以培養(yǎng)核心素養(yǎng)為導向的“動量守恒定律”教學初探

張 娜

(中山市實驗中學 廣東 中山 528400)

物理核心素養(yǎng)是學生在物理學習過程中逐漸形成的重要品格和關鍵能力，它對促進個人終身發(fā)展和社會發(fā)展至關重要[1]．物理核心素養(yǎng)主要由以下4方面的要素構成——“物理觀念”、“科學思維”、“實驗探究”、“科學態(tài)度與責任”．其中，守恒觀是物理學科的基本觀念之一，是人們認識自然界和處理問題的基本思維出發(fā)點[2]．

高中階段，學生主要需要學習的“守恒定律”之一即動量守恒定律．而在選修3-5中“壓軸出場”的動量守恒定律，理解起來對學生的思維要求更高，且在《關于2017年普通高考考試大綱修訂內容的通知》中，為順應課程標準修訂的趨勢，將選修3-5從選考改為必考．無論是從核心素養(yǎng)還是順應課改的角度上來講，無疑都對動量守恒定律的教學提出了更高的要求．因此，開發(fā)基于核心素養(yǎng)的“動量守恒定律”教學設計刻不容緩．

1 教材內容簡析

筆者所在地區(qū)采用的是粵教版高中物理教材選修3-5，動量守恒定律位于第一章的第2節(jié)．編者首先引導學生思考雞蛋掉在地上與海綿上受力不同的原因；接著通過對一幅由采集器收集數據并繪制的F-t圖，引導學生思考力與作用時間的乘積是否恒定，從而引出Ft=mvt-mv0，并定義了沖量和動量；當F=0時，物體動量保持不變，由此引發(fā)對“由兩個物體組成的系統(tǒng)，當系統(tǒng)所受合外力為零時，系統(tǒng)總動量是否也保持不變？”的思考，然后通過氣墊導軌的實驗探究(步驟已給出)得到了動量守恒定律，最后在資料活頁中介紹了動量守恒定律的發(fā)現歷史．

筆者認為，教材的編寫存在以下值得商榷之處：一是學生理解用電腦顯示的F-t圖像并不容易，如若用它作為新知識的引入，有可能會增加學生的學習負擔、沖淡教學重點；二是學生并沒有經歷“發(fā)現守恒量”的過程，從問題的提出，到實驗方案的設計，教科書全部“代勞”，學生只是機械地跟著按部就班，就得到了“動量守恒”的結果；三是動量守恒定律的表述不是特別明朗——物體在碰撞時，如果系統(tǒng)所受的合外力為零，則系統(tǒng)總動量保持不變．在其他非碰撞的相互作用模型里是否如此呢？編者在后續(xù)也沒有做詳細的拓展說明．

本節(jié)課的核心應該在于創(chuàng)設具體情境，讓學生在分析和解決問題的過程中發(fā)現不變量，并在此基礎上提出科學假設，然后通過實驗驗證該假設的合理性，最后在充分挖掘結論的內涵和外延之后得到最終結論．這樣設計的目的是，讓學生在分析常見現象背后規(guī)律的同時，培養(yǎng)其利用科學方法進行驗證的科學探究能力，深化其物理觀念．

2 學生情況分析

本節(jié)課教學對象是高二學生，學生已經掌握了牛頓運動定律、平拋運動等知識，且已經初步了解科學探究的基本步驟，知道打點計時器、氣墊導軌、光電門等相關器材的使用．雖然學生并非第一次學習“守恒思想”，但探究過程依舊是本節(jié)課所要突破的重難點，也是提高學生核心素養(yǎng)的平臺所在．

3 教學過程設計

3.1 提出原始問題 發(fā)現不變量

首先，播放丁俊暉的臺球比賽視頻．在視頻中，運動的白色母球正碰靜止的1號球之后，白色母球停下，而1號球運動起來．

學生也許從未思考過這種常見現象背后的原因，然而對于貌似簡單的事物，才需要追究其復雜的一面，只有經歷了復雜，才能真正領悟到簡單的震懾力[3]．在學生思考“為什么會這樣？”的同時，教師需要幫助他們理清頭腦中的“這樣”具體是指什么________

(1)白色母球為什么會靜止？

(2)1號球為什么會運動？

(3)為什么白色母球沒有和1號球一起往前運動或者反彈回去？

(4)為什么1號球的速度看起來跟碰前白色母球的速度差不多？

(5)1號球的速度跟碰前白色母球的速度大小關系具體是怎樣的？

接著，教師就可以引導學生用已學的知識解決自己的困惑．

白色母球和1號球的運動狀態(tài)之所以會改變，是因為在碰撞的過程中，受到了撞擊力的作用，力是改變物體運動狀態(tài)的原因，這樣就回答了第(1)(2)問．

至于速度關系，學生最容易想到的是借助工具進行測量！比如，用打點計時器或者光電門及相關儀器測出．在手頭上沒有儀器的時候能不能通過理論推導找到他們的速度關系呢？引導學生嘗試用公式進行推導．

兩個物體相碰，兩個物體都會受到來自對方的撞擊力，取白色母球受力方向為正方向.

由牛頓第三定律知

F白=-F1

由牛頓第二定律

F=ma

知

m白a白=-m1a1

又由于

且白色母球最終靜止，進一步得

最終可以發(fā)現

m白v白=m1v1

即，在碰撞過程中，白色母球的mv“完全轉移”到1號球上去了．而由于臺球m白=m1，所以v白=v1，1號球的速度跟碰前白色母球的速度大小相等，方向相同．以上就弄清了第(4)(5)問．

至于第(3)問，假設白色母球并沒有停止而是具有一定的速度，和1號球一起往前運動或者反彈，則有

得

進一步得到

至此我們又發(fā)現了類似的特點：在碰撞過程中，白色母球的mv部分“轉移[4]”到1號球上去了；碰前白色母球的mv等于碰后白色母球和1號球的mv之和．

這好像是在告訴我們，mv可以在物體之間轉移，而且在轉移的過程中，總量并不會發(fā)生變化．至于為什么白色母球沒有和1號球一起往前運動或者反彈回去，這個問題晚一點再去思考(為后一節(jié)課埋下伏筆)，因為現在我們有更重要的事情要做！

3.2 定義不變量

通過以上分析，學生已經發(fā)現：在碰撞的過程中，mv的總量是不變的，這個特殊的不變量——m與v的乘積，在物理學上定義為動量p，p=mv，單位為kg·m/s；動量是矢量，方向與v方向相同．

至于在碰撞乃至其他的相互作用的過程中，動量P是否守恒，我們還需要進一步驗證．

3.3 驗證碰撞過程中的動量守恒

由于學生已經經歷過機械能守恒實驗的驗證過程，因此該部分可以讓學生嘗試進行實驗設計[5]或者參考教科書上的實驗方案，最后教師根據學生的實驗設計提供相應器材，以供使用，通過這種方式來提高學生的“實驗探究素養(yǎng)”．教師可做以下提示(學生早已學過相應物理量的測量方法，此處可捎帶復習)：

(1)驗證碰撞時動量是否守恒，驗證的表達式是怎樣的？讓學生進一步明確和細化實驗目的,系統(tǒng)碰前的總動量等于碰后的總動量，即

(2)碰撞的兩物體，用什么呢？小球．

(3)如何測量物體質量？天平．

(4)如何測量兩物體的速度？打點計時器、光電門等．

最終，學生通過實驗驗證得到：在誤差允許的范圍內，兩物體在碰撞(相互作用)時，系統(tǒng)碰前的總動量等于碰后的總動量．

這里需要說明的是，教科書上關于動量守恒定律的表述是“物體在碰撞時，如果系統(tǒng)所受的合外力為零，則系統(tǒng)總動量保持不變．”事實上，動量守恒定律是一個獨立的實驗規(guī)律，適用于目前物理學研究的一切領域，因此在課堂中教師需要做相應的拓展說明，以培養(yǎng)學生形成“動量守恒的普適性”這一物理觀念．

4 教學反思及啟示

本文從新的視角介紹了動量守恒定律的教學過程，力求真正讓學生經歷知識的發(fā)現過程．在探索備課與教學的過程中，筆者有以下反思及啟示，供同仁參考，以望拋磚引玉．

4.1 課堂教學應搭建知識的 “生長點”

在課堂教學中，教師應該從學生已有的認知水平和經驗出發(fā)，找準新知識的“生長點”以及新舊知識的“聯(lián)結點”，以促進學生對知識的整體構建．然而筆者認為，粵教版用采集器收集數據并繪制的F-t圖作為學生思考的起點，這樣用并不熟悉的圖像作為新概念的“生長點”，不利于學生將其納入自己的知識體系中．

本設計以丁俊暉的臺球比賽視頻作為引入，以思考生活中常見現象背后的原因作為內驅力，讓學生結合已經學習的牛頓運動定律來分析，從而在碰撞過程中發(fā)現不變量．物理源于生活，高于生活，最終又用于生活．

4.2 探究教學應該展現知識的主動建構

真正意義上的學習，是指對知識的主動探索和發(fā)現、對所學知識意義的主動建構，而不是只是把知識從教師頭腦中轉移到學生的筆記本上[6]．

本節(jié)課設計的特點在于通過對常見現象的分析“發(fā)現不變量[7]”，而不是“尋找不變量”．如果設計為“尋找不變量”的話，比如人教版教科書的編寫思路，這就意味著設計者已經知道了有守恒量，但是學生卻會困惑“無緣無故地為什么要尋找一個不知其所以的不變量？”以及“怎么事先知道的有這個不變量的？”當然，物理學也可以基于直覺提出猜想并驗證，只不過那是發(fā)生在少數天才身上．對大部分的學生而言，所謂的探究實驗流于形式，所謂的啟發(fā)式教學也變成了“不動聲色”的灌輸．

4.3 從“知識”到“觀念”的轉變還需升華

本節(jié)課的設計從具體的生活情境出發(fā)，對習以為常的現象進行思考，研究現象背后更本質的規(guī)律特征．這不僅僅是讓學生明白，看似簡單的東西背后實則藏有更大的宇宙奧秘，更是希望通過這樣的思考和發(fā)現，讓學生對我們生活的宇宙乃至對“上帝之手”肅然起敬！

如此這般，“守恒觀念”根深蒂固，物理之美無以言表，宇宙之奇嘆為觀止！