基于核心概念下的高效物理知識應(yīng)用教學(xué)初探

陳振

摘 要：新課程要求高中物理教學(xué)要突出科學(xué)領(lǐng)域中最基本的一些概念和重要規(guī)律，讓學(xué)生的認(rèn)知能力在形成概念、掌握規(guī)律的過程中得到充分發(fā)展。如何在教學(xué)中真正體現(xiàn)學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)，在有限的時間內(nèi)抓住物理學(xué)中最本質(zhì)、最核心的知識，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)仍是值得研究的課題。本文以《小球碰撞》一節(jié)的教學(xué)為例，從生活中的物理情境出發(fā)，引出物理問題。通過一系列變式思考和物理問題的分析，使學(xué)生在原有認(rèn)知的基礎(chǔ)上，深入理解物理學(xué)的規(guī)律，構(gòu)建合理的核心概念框架，提高學(xué)生綜合應(yīng)用學(xué)科觀點、方法及知識解決實際問題的能力。

關(guān)鍵詞：核心概念；碰撞；應(yīng)用

中圖分類號：G633.7 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2016）1-0022-3

提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)是目前我國科學(xué)教育的一個基本目標(biāo)，對科學(xué)概念的理解是科學(xué)素養(yǎng)中的重要組成。隨著核心概念的提出，人們也逐漸意識到核心概念在教學(xué)中的重要意義。核心概念是指已經(jīng)經(jīng)過檢驗且位于學(xué)科中心，對廣泛的自然事物和現(xiàn)象具有解釋力，具有超越課堂之外的持久價值和遷移價值，具有很高的抽象與概括程度的關(guān)鍵性概念、原理和理論[1-7]。動量和能量的守恒作為高中物理的核心概念，在處理與動力學(xué)有關(guān)的問題中經(jīng)常涉及。為了切實執(zhí)行“教師為主導(dǎo)，學(xué)生為主體”的教學(xué)原則，進一步將“基本理解”轉(zhuǎn)化為“基本問題”，以問題為驅(qū)動來精心設(shè)計教學(xué)活動，促進學(xué)生對核心概念的深入理解，筆者嘗試將這種教學(xué)理念應(yīng)用在動量守恒定律的應(yīng)用——《小球碰撞》一節(jié)的教學(xué)中。

1 教學(xué)內(nèi)容分析

本節(jié)課是一節(jié)物理定律應(yīng)用課，重點是學(xué)習(xí)“碰撞過程遵循的規(guī)律”。在學(xué)習(xí)了機械能守恒定律的基礎(chǔ)上，學(xué)生學(xué)習(xí)了自然界中更為普遍的能量守恒定律；在學(xué)習(xí)了有關(guān)動量的概念和動量定理的基礎(chǔ)上，學(xué)生通過實驗探究和理論推導(dǎo)，得到了動量守恒定律，并指出它們都是自然界中最普遍、最基本的定理[8]。碰撞問題所研究的是兩個或多個物體的運動情境，它們所構(gòu)成的系統(tǒng)在運動過程中同時遵循能量和動量守恒定律。根據(jù)碰撞的特點，本教學(xué)過程從生活中打臺球的實例中抽象出所要研究的物理問題，在此基礎(chǔ)上進行一系列變式創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境，吸引學(xué)生開動腦筋，恰當(dāng)?shù)乩脭?shù)學(xué)表達式幫助學(xué)生理解動量和能量守恒的概念，進而體會物理學(xué)中守恒的思想。在處理問題的過程中發(fā)現(xiàn)問題、分析問題并及時解決問題，通過聯(lián)系實際歸納總結(jié)碰撞問題遵循的規(guī)律，幫助學(xué)生實現(xiàn)對核心概念的深層次理解和遷移應(yīng)用。

2 教學(xué)流程

遵循學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，重視方法的教學(xué)是新課程的教學(xué)理念，也是本節(jié)課的核心指導(dǎo)思想。據(jù)此，教學(xué)框架流程如下：

創(chuàng)設(shè)問題情境—核心概念—變式分析—總結(jié)提升—核心概念

在具體的教學(xué)活動中，主要通過以下環(huán)節(jié)展開：

1.從生活情境導(dǎo)入，引出物理問題

此環(huán)節(jié)的目的是通過情境引入，讓學(xué)生領(lǐng)悟生活中物理問題的存在，將較簡單的實際情境抽象為與之對應(yīng)的物理問題，主動地投入到學(xué)習(xí)之中。通過抽象加工出的例題，讓學(xué)生回顧、復(fù)習(xí)已經(jīng)學(xué)習(xí)過的兩個核心概念——動量守恒定律和能量守恒定律。通過進一步設(shè)問，借助學(xué)生頭腦中已有的生活經(jīng)驗，強化學(xué)生對彈性碰撞問題的理解。

教師：播放生活中打臺球的視頻，抽象出物理問題：如果A、B兩個小球的質(zhì)量分別為mA和mB，小球A沿光滑水平面以速度v0與靜止的小球B發(fā)生彈性正碰，求碰撞后A、B小球的速度分別是多少？

學(xué)生：根據(jù)題設(shè)條件分析，得出此碰撞過程為完全彈性碰撞，滿足動量守恒和機械能守恒，據(jù)此可解出碰后小球A和B碰后的速度分別為：

vA= v ，v = v 。

教師進一步設(shè)問：據(jù)此討論一下兩小球各自的質(zhì)量和碰后速度之間的關(guān)系，并舉出身邊的例子。

學(xué)生分析：當(dāng)m >>m ，vA=v ，v =2v ，比如鉛球與相同體積的乒乓球發(fā)生正碰；當(dāng)m = m ，vA=0，v =v ，比如兩相同體積的鉛球發(fā)生正碰，互換速度；當(dāng)m << m ，vA=-v ，v =0，比如乒乓球與相同體積的鉛球發(fā)生正碰。

2.變式比較，實現(xiàn)對核心概念的基本理解

此環(huán)節(jié)的目的是通過針對例題的兩個變式，讓學(xué)生通過思考和探討，加深對核心概念的理解，提高學(xué)生在新物理情境中發(fā)現(xiàn)物理問題，并應(yīng)用恰當(dāng)?shù)难芯糠椒ǖ贸鼋Y(jié)論的應(yīng)用和探究能力。

變式1 在m 、v 恒定的條件下，若要求碰后小球B的動能取得極大值，m 和 mB需滿足什么關(guān)系？若要求碰后小球B的動量取得極大值，m 和mB需滿足什么關(guān)系？

學(xué)生：由能量守恒和動量守恒，結(jié)合例題的分析可知：當(dāng)m = mB，碰后小球B的動能取得極大值；當(dāng)m << mB時，碰后小球B的動量取得極大值，為pB=2mAv0。

變式2 若兩個小球A和B碰撞后粘在一起共同運動，則在碰撞過程中系統(tǒng)機械能損失了多少？并據(jù)此分析mA和 mB在滿足什么關(guān)系時系統(tǒng)機械能損失最大，并舉例說明。

學(xué)生：此碰撞屬于完全非彈性碰撞，根據(jù)相關(guān)知識可得碰撞過程中系統(tǒng)機械能損失為：

ΔE= v 。

對上式進行適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)處理，可知在mA、v0恒定的條件下，當(dāng)mA<< mB時系統(tǒng)機械能損失最大，為 mv ，比如子彈打入墻體的過程。

教師：碰撞過程涉及碰撞的能量傳遞和轉(zhuǎn)化。實際的碰撞過程，系統(tǒng)損失的機械能轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)的內(nèi)能和聲能，但總的能量是不變的，即滿足能量守恒定律。

3.變式遷移，達成對核心概念的深入理解

此環(huán)節(jié)的目的是通過認(rèn)知沖突，讓學(xué)生從更深層次理解核心概念，培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生在知識遷移應(yīng)用時注意聯(lián)系事實的思維能力，讓學(xué)生自覺地把物理知識運用到具體的生活情境中，拉近物理與生活的聯(lián)系，感受科學(xué)與社會和生活的聯(lián)系，提高學(xué)生在新的情境下解決實際問題的能力。

變式3 如果小球A以速度v0與靜止的小球B發(fā)生正碰，碰撞后A球的動能變?yōu)樵瓉淼?/9，那么小球B的速度可能是 （ ）

A. v0 B. v0

C. v0 D. v0

學(xué)生：大部分學(xué)生會直接根據(jù)動量守恒定律

mAv0+0=mAvA+mBvB及p2=2mEk，易得選項A、B正確。

變式4 如果碰后小球A的動能變?yōu)樵瓉淼?/4，則碰后小球B的速度可能是多大？

學(xué)生：類比上面的分析得出兩個結(jié)果，分別為v0/4和3/4v0。

教師：這兩個問題就這樣解決了嗎？在碰撞發(fā)生的過程中，要滿足哪些規(guī)律？（讓學(xué)生討論這兩個變式的結(jié)果）

學(xué)生討論，教師巡視點撥。

學(xué)生：變式4的第一個結(jié)果，碰后小球A的速度依然大于小球B的速度，不符合實際；第二個結(jié)果碰后總的動能增加了，不符合實際。所以，這種情況不可能發(fā)生。變式3經(jīng)過驗證，符合實際情況。

4.總結(jié)提升，建立科學(xué)概念

教師：總結(jié)一下解決碰撞問題要遵循的原則。

學(xué)生：（1）系統(tǒng)動量守恒原則；

（2）不能違背能量守恒原則（動能不增加）；

（3）物理情景可行性原則：

①若碰前同向運動：碰撞前，小球A追上小球B發(fā)生碰撞，所以有碰前vA>vB；碰撞時，兩球之間是斥力作用，因此前者受到的沖量向前，動量增加；后者受到的沖量向后，動量減小，即碰撞后A球位置在后，所以有v'A≤v'B。

（下轉(zhuǎn)第27頁）（上接第23頁）

②若碰前相向運動：碰后兩物體的運動方向不可能都不改變。

5.反饋練習(xí)，鞏固科學(xué)概念

練習(xí)題：A、B兩個小球的動量分別是pA=2 kg·m/s，pB=4 kg·m/s，若A球能追上B球發(fā)生正碰，且碰后A球動量變?yōu)閜'A=1 kg·m/s。則A、B球的質(zhì)量滿足什么關(guān)系？

學(xué)生：依據(jù)建立起來的科學(xué)概念，解決實際問題。

3 教學(xué)后記

在高中物理教學(xué)中，學(xué)生是否理解和把握物理概念，尤其是核心概念，對后續(xù)知識的學(xué)習(xí)與建構(gòu)會產(chǎn)生極大的影響。但物理概念比較抽象、枯燥，學(xué)生學(xué)習(xí)起來難免會感覺困難、乏味。利用生活中的現(xiàn)象，應(yīng)用多種技術(shù)手段創(chuàng)設(shè)能激發(fā)學(xué)生問題意識和探究欲望的教學(xué)情境，促使學(xué)生圍繞自己身邊的問題展開探究，使學(xué)生感到物理就在生活中，拉近物理與生活的距離，感受科學(xué)與社會和生活的聯(lián)系，這不僅能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強學(xué)習(xí)的內(nèi)驅(qū)力，同時也能提高學(xué)生應(yīng)用物理知識的能力，讓我們的課堂教學(xué)更為有效。所以，教師在進行教學(xué)時要將抽象的物理規(guī)律與生活聯(lián)系起來，設(shè)置生活化情境，激發(fā)學(xué)生的好奇心，使他們更好地掌握核心概念和規(guī)律，為后續(xù)學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)。

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[8]李尚仁， 等.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書 物理[M]. 北京：教育科學(xué)出版社，2014.（欄目編輯 劉 榮）