通過“腳手架”理論建構(gòu)物理模型的探索

摘? 要：在“碰撞”的課堂教學(xué)中，滲透物理學(xué)科素養(yǎng)的培養(yǎng)，引導(dǎo)學(xué)生建立物理觀念，發(fā)展科學(xué)思維、通過搭建合適的腳手架，進(jìn)行科學(xué)探究，培養(yǎng)學(xué)生良好的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任，促進(jìn)學(xué)生形成良好的知識結(jié)構(gòu)，保證教學(xué)目標(biāo)的順利達(dá)成。利用“5點(diǎn)量表”的心理測量方法，對課堂教學(xué)設(shè)計(jì)的效果進(jìn)行測量，檢驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)的效果，為碰撞的物理教學(xué)提供一般方法。

關(guān)鍵詞：物理學(xué)科素養(yǎng);腳手架;碰撞;物理模型

一、問題提出

“碰撞”是動量守恒定律的重要應(yīng)用，在人教版選修教材中，通過前三節(jié)的教學(xué)鋪墊，首先通過提出問題、通過進(jìn)行猜想和驗(yàn)證假設(shè)，通過實(shí)驗(yàn)探究讓學(xué)生體驗(yàn)探究自然規(guī)律的過程，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)碰撞中的不變量，建立動量的概念，并挖掘出動量定理和動量守恒定律。在第四節(jié)的編排上，基于學(xué)生的認(rèn)識，教材首先提出了兩物體碰撞過程遵循動量守恒定律，并在此基礎(chǔ)上通過思考與討論引導(dǎo)學(xué)生探究一維碰撞過程能否遵從能量守恒定律，從而引入彈性碰撞、非彈性碰撞的概念，希望學(xué)生能夠應(yīng)用相關(guān)規(guī)律解決實(shí)際問題。

教材在編排上預(yù)設(shè)了一條邏輯主線，讓學(xué)生目睹了整個探究過程，但教學(xué)過程是動態(tài)的，需要學(xué)生的主動參與和積極探索，因此，需要在教學(xué)上為學(xué)生搭建“腳手架”，促使學(xué)生憑借已有的知識、經(jīng)驗(yàn)和能力，完成知識的構(gòu)建。

在教育心理學(xué)領(lǐng)域中，“腳手架”理論起源于維果茨基的“最近發(fā)展區(qū)”的學(xué)習(xí)理論。維果茨基將兒童認(rèn)知的發(fā)展劃分為兩種水平：一是兒童實(shí)際的學(xué)習(xí)水平，即兒童已經(jīng)掌握的知識及技能水平;二是潛在的學(xué)習(xí)水平，即兒童即將達(dá)到的發(fā)展水平。維果茨基把兩種水平之間的差異稱之為“最近發(fā)展區(qū)”。它表現(xiàn)為“在有指導(dǎo)的情況下，憑借成人的幫助所達(dá)到的解決問題的水平與獨(dú)立活動中所達(dá)到的解決問題的水平之間的差異” 。

由外界提供的幫助即“腳手架”，腳手架在教學(xué)領(lǐng)域可能是一種教學(xué)策略或教學(xué)工具，伴隨著學(xué)生學(xué)習(xí)能力的逐漸提升，讓其承擔(dān)更多的學(xué)習(xí)責(zé)任，最后主導(dǎo)學(xué)習(xí)，并通過學(xué)習(xí)建構(gòu)出屬于自己的知識。換言之，處于實(shí)際發(fā)展層次的學(xué)習(xí)者，通過教師搭建的“腳手架”，跨越最近發(fā)展區(qū)，最終達(dá)到潛在的發(fā)展層次。

筆者以碰撞為例，通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用已有的知識，使學(xué)生從具體的物理情境中進(jìn)行科學(xué)的探究，主動建構(gòu)新的物理模型，通過搭建合適的腳手架，更好的滲透物理學(xué)科素養(yǎng)。

二、教學(xué)思想與教學(xué)設(shè)計(jì)

（一）教學(xué)思想

教育部發(fā)布的《全面深化課程改革，落實(shí)立德樹人根本任務(wù)的意見》中提出“繼續(xù)推進(jìn)課程改革，全面深化教育發(fā)展，要將學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)體系作為教學(xué)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)”。核心素養(yǎng)指出了教育的根本目的——育人，具體到高中物理學(xué)科，核心素養(yǎng)主要包括物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四個維度的內(nèi)容，希望能夠培養(yǎng)出優(yōu)秀的物理人才。

在“碰撞”新授課的教學(xué)中，實(shí)施符合學(xué)生核心素養(yǎng)的物理教學(xué)，能有效地促進(jìn)學(xué)生利用已有知識主動構(gòu)建新的物理模型。

（二）教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)

（1）認(rèn)識彈性碰撞與非彈性碰撞，了解不同碰撞類型間的共性和區(qū)別（物理觀念）。

（2）會用動量、能量的觀點(diǎn)建立一維碰撞模型（科學(xué)思維）。

（3）能推導(dǎo)兩個物體發(fā)生一維碰撞后的速度（科學(xué)探究）。

（4）通過自主分析的過程，培養(yǎng)學(xué)生積極探索、應(yīng)用理論解決實(shí)際問題的能力（科學(xué)思維與科學(xué)探究）。

（5）通過感受不同碰撞的區(qū)別，應(yīng)用動量、能量的觀點(diǎn)綜合分析問題，培養(yǎng)學(xué)生勇于探索的精神（科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任）。

（三）教學(xué)流程

三、教學(xué)問題的解決與實(shí)施

（一）由熟悉的物理情境入手，引出物理問題

在物理教學(xué)中，通過學(xué)生熟悉的生活化的物理情境，與物理問題發(fā)生聯(lián)系，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)的主動性。在“碰撞”的教學(xué)過程中，需要通過一個鋪墊和遷移來達(dá)成目標(biāo)。

鋪墊：通過演示豎直面內(nèi)兩小球的碰撞，分析系統(tǒng)是否遵循動量守恒定律。由于在豎直面內(nèi)兩小球在水平方向上碰撞瞬間內(nèi)力遠(yuǎn)大于內(nèi)力，故系統(tǒng)動量守恒。然后通過進(jìn)一步的探究，播放視頻，斯諾克比賽中的兩個臺球在水平面相碰的瞬間，此時桌面有摩擦，但由于碰撞瞬間內(nèi)力遠(yuǎn)大于外力，因此，水平面內(nèi)的碰撞也遵循動量守恒定律。通過發(fā)掘碰撞過程的共性進(jìn)一步提問題：碰撞過程一定滿足動量守恒定律，一定滿足機(jī)械能守恒定律嗎？

（二）通過一動碰一靜的模型分析探究引入完全非彈性碰撞

從“完全非彈性碰撞”到“彈性碰撞”需要一個過渡，教學(xué)中需要根據(jù)學(xué)生已有認(rèn)知設(shè)置物理情境，進(jìn)行鋪墊。

鋪墊：設(shè)計(jì)一個“質(zhì)量相等、一動碰一靜、碰后不分開”的問題。

例題1：如圖2所示，兩個物體的質(zhì)量都是m，碰撞以前一個物體靜止，另一個以速度v向它撞去。碰撞以后兩個物體粘在一起，成為一個質(zhì)量為2m的物體，以速度v? 繼續(xù)前進(jìn)，這個碰撞過程機(jī)械能守恒嗎？

思考：碰撞中系統(tǒng)動量守恒嗎？

機(jī)械能有哪些形式？此題中機(jī)械能指的什么？

引導(dǎo)鋪墊的思考過程：

系統(tǒng)動量守恒，可以列出方程嗎？

碰撞前后系統(tǒng)的機(jī)械能分別指的是什么？

在分析機(jī)械能是否守恒時，回顧機(jī)械能包括：動能和勢能，本題中，主要是動能，因此，在探究機(jī)械能是否守恒時主要比較的是碰撞前后的動能是否相等。通過分析，給出解題的格式：

請一位同學(xué)上黑板演示解題過程，展示解題過程，進(jìn)行點(diǎn)評。通過這個鋪墊初步達(dá)成目標(biāo)，引入完全非彈性的核心概念。

（三）利用前面的鋪墊解決“質(zhì)量相等、一動碰一靜、碰后分開”，引入非彈性碰撞

例題2：如圖3所示，兩個物體的質(zhì)量都是m，碰撞前一個物體靜止，另一個以速度v向它撞去。若被碰物體的速度變?yōu)? ? ? ?，求：另一個物體的碰后速度及系統(tǒng)損失的機(jī)械能。

思考：碰撞后系統(tǒng)的動量守嗎？

碰撞前后的機(jī)械能分別指的什么？

引導(dǎo)鋪墊的思考過程：

碰撞前后系統(tǒng)動量守恒，所以可確定另一物體的速度。

碰撞前后系統(tǒng)的機(jī)械能分別指的什么？

由此想到，碰撞后系統(tǒng)的機(jī)械能包括了兩個物體具有的動能之和，

只要確定另一物體的速度就可以確定碰撞后系統(tǒng)的機(jī)械能。

根據(jù)第一個例題的鋪墊，這個碰撞過程仍然可以按照上題的思路去分析，給學(xué)生時間進(jìn)行思考和計(jì)算，并進(jìn)行點(diǎn)評。

通過視頻展臺展示有代表性的解題示范，進(jìn)行點(diǎn)評，發(fā)現(xiàn)學(xué)生容易出現(xiàn)的思維誤區(qū)，適時引導(dǎo)。通過以上的鋪墊引入非彈性碰撞，并與完全非彈性碰撞加以比較，利用視頻直觀觀察完全非彈性碰撞的特點(diǎn)，進(jìn)行概念區(qū)分，并引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步思考，損失的機(jī)械能的轉(zhuǎn)化問題，更進(jìn)一步理解核心的物理概念，達(dá)成目標(biāo)。

（四）從一般到特殊，利用碰撞的特點(diǎn)及前面的鋪墊探究彈性碰撞的問題

例題3：如圖4所示，已知地面光滑，物體m1以速度v1與原來靜止的物體m2碰撞，求碰后它們各自的速度v1' 和v2' 。

引導(dǎo)鋪墊的思考過程：

彈性碰撞遵循什么規(guī)律？

彈性碰撞是一種理想模型，根據(jù)系統(tǒng)動量守恒和機(jī)械能守恒，可計(jì)算出碰后各自的速度與兩物體質(zhì)量之間的關(guān)系。

之后討論分析：兩個物體的質(zhì)量大小對碰后的速度影響如何？

情況：m1 = m2;m1 > m2;m1 < m2;m1 >> m2;m2 >> m1

引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行分析，總結(jié)結(jié)論：彈性碰撞后的特點(diǎn)：若質(zhì)量相同，兩球交換速度;若大碰小，碰后速度同向，且v2' > v1';若小碰大，質(zhì)量小的球反彈回來;

并利用教具進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)演示，通過小球碰撞演示板，驗(yàn)證理論分析，培養(yǎng)學(xué)生良好的科學(xué)態(tài)度，加深學(xué)生對知識的理解。

通過以上鋪墊逐層遞進(jìn)，從學(xué)生已有知識培養(yǎng)學(xué)生在彈性碰撞中應(yīng)用動量守恒和機(jī)械能守恒處理問題的能力，發(fā)展物理思維。

通過以上教學(xué)過程，從學(xué)生認(rèn)知的發(fā)展角度出發(fā)，搭建“腳手架”，幫助學(xué)生建立了科學(xué)的物理概念，掌握了物理規(guī)律，發(fā)展了物理思維，使得學(xué)生對碰撞的三種模型有一個清晰的認(rèn)知和區(qū)分，為之后解決動量和能量綜合問題奠定了基礎(chǔ)。

四、成效分析

筆者選擇了任教的一個班級為研究對象，教學(xué)結(jié)束后做了以下兩項(xiàng)調(diào)查：

（一）利用5點(diǎn)量表定性調(diào)查

制作5點(diǎn)量表，對研究對象進(jìn)行問卷調(diào)查，從“物理觀念”、“科學(xué)思維和科學(xué)探究”、“科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任”三個方面調(diào)查學(xué)生對本節(jié)教學(xué)的反饋與評價，見表1。

被測實(shí)驗(yàn)班39人，以上各項(xiàng)得分及均值見表2：

（二）利用課后檢測定量調(diào)查

利用課后檢測題對學(xué)生的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行定量調(diào)查，獲得教學(xué)情況的即時反饋。針對教學(xué)中設(shè)計(jì)的教學(xué)目標(biāo)設(shè)置5道計(jì)算題，利用30分鐘的時間，考查學(xué)生在這一節(jié)課中的學(xué)習(xí)情況。

試題如下（每題10分，共50分）：

T1：如圖5所示，有兩個質(zhì)量相同的小球A和B（大小不計(jì)），A球用細(xì)繩吊起，細(xì)繩長度等于懸點(diǎn)距地面的高度，B球靜止放于懸點(diǎn)正下方的地面上.現(xiàn)將A球拉到距地面高度為h處由靜止釋放，擺動到最低點(diǎn)與B球碰撞后粘在一起共同上擺，求它們升起的最大高度是多少？

T2：如圖6所示，質(zhì)量分別為ma=1 kg、mb=2 kg的兩小球在光滑的水平面上發(fā)生碰撞，碰撞前后兩球的位移—時間圖象如圖所示，則可知碰撞屬于何種碰撞？

T3：質(zhì)量分別為mA=1 kg、mB=2 kg的A、B兩個小球在光滑水平面上發(fā)生碰撞，碰撞前后均在同一條直線上.碰撞前速度vA=6 m/s、vB=2 m/s，碰撞后速度vA'=2 m/s、vB'=4 m/s.則此碰撞損失的機(jī)械能是多少？

T4：如圖7所示，兩滑塊A、B在光滑水平面上沿同一直線相向運(yùn)動，滑塊A、B的質(zhì)量均為m，A速度大小為2v0，方向向右，滑塊B的速度大小為v0，方向向左，碰后兩物體粘在一起運(yùn)動，求：兩滑塊碰撞后的共同速度及損失的機(jī)械能。

T5：如圖8所示，質(zhì)量相等的三個物塊在一光滑水平面上排成一條直線，且彼此隔開了一定的距離，如下圖所示.具有動能E0的第1個物塊向右運(yùn)動，依次與其余兩個靜止物塊發(fā)生碰撞，最后這三個物塊粘在一起，這個整體的動能是多少？

答題情況如下：

從以上兩項(xiàng)調(diào)查結(jié)果可以看出，本節(jié)課較好地達(dá)成了教學(xué)目標(biāo)。

綜上所述，在碰撞的教學(xué)中，將物理模型與生活中已有的物理情境相結(jié)合，通過搭建“腳手架”，進(jìn)行知識的鋪墊，引導(dǎo)學(xué)生自主思考和探究，建立物理觀念，發(fā)展科學(xué)思維，并與演示實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生良好的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任，保證了教學(xué)目標(biāo)的順利達(dá)成，為動量和能量的學(xué)習(xí)奠定了良好的基礎(chǔ)。

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作者簡介：

任娟，廣州大學(xué)畢業(yè)，碩士學(xué)位，中學(xué)二級教師，研究方向：物理教學(xué)。