核心素養(yǎng)視域下的“動量”教學設計

歐劍雄 許芙蓉

（1.福建省普通教育教學研究室，福建福州 350003；2.福建省莆田第五中學，福建莆田 351100）

“動量”是物理學中非常重要的一個概念，理解和掌握“動量”概念對學生形成清晰、系統(tǒng)的運動與相互作用觀至關重要.然而，由于“動量”概念本身比較抽象晦澀，學生又缺乏直觀體驗，因此長期以來“動量”都是高中物理教學的一個難點.作為初學者，學生往往無法理解為什么在有了速度和動能等概念之后還要引入“動量”.而在物理學史上，“動量”概念的建立過程也是曲折且艱辛的.教學時，引導學生追尋科學家的腳步，經(jīng)歷科學探究過程，逐步建構動量概念，既有利于學生形成和理解動量概念，又能讓學生從中體會豐富的科學思想、科學方法和人文底蘊，促進學生在問題解決過程中提升物理學科核心素養(yǎng).

1 核心素養(yǎng)視域下的“動量”教學目標設計

本節(jié)是人教版（2019版）高中物理選擇性必修第1冊第1章第1節(jié)的內容.與舊版（2007版）相比，新版保留了從尋求碰撞中的不變量引入“動量”概念的設計思路.［1］這樣的編排遵循物理學對守恒量不懈追求的宗旨.但要轉變學生腦海中認為碰撞與動能有關的迷思概念，仍需要教師具有極大的教學智慧.課程標準要求學生“理解動量”.［2］這要求教師創(chuàng)設物理情境引導學生親歷動量概念的形成過程，能解釋并應用于不同的生活情境.

在此之前，學生已經(jīng)學習過矢量及其運算法則，能正確理解速度、動能和動能定理等物理概念和規(guī)律，較為熟練地掌握傳感器、光電門等實驗操作，對“守恒”這一重要思想也有初步的認識.此外，學生在數(shù)學課上已經(jīng)系統(tǒng)學習過“二分法”，對生活中的碰撞現(xiàn)象也有一定的感性體驗.這些都為本節(jié)課的教學奠定了基礎.根據(jù)課程標準和核心素養(yǎng)的育人目標，結合教材及學情，本節(jié)課的教學目標設計如下.

1.1 物理觀念

（1）形成觀念.通過定性體驗和定量計算，從而初步建立動量概念；通過分組實驗驗證小車碰撞前后動量之和保持不變，知道動量概念建立的必要性及其意義，從守恒角度進一步理解動量概念；通過經(jīng)歷實驗數(shù)據(jù)分析和例題計算，理解動量是矢量.

（2）解決問題.能應用動量概念計算實驗中小車的動量變化量，解決與動量有關的簡單問題.

1.2 科學思維

（1）模型建構.在“鉤碼落體—撞擊實驗”中，能選用自由落體運動模型解決測量鉤碼速度的問題.

（2）科學推理.能應用勻變速直線運動規(guī)律或動能定理分析推理鉤碼質量減半后繩子剛好斷裂時對應的高度.

（3）科學論證.在“鉤碼落體—撞擊實驗”和“小車碰撞”分組實驗中，能利用已有知識、通過實驗論證自己的觀點.

（4）質疑創(chuàng)新.能從勻變速直線運動和動能定理兩個角度計算鉤碼落體的速度；通過物理學史，感受并學習先輩們對已有知識的質疑創(chuàng)新精神.

1.3 科學探究

（1）問題.通過課前小游戲，知道撞擊效果與速度、質量有關，針對撞擊效果與速度、質量的定量關系問題提出有依據(jù)的猜測.

（2）證據(jù).在“小車碰撞實驗”中，能根據(jù)提供的儀器，正確實施實驗，獲取實驗數(shù)據(jù).

（3）解釋.在“鉤碼落體—撞擊實驗”中，觀看實驗現(xiàn)象，會解釋實驗現(xiàn)象并總結實驗結論；在“小車碰撞實驗”中，能分析數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)其中規(guī)律，形成合理的結論.

（4）交流.通過組內合作完成實驗，提升與他人交流的意愿和能力.能準確表達、評估實驗探究的結果.

1.4 科學態(tài)度與責任

（1）科學本質.經(jīng)歷了動量概念的建立過程，認識到物理學是人類對自然現(xiàn)象的描述和解釋；感受物理概念引入的必要性，體會物理學是不斷發(fā)展的.

（2）科學態(tài)度.通過物理學史、一個游戲加兩個實驗，培養(yǎng)尊重事實、嚴謹認真的科學態(tài)度；提升學習和研究生活中物理問題的興致和能力，養(yǎng)成善于思考、勤于動手、樂于與他人交流合作的習慣.

（3）社會責任.通過動量概念對生活安全常識的解釋，感悟物理的實用價值，提高安全意識.

2 核心素養(yǎng)視域下的“動量”教學思路設計

根據(jù)擬定的教學目標，本節(jié)課的教學設計以“科學探究”為主線，在探究中引入、建立和完善“動量”概念，最后以其解決實際問題收尾，如圖1所示.

圖1 “動量”教學設計思路

本節(jié)課以互動小游戲導入課堂，讓學生對撞擊效果與什么因素有關有初步的感性認識，并據(jù)此拋出要解決的問題“撞擊效果與速度、質量之間有怎樣的定量關系”；根據(jù)猜想設計“鉤碼落體—撞擊實驗”，通過實驗得出結論“質量與速度的乘積相同時，撞擊效果相同”，從而建立“動量”概念.在暢游物理學史中通過小車碰撞實驗，從守恒角度進一步闡釋“動量”概念的物理意義，完善動量概念，同時強調動量的矢量性.最后以學生實驗數(shù)據(jù)為依托，求解小車碰撞前后的動量變化量，在概念的應用中拉下本節(jié)課的帷幕.

3 核心素養(yǎng)視域下的“動量”教學環(huán)節(jié)設計

3.1 游戲體驗，引入概念

教師先用乒乓球以較大的速度撞擊某學生的背部，再用瑜伽球分別以較小和較大的速度撞擊該學生的背部，同時請另一個男生做好現(xiàn)場保護以防摔倒.根據(jù)該學生反饋被撞擊的感受，提出問題：撞擊效果與哪些因素有關？學生回答與速度、質量有關.

而后教師引導學生根據(jù)自己的判斷猜測撞擊效果與速度、質量之間的定量關系.學生提出兩種猜想，其一為：撞擊效果與質量成正比、與速度成正比，即質量與速度的乘積相同時，撞擊效果相同；其二為：撞擊效果與質量成正比、與速度平方成正比，即動能相同時，撞擊效果相同.

設計意圖：在互動游戲中引入本節(jié)課的核心問題——碰撞，讓學生親自感受、觀察撞擊效果的影響因素，并據(jù)此提出合理猜想，為后續(xù)定量分析實驗的開展做鋪墊.游戲活躍了課堂氣氛，營造了輕松愉快的教學氛圍，能有效吸引學生的注意力，讓學生集中思維，更快進入課堂.

3.2 撞擊實驗，建立概念

要驗證兩種猜想究竟哪一種是正確的，需要通過實驗來一探究竟.教師介紹如圖2 的實驗裝置，細繩一端固定在鐵架臺上，另一端系一鉤碼，將鉤碼從不同高度由靜止釋放，當鉤碼釋放的高度足夠高時，細繩將會斷裂.然后通過以下問題串，引導學生利用該裝置設計實驗方案，驗證自己的猜想.

圖2 鉤碼落體撞擊實驗裝置

問題1：如何保證鉤碼下落后被細繩拉住瞬間的撞擊效果相同？

問題2：如何測量鉤碼被細繩拉住前瞬間的速度？

問題3：如何找到細繩剛好斷裂時對應的鉤碼高度？

問題4：實驗過程還有哪些需要注意的事項？

學生思考討論后，回答上述問題：令相同的繩子剛好斷裂說明撞擊效果相同；鉤碼被細繩拉住前的運動可視為自由落體運動，因此可通過測量自由落體的高度間接算得鉤碼的速度；借助數(shù)學工具——二分法能夠更快速地找到細繩剛好斷裂時對應的鉤碼高度；由于鉤碼下落后細繩將被拉長，所以即便細繩沒有斷，每次實驗后也都需要重新更換細繩.

教師演示實驗1：取質量為100 g的鉤碼進行實驗，發(fā)現(xiàn)鉤碼自由下落的高度為10 c m 時細繩不會斷裂，高度為20 c m 時細繩會斷裂.學生根據(jù)二分法確定接下來應該進行高度為15 c m 的實驗.依次類推，測得細繩剛好斷裂時鉤碼自由下落的高度為15－16 c m.

而后提出問題5：根據(jù)剛才的兩種猜想，若改用質量為50 g的鉤碼進行實驗，則高度為多少時細繩剛好會斷裂？

學生根據(jù)動能定理或自由落體運動公式推理得出結論：若質量與速度的乘積相同時撞擊效果相同，則高度應該為60－64 c m；若動能相同時撞擊效果相同，則高度應該為30－32 c m.

教師演示實驗2：改用質量為50 g的鉤碼進行實驗，發(fā)現(xiàn)鉤碼自由下落的高度為60 c m 時細繩不會斷裂，高度為64 c m 時細繩會斷裂.

師生根據(jù)上述實驗結果共同總結實驗結論：猜想一正確，即當質量和速度的乘積相同時，撞擊效果相同.以此引入概念：在物理學中，質量和速度的乘積mv稱為物體的“動量”.

教師再為學生介紹相關物理學史：早在1638年，意大利物理學家伽利略就通過對落體和撞擊現(xiàn)象的研究，總結出該結論，并最早提出“動量”概念，給出動量的定義.

設計意圖：用隨手可得且熟悉的實驗器材完成了撞擊效果的呈現(xiàn)，既揭露了科學本質，又降低了該實驗的探究門檻.通過問題串的形式引導學生設計和完善實驗步驟、思考實驗注意事項，培養(yǎng)了學生的科學推理和科學探究能力.通過該實驗引入“動量”概念，學生能更深刻體會動量概念引入的必要性，能有效轉變學生腦海中原有的碰撞與動能有關的迷思概念，突破本節(jié)課的教學難點.

3.3 還原歷史，完善概念

教師引導學生思考物理學家引入“動量”概念背后的深層次原因.伽利略為什么會去研究這樣的撞擊實驗？為什么會提出“動量”概念？因為千百年來人類對天體運動的觀察結果表明，在人類觀察精度內宇宙運動并沒有出現(xiàn)減小的跡象，于是歐洲文藝復興時期許多自然哲學家開始思量自然界的運動，他們認為宇宙運動的總量不會減小，只要能夠找到一個合適的物理量來量度運動，就會看到運動的總量是守恒的.

伽利略就是這領域的一位開拓者，他最早通過撞擊實驗提出“動量”概念.隨后，笛卡兒、惠更斯等繼承了伽利略的思想，并通過碰撞實驗進一步完善了“動量”概念.也就是說，笛卡爾、惠更斯通過碰撞實驗證明了：用伽利略提出的“動量”概念來量度運動時，運動的總量是保持不變的.

而后還原歷史，讓學生通過分組實驗驗證碰撞前后兩車的動量之和保持不變.教師介紹實驗儀器，如圖3 所示.為了讓實驗的結論更具普遍性，教師為學生準備了3種不一樣的分組實驗.分組實驗1：用運動的大質量小車碰靜止的小質量小車.分組實驗2：用運動小車碰靜止的等質量小車.分組實驗3：用運動的小質量小車碰靜止的大質量小車.

圖3 小車碰撞實驗裝置

通過以下問題串引導學生完善實驗方案.

問題1：本實驗需要測量哪些物理量？

問題2：上述物理量該如何測量？

問題3：實驗前，擋光片和光電門的位置應怎樣擺放，才能較準確地測量小車碰撞前后的速度？

學生思考討論后回答上述問題：需要測量兩小車的質量和兩小車碰撞前后的速度；質量可通過天平測量，速度可通過測擋光片寬度和擋光時間間接計算獲得；擋光片應盡可能靠近光電門以準確測量碰撞前后小車的速度，減小實驗誤差.

而后學生進行分組實驗，獲得實驗數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)分析.教師組織學生進行展示交流，師生共同得出結論，在前兩組實驗中，多組實驗表明：在實驗誤差允許范圍內，碰撞前后兩小車的動量之和不變.但是在第3組實驗中，碰撞前后兩小車的動量之和發(fā)生了較大變化.

教師啟發(fā)學生思考，是不是第3 組實驗中碰撞前后兩小車動量之和不守恒？如果不是，那會是什么原因造成？第3組實驗與前兩組實驗有什么區(qū)別？

學生思考后發(fā)現(xiàn)第3組實驗中質量小的小車碰撞后反彈，速度方向發(fā)生變化.而動量是物體質量和速度的乘積，故動量可能也是矢量，數(shù)據(jù)處理時應考慮動量的方向.考慮方向后，師生共同重新處理實驗數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)第3 組實驗中碰撞前后兩小車的動量之和也保持不變.兩次數(shù)據(jù)處理表格如表1 所示.由此得出實驗結論：兩輛小車碰撞前后，動量之和保持不變；動量是矢量，其方向與速度方向相同.

表1 第3組實驗數(shù)據(jù)處理

設計意圖：結合物理學史，感受并學習先輩們對自然界的不懈追求，滲透科學思維、科學探究等核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，啟發(fā)學生勤于思考，鼓勵學生大膽質疑和創(chuàng)新，激發(fā)學生學習物理的興趣.結合現(xiàn)代實驗儀器，提高實驗效率和精確度，設計3種不同碰撞實驗，使實驗結果更有普適性.分組實驗提升學生動手操作能力，在重現(xiàn)先輩們的碰撞實驗過程中，體會自然界的和諧與統(tǒng)一，讓學生對引入動量這一概念的必要性和重要性有了更為深刻的體會，對守恒量有更深刻的理解.在第3 組實驗中，引導學生思考實驗“誤差大”背后的原因，在解決問題的過程讓學生知道動量的矢量特性，有效突破本節(jié)課的重點.

3.4 結合實際，應用概念

教師播放多媒體，展示某小組第3 組實驗的數(shù)據(jù)（如表1），提出問題：碰撞前后兩車動量分別變化了多少.引導學生在解題之后總結：動量是矢量，一維矢量運算要規(guī)定正方向，并遵循矢量運算定則.

設計意圖：通過實例計算，既與前面的實驗呼應，又讓學生在解決實際問題的過程中加深對動量的理解，強化一維矢量運算能力，提升物理解題的規(guī)范性.以學生的實驗數(shù)據(jù)作為例題，彰顯了物理學科的實用性，體現(xiàn)了物理學科從生活中來又服務于生活的特點，讓學生感受物理魅力的同時，提升學習物理的興致.同時，圖表信息的呈現(xiàn)方式有助于培養(yǎng)學生的信息獲取和加工能力.