“動量守恒定律”單元教學設計

馬磊　公衍錄

摘 要：本單元設計基于學習進階的理論，對學生的思維由簡單到復雜、由淺入深地進行層級刻畫.通過對學生已有知識、能力進行診斷，整體設計各層級的任務，在層級銜接遞進的過程中培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng).圍繞動量守恒定律，從學生學的視角組織一系列的學習事件，通過整合物理概念、規(guī)律，挖掘教學內(nèi)容中的認識方式、研究方法等隱性知識，不斷建構(gòu)和發(fā)展學生的“運動和相互作用”物理觀念.

關(guān)鍵詞：單元教學設計;動量守恒定律;運動和相互作用;物理觀念;學習進階

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）05-0022-05

作者簡介：馬磊（1985-），男，山東泰安人，碩士，中學一級教師，研究方向：中學物理學科教學;

公衍錄（1963-），男，山東蒙陰人，本科，中學高級教師，研究方向：中學物理學科教學.

1 單元教學設計指導思想

本單元教學設計是圍繞“運動和相互作用”物理觀念的建構(gòu)和發(fā)展，以動量守恒定律這一大概念組織教學，整合本單元的動量、沖量和動量定理等概念規(guī)律，在此基礎上，進一步挖掘教學內(nèi)容中隱含的“守恒”等跨學科概念、認識方式、研究方法等隱性知識，發(fā)展學生的“運動和相互作用”的大觀念[1].這些知識將為學生終身發(fā)展、應對現(xiàn)代和未來社會發(fā)展的挑戰(zhàn)打下基礎.通過創(chuàng)設“碰撞”等大情境，引導學生深度學習，伴隨著學生的認識發(fā)展，逐漸形成解決問題的一般化大思路.設計適當?shù)膶W習策略，有效地調(diào)動學生學習的主動性[2].加強學習診斷，以精準診斷和及時反饋矯正，提升教學的針對性和有效性.

2 單元教學內(nèi)容分析

整合本單元知識，梳理出圍繞大概念——動量守恒定律的知識結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示.

本單元的一個重點內(nèi)容是描述單個質(zhì)點的動量定理，如圖1中力的積累效果部分;另一個重點內(nèi)容是描述系統(tǒng)的動量守恒定律及其應用，如圖1中動量守恒定律部分.

在本單元的教學內(nèi)容中，蘊含了模型建構(gòu)、推理論證等豐富的學科素養(yǎng)和科學方法.教師應充分發(fā)掘教學內(nèi)容中的育人價值，剖析知識背后隱含的物理觀念和思想方法.表1中舉出了一些例子.

3 學生學習情況分析

按照物理核心素養(yǎng)的維度，本單元的學情分析如下.

物理觀念：學生之前學過了牛頓運動定律和運動學公式，為本單元的學習打下了堅實的基礎.已學過的解決力學問題的一般思路“確定研究對象，受力分析，運動分析，列物理規(guī)律方程等”仍然適用.學生在學習機械能守恒定律、能量守恒定律和電荷守恒定律時，已經(jīng)知道了守恒這一概念，但需要進一步強化某一量守恒的含義，就是在變化中該量的總和保持不變.

科學思維：在教學中可借助實驗等加強教學的直觀性和形象性，以便于學生理解.讓學生應用動量定理、動量守恒定律等本單元的知識，解釋與日常生活、生產(chǎn)有關(guān)的現(xiàn)象，促進學生逐步由形象思維到抽象思維的過渡.在前面求解連接體問題時，學生已經(jīng)了解了“系統(tǒng)”“內(nèi)力”“外力”等概念，這有助于學生理解動量守恒的條件，但受力分析一直是學生的一個薄弱環(huán)節(jié)，而且學生常常會把動量守恒的條件與機械能守恒的條件相混淆.

科學探究：學生已經(jīng)具有設計方案、實驗操作、記錄數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)和獲得結(jié)論的意識，但是對方案的可行性等還需著力培養(yǎng).

科學態(tài)度與責任：學生具有一定的學習物理的興趣，知道物理研究應實事求是，還應注重培養(yǎng)學生理論聯(lián)系實際的態(tài)度等.

4 單元教學目標

下面以動量定理和動量守恒定律為主線，結(jié)合具體的知識點和素養(yǎng)發(fā)展要求[3]，表述本單元的教學目標如下：

（1）理解沖量和動量.具體包括：創(chuàng)設情境引導學生經(jīng)歷沖量和動量概念的形成過程;學生能夠通過理論推導和實驗探究，推導出動量定理和動量守恒定律，并能用其解釋生產(chǎn)、生活中的有關(guān)現(xiàn)象.通過制作水火箭等，讓學生知道火箭的發(fā)射利用了反沖現(xiàn)象;通過收集資料，了解中子的發(fā)現(xiàn)過程，討論動量守恒定律在其中的作用，認識動量守恒定律的普適性.

（2）通過實驗，了解彈性碰撞和非彈性碰撞的特點，具體包括：定量分析一維碰撞問題，解釋生產(chǎn)生活中的彈性碰撞和非彈性碰撞現(xiàn)象，例如讓學生觀察臺球碰撞前后的運動情況，嘗試用動量知識定性解釋.查閱資料，了解太空中物體的碰撞和微觀粒子的碰撞等相關(guān)信息.

（3）體會用守恒定律分析物理問題的方法，體會自然界的和諧與統(tǒng)一.具體包括：學生能將動量守恒定律，與學過的機械能守恒定律和能量守恒定律聯(lián)系起來，通過運用這些規(guī)律分析和解決實際問題，進一步發(fā)展“守恒”“系統(tǒng)”和“能量”的觀念，初步形成用物理學理論描述的自然界具有和諧與統(tǒng)一的整體圖景.

5 單元學習過程設計

本單元學習過程設計可分為四個部分：第一部分是尋找碰撞中的守恒量，會用動量概念描述物體的運動，知道碰撞前后能量的變化，并以此對碰撞進行分類;第二部分是在第一部分的基礎上進一步探究物體動量的變化量與力在時間上累積的關(guān)系;第三部分利用動量定理推導兩個及以上物體組成的系統(tǒng)動量守恒條件;第四部分是能運用動量守恒定律解釋生產(chǎn)生活中的有關(guān)現(xiàn)象、解決相關(guān)問題.這四個部分相互獨立，又層層遞進.具體學習過程設計見表2.

6 主要教學活動設計

本單元的核心概念是動量守恒定律，整章的教學活動設計基本遵循：系統(tǒng)—單個質(zhì)點—系統(tǒng)的思路.如圖2所示.限于篇幅，以“層級2”動量定理的推導和驗證為例，說明主要的教學活動設計.學生思維發(fā)展過程如圖3所示.

6.1 學習任務一：定性分析緩沖現(xiàn)象中受力與作用時間的關(guān)系

情境創(chuàng)設：觀看視頻，無降落傘高空跳到大網(wǎng)里，室內(nèi)百米賽跑跑道終點處墻上有厚厚的軟墊.這個大網(wǎng)和這層軟墊有什么作用？運動員所受的力與停下來所用的時間存在什么關(guān)系？

讓學生對緩沖現(xiàn)象中受力和作用時間有定性的認識.引導學生設計實驗進行檢驗，通過觀察實驗并歸納力和時間的關(guān)系.

6.2 學習任務二：建立物理模型，通過理論推導

情境創(chuàng)設：通過實驗，在動量變化量相同的情況下，作用時間長，F(xiàn)小，作用時間短，F(xiàn)大，可以看出延長作用時間可以減小物體所受力的大小.力F與時間t存在定量關(guān)系嗎？

培養(yǎng)學生的證據(jù)意識，引導學生建立模型，光滑水平面上的一個物體，受到一個水平向右的恒力，在恒力F的作用下運動一段時間t，速度由v1變到v2，利用牛頓第二定律或者動能定理進行推導F-t存在的關(guān)系.

6.3 學習任務三：設計實驗驗證不同條件下動量定理是否成立

情境創(chuàng)設：在理論推導過程中，我們是在恒力條件下進行的，動量定理是否在其他條件下（變力、碰撞等）也成立？

提供的實驗器材：平滑導軌、小車、力學傳感器、位置傳感器、細線、鉤碼及數(shù)據(jù)處理軟件等，讓學生設計實驗，在不同條件下驗證動量定理是否成立.通過對實驗結(jié)果的分析，我們可以得到結(jié)論：在誤差允許的范圍內(nèi)動量定理成立.

7 單元學習效果反饋性評價設計

本單元學習評價圍繞動量守恒定律核心概念，依據(jù)學生物理學科核心素養(yǎng)發(fā)展狀況，通過創(chuàng)設真實而有價值的問題情境，促進學生概念發(fā)展，以過程性評價為主，主要形式為課前診斷、課上問題鏈和實驗設計、自我和同伴評價、課后測試反饋等.

學習效果評價還要根據(jù)不同的需求設計不同層次.針對物理學科核心素養(yǎng)及高中物理學業(yè)質(zhì)量劃分了5個水平層級.學業(yè)水平合格性考試合格達到學業(yè)質(zhì)量水平2，高等院校相關(guān)專業(yè)學習應達到學業(yè)質(zhì)量水平4.學生學習本單元后參加高考，因此題目應以學業(yè)水平3、4的要求為主，對比較優(yōu)秀的學生，可以選擇水平5的問題.下面以一個例子說明.

例題 如圖4所示，質(zhì)量均為m的木塊A和B，并排放在光滑水平面上，A上固定一豎直輕桿，輕桿上端的O點系一長為L的細線，細線另一端系一質(zhì)量為m0的球C.現(xiàn)將C球拉起使細線水平伸直，并由靜止釋放C球.

（1）A、B、C組成的系統(tǒng)動量是否守恒？

（2）當小球C第一次擺到最低點時，A、B兩個木塊各自的速度？

（3）當小球C擺動至什么位置時，A、B兩個木塊分離？

（4）木塊A的最大速度？

本題主要考查學生的物理學科核心素養(yǎng)中物理觀念中的運動與相互作用觀念和科學思維中的科學推理能力;考查學生對動量守恒定律條件、矢量性以及能量守恒定律的掌握程度.

8 單元教學設計反思

本單元設計以學習進階為工具，梳理了知識間的內(nèi)在邏輯，確定了動量守恒定律單元的教學思路，保證了單元教學的整體設計和有序?qū)嵤?建構(gòu)了“動量守恒定律”單元學生思維發(fā)展的路徑和學習層級，通過挖掘隱性知識，創(chuàng)設真實的物理情境，以動量守恒定律作為知識載體，引領學生逐步形成研究和解決動量守恒問題的大思路，發(fā)展了學生的物理學科核心素養(yǎng)，形成了相對完整的運動和相互作用的觀念.為促進學生核心素養(yǎng)發(fā)展提供了可操作的路徑和符合實際的教學策略.

參考文獻：

[1]張玉峰.以大概念、大思路、大情境和大問題統(tǒng)領物理單元教學設計[J].中學物理，2020，38（05）：2-7.

[2]張玉峰.基于學習進階的物理單元學習過程設計[J].課程·教材·教法，2020，40（03）：57-65.

[3]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

（收稿日期：2021-01-28）