素養(yǎng)滲透到物理實(shí)際教學(xué)中。動(dòng)量定理作為高考物理的高頻考點(diǎn)，對(duì)于其概念的理解及應(yīng)用不僅是高中物理學(xué)習(xí)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，而且是學(xué)生建立良好物理知識(shí)結(jié)構(gòu)的重要基礎(chǔ)。本文選取人教版選修3-5第十六章“動(dòng)量與動(dòng)量定理”一節(jié)作為教學(xué)內(nèi)容來設(shè)計(jì)教學(xué)，并將核心素養(yǎng)融入到實(shí)際的物理教學(xué)中，以此來培養(yǎng)中學(xué)生的物理核心素養(yǎng)。

1? 動(dòng)量定理教材及學(xué)情分析

1.1? 教材分析

針對(duì)人教版選修3-5“動(dòng)量與動(dòng)量定理”的內(nèi)容：關(guān)于動(dòng)量，該節(jié)教材將前一節(jié)實(shí)驗(yàn)“探究碰撞中的不變量”作為鋪墊直接提出了動(dòng)量的概念以及公式，再通過物理學(xué)史和動(dòng)量的例題來加深學(xué)生對(duì)于動(dòng)量的矢量性和動(dòng)量變化的認(rèn)識(shí);關(guān)于動(dòng)量定理，教材先考慮物體碰撞時(shí)受到的力為恒力的情況，將牛頓第二定律作為學(xué)生新知識(shí)的“增長點(diǎn)”，引導(dǎo)學(xué)生推導(dǎo)其基本表達(dá)式，再通過“微元法”將動(dòng)量定理的適用范圍從恒力過渡到非恒力，最后介紹生活實(shí)例來幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)動(dòng)量定理的實(shí)際應(yīng)用。

筆者認(rèn)為，該節(jié)教材直接引入了“動(dòng)量”和“沖量”的基本概念，并沒有創(chuàng)設(shè)具體的物理情境或物理模型去引發(fā)學(xué)生的思考，會(huì)使學(xué)生對(duì)于概念的理解不深刻，且不利于學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展;教材在推導(dǎo)出動(dòng)量定理基本表達(dá)式之后缺少驗(yàn)證動(dòng)量定理的物理實(shí)驗(yàn)，不利于學(xué)生科學(xué)探究能力的培養(yǎng);學(xué)習(xí)動(dòng)量定理后，可引導(dǎo)學(xué)生將動(dòng)量定理與已掌握的動(dòng)能定理進(jìn)行對(duì)比學(xué)習(xí)，既能復(fù)習(xí)鞏固動(dòng)能定理的知識(shí)，也能理解兩者之間的聯(lián)系與區(qū)別。

1.2? 學(xué)情分析

學(xué)生經(jīng)過前一節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí)后已經(jīng)了解到許多種關(guān)于物體碰撞的模型，在教師的帶領(lǐng)下能初步的認(rèn)識(shí)動(dòng)量及其矢量性。但學(xué)生對(duì)于動(dòng)量基本概念的理解和動(dòng)量定理的應(yīng)用方面存在一定困難，例如對(duì)物體進(jìn)行受力分析時(shí)，因漏掉某個(gè)力而導(dǎo)致分析物體合外力沖量出現(xiàn)錯(cuò)誤等。高二的學(xué)生已具備一定的抽象思維和邏輯思維，教師作為教學(xué)過程的主導(dǎo)者，需要去引導(dǎo)學(xué)生轉(zhuǎn)變認(rèn)知沖突，從而達(dá)到對(duì)知識(shí)正確的理解。

2? 物理核心素養(yǎng)下“動(dòng)量定理”的教學(xué)設(shè)計(jì)

2.1? 巧妙運(yùn)用情境，滲透物理觀念

創(chuàng)設(shè)情境：首先帶著學(xué)生復(fù)習(xí)前一節(jié)所學(xué)的碰撞的概念及模型，然后將準(zhǔn)備好的兩顆雞蛋于同一高度釋放到海綿和硬木板上。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：落在海綿上的雞蛋完好無損，落在硬木板上的雞蛋表面碎裂。

提出問題1：雞蛋落在海綿和硬木板上有何區(qū)別？

討論并回答：海綿比硬木板有更明顯的形變過程，導(dǎo)致海綿的形變所用時(shí)間比硬木板形變所用時(shí)間長。（運(yùn)用已有知識(shí)分析問題）

提出問題2：為何雞蛋作用時(shí)間越長越不容易碎裂？讓學(xué)生們帶著疑問正式進(jìn)入動(dòng)量定理的學(xué)習(xí)。

【設(shè)計(jì)意圖】物理觀念即物理概念和規(guī)律在頭腦中的提煉和升華，是從物理學(xué)視角解釋自然現(xiàn)象和解決實(shí)際問題的基礎(chǔ)[ 1 ]。物理教師應(yīng)創(chuàng)設(shè)符合學(xué)生認(rèn)知基礎(chǔ)的物理情境，讓學(xué)生通過已有知識(shí)去分析和解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，這不僅能夠激發(fā)學(xué)生對(duì)于物理學(xué)習(xí)的興趣，而且能夠幫助學(xué)生更好的理解物理概念和規(guī)律。

2.2? 建構(gòu)物理模型，培養(yǎng)科學(xué)思維

建構(gòu)模型，引發(fā)思考：某節(jié)體育課上同學(xué)對(duì)著墻壁踢球來練習(xí)足球傳球技巧，足球在觸碰墻壁前的瞬時(shí)速度為v0，在觸碰墻壁后的瞬時(shí)速度為v1，觸碰墻壁這一過程所用時(shí)間為t，假設(shè)墻壁對(duì)足球的力F為恒力，該如何運(yùn)用學(xué)過的知識(shí)來表達(dá)出力？

合作探討，得出方案：分別對(duì)足球剛接觸墻壁時(shí)和即將離開墻壁時(shí)進(jìn)行分析（如圖1和圖2所示），首先可根據(jù)加速度的定義式得出：

再根據(jù)牛頓第二定律表示墻壁對(duì)足球的作用力：

依據(jù)推導(dǎo)，引出概念：（3）式中的mvt和mv0，即教材前一節(jié)內(nèi)容所探究的碰撞中的不變量，該不變量mv即動(dòng)量，用字母P表示，由于速度為矢量，則動(dòng)量也為矢量。由此，（3）式可表達(dá)為FΔt=ΔP，這里的F即足球的合外力。物理學(xué)中將力與力作用時(shí)間的乘積定義叫做沖量[ 3 ]，用字母I表示，由于力為矢量，則沖量同樣也為矢量。上式中可看出物體在一個(gè)過程始末的動(dòng)量變化量等于它在這個(gè)過程中所受力的沖量，這個(gè)關(guān)系叫做動(dòng)量定理[ 3 ]。

過渡：根據(jù)動(dòng)量和動(dòng)量定理的概念，解釋一下為何雞蛋落在海綿上不容易碎裂。

相互討論，解決問題：于同一高度下落時(shí)，雞蛋碰撞前的初速度相同，碰撞后的末速度vt=0，根據(jù)動(dòng)量定理，雞蛋動(dòng)量的變化量相等，但由于海綿形變時(shí)間比硬木板長，則海綿作用在雞蛋上的力小于硬木板作用在雞蛋上的力，所以雞蛋落在海綿上不容易碎裂。

【設(shè)計(jì)意圖】模型建構(gòu)即對(duì)客觀事物進(jìn)行抽象和概括的基礎(chǔ)上，抓住其關(guān)鍵因素，構(gòu)建能反映其本質(zhì)特征的理想模型的科學(xué)抽象過程[ 2 ]。教師應(yīng)善于利用生活中的具體實(shí)例來建構(gòu)利于學(xué)生理解知識(shí)的物理模型，使物理教學(xué)變得生活化，學(xué)生才能夠切合實(shí)際的感受物理的魅力，認(rèn)知概念的本質(zhì)。

2.3? 深入物理實(shí)驗(yàn)，加強(qiáng)科學(xué)探究

過渡：經(jīng)過學(xué)生的推導(dǎo)分析，從牛頓第二定律出發(fā)完成了對(duì)恒力作用下動(dòng)量定理的驗(yàn)證，該如何從實(shí)驗(yàn)的角度出發(fā)去證明恒力作用下的動(dòng)量定理？

實(shí)驗(yàn)儀器：質(zhì)量分別為m1和m2的兩個(gè)物體（m1

小組討論，發(fā)現(xiàn)問題：根據(jù)公式FΔt=mΔv可知，實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵在于證明變化的動(dòng)量等于物體所受合外力的沖量。物體質(zhì)量已知，Δt可通過光電門來測量，但物體的合外力F與物體速度的變化量Δv該如何測量？（分析實(shí)驗(yàn)儀器）

適當(dāng)指導(dǎo)，分配任務(wù)：實(shí)驗(yàn)儀器中兩個(gè)物體、定滑輪和輕繩可組成阿特伍德機(jī)（如圖3所示），由于需要測量物體的合外力F，則需要對(duì)實(shí)驗(yàn)物體的運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行受力分析，分別對(duì)物體1和2分析可得：

即可通過已知的物體質(zhì)量和重力加速度來計(jì)算出物體的加速度，最終計(jì)算出合外力F合。關(guān)于速度的變化量Δv的測量，首先用游標(biāo)卡尺測出物體1的長度，再測量物體1通過每個(gè)光電門的時(shí)間，分別計(jì)算其通過每個(gè)光電門的瞬時(shí)速度，最終計(jì)算可得到Δv的值。

實(shí)驗(yàn)的原理現(xiàn)已明確，讓學(xué)生分小組進(jìn)行合作討論，將實(shí)驗(yàn)裝置的草圖畫在草稿紙上，并說明該實(shí)驗(yàn)的具體操作步驟。

合作學(xué)習(xí)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：學(xué)生經(jīng)過討論后上講臺(tái)展示實(shí)驗(yàn)草圖（如圖4所示）

實(shí)驗(yàn)步驟如下：

（1）依照?qǐng)D4將實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行組裝，注意組裝光電門和數(shù)據(jù)采集器的全過程需保持電源處于關(guān)閉狀態(tài)。

（3）檢查儀器后打開電源正式開始實(shí)驗(yàn)，將物體2置于一定高度由靜止?fàn)顟B(tài)開始釋放，該過程物塊1通過光電門1、2，記錄光電門1、2的擋光時(shí)間分別為t1、t2和物塊1通過光電門1、2所用的時(shí)間為t12。

過渡：教師要求學(xué)生依據(jù)實(shí)驗(yàn)所測量的數(shù)據(jù)來設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)表格（如表1所示），并將數(shù)據(jù)填入表格中。

分析數(shù)據(jù)，得出結(jié)論：學(xué)生觀察I與ΔP的數(shù)據(jù)值大小幾乎一致（在誤差范圍內(nèi)），通過實(shí)驗(yàn)證明了恒力作用下的動(dòng)量定理。

從特殊到一般，從“恒力”到“變力”：已證明在恒力作用下的動(dòng)量定理成立，但不能說明動(dòng)量定理具有普適性。教師可運(yùn)用“微元法”來向?qū)W生證明變力作用下的動(dòng)量定理同樣成立。

提出問題：假設(shè)物體A僅受到水平向右的變力F，物體于光滑水平面做變速直線運(yùn)動(dòng)，若將總時(shí)間分成若干個(gè)趨近于零的時(shí)間段，則這些時(shí)間段內(nèi)物體做什么運(yùn)動(dòng)？

學(xué)生討論并回答：由于每段時(shí)間特別短，物體A的合力F還來不及變化，所以物體A做勻變速直線運(yùn)動(dòng)。

教師引導(dǎo)：假設(shè)第一段的初速度為v1，末速度為v'1，受到的力為F1，以此類推，可得到示意圖（如圖5所示）;對(duì)于物體A的運(yùn)動(dòng)過程，依據(jù)動(dòng)量定理可得到：

第一段F1t1=mv1'-mv1;第二段F2t2=mv2-mv1';第三段F3t3=mv2'-mv2等等;觀察這些等式有何規(guī)律？

學(xué)生回答：將所有等式相加，等式的左邊即物體A合外力的總沖量，等式的右邊僅剩mv末-mv1，即物體總動(dòng)量變化量，證明了動(dòng)量定理的普適性，變力或恒力情況都能適用。

【設(shè)計(jì)意圖】科學(xué)探究即基于觀察和實(shí)驗(yàn)提出的物理問題、形成猜想和假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和制定方案、獲取和處理信息、基于證據(jù)得出結(jié)論并作解釋，以及對(duì)科學(xué)探究過程和結(jié)果進(jìn)行交流、評(píng)價(jià)、反思的能力，主要包括問題、證據(jù)、解釋、交流等要素[ 1 ]。教師安排學(xué)生合作學(xué)習(xí)，促使學(xué)生在相互討論的過程中發(fā)現(xiàn)問題，教師再通過適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)學(xué)生，使學(xué)生自主完成目標(biāo)實(shí)驗(yàn)，不僅加深了學(xué)生對(duì)新知識(shí)的理解，而且強(qiáng)化了科學(xué)探究能力。

2.4? 關(guān)注歷史和實(shí)際應(yīng)用，深化科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

適當(dāng)舉例，普及知識(shí)：當(dāng)學(xué)生在頭腦中建立動(dòng)量定理的概念之后，教師講述動(dòng)量這一概念的歷史發(fā)展過程，包括笛卡爾、惠更斯、牛頓等人當(dāng)時(shí)對(duì)于該概念的理解。夯實(shí)學(xué)生知識(shí)的同時(shí)，讓學(xué)生明白科學(xué)的發(fā)展是在一代又一代科學(xué)家的不斷努力下進(jìn)行的。之后教師可通過列舉生活中的實(shí)例來讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到動(dòng)量定理的具體應(yīng)用，包括：物流公司運(yùn)輸易碎物品用泡沫將其進(jìn)行包裹、汽車內(nèi)部安全帶選用具有彈性的橡皮制品等等。教師可在例子的基礎(chǔ)上普及行車安全知識(shí)，教導(dǎo)學(xué)生乘車時(shí)一定系好安全帶，防止事故發(fā)生危險(xiǎn)。

課后思考，布置作業(yè)：安排學(xué)生利用課后時(shí)間，將已學(xué)過的動(dòng)能定理和動(dòng)量定理進(jìn)行比較分析，思考兩者之間的適用范圍、內(nèi)在聯(lián)系。能否用動(dòng)量P去表示動(dòng)能Ek的關(guān)系式？相反能否用動(dòng)能Ek去表示動(dòng)量P的關(guān)系式[ 4 ]？

【設(shè)計(jì)意圖】科學(xué)態(tài)度與責(zé)任即在認(rèn)識(shí)科學(xué)·技術(shù)·社會(huì)·環(huán)境關(guān)系的基礎(chǔ)上，形成良好的科學(xué)態(tài)度和遵守道德規(guī)范、保護(hù)環(huán)境并推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展的責(zé)任感[ 1 ]。教師作為引導(dǎo)者應(yīng)讓學(xué)生明白人類的發(fā)展離不開科學(xué)，物理學(xué)作為科學(xué)的一門基礎(chǔ)學(xué)科，其來源于生活，同時(shí)也造福人類的生活。

3? 結(jié)語

物理核心素養(yǎng)在教學(xué)設(shè)計(jì)中的體現(xiàn)，需要物理教師們改變傳統(tǒng)教學(xué)觀念，注重物理教學(xué)中的方法和知識(shí)點(diǎn)的應(yīng)用，而非機(jī)械的傳授物理知識(shí)。物理核心素養(yǎng)的滲透離不開實(shí)際教學(xué)中的實(shí)踐，身為當(dāng)下的物理教師必須理解物理核心素養(yǎng)的價(jià)值，才能夠在教學(xué)中幫助學(xué)生建構(gòu)完整的知識(shí)體系、指導(dǎo)學(xué)生去探索物理的奧秘。

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