重構(gòu)教材資源，促進學生科學思維發(fā)展

高亞浩 袁財容

摘 ? 要：文章以“動量定理”教學為例，從學生思維發(fā)展特點出發(fā)，重構(gòu)教材資源，優(yōu)化教學設(shè)計，從而更好地培養(yǎng)學生的科學思維。

關(guān)鍵詞：教材資源;科學思維;思維進階

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ?文章編號：1003-6148（2019）11-0065-4

科學思維是物理學科核心素養(yǎng)的重要組成部分，發(fā)展學生的科學思維是物理教學的重要教學目標，教師應(yīng)學會利用教材中的教學資源優(yōu)化教學設(shè)計，培養(yǎng)學生的模型建構(gòu)、科學推理、科學論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等能力[1]。教材中的教學資源主要包括課本中的插圖、課后習題、思考與討論、演示實驗、STS、科學漫步和科學足跡等。筆者以人教版高中物理選修3-5第十六章第二節(jié)《動量和動量定理》一節(jié)的教學為例，談?wù)勅绾沃貥?gòu)教材資源，優(yōu)化教學設(shè)計，讓學生在課堂學習中實現(xiàn)思維進階。

1 ? ?調(diào)整教學結(jié)構(gòu)，關(guān)注學生科學思維發(fā)展的特點

物理學科的知識結(jié)構(gòu)主要包括實驗基礎(chǔ)、理論推導、數(shù)學表達、思想方法、應(yīng)用價值等內(nèi)容。這些內(nèi)容之間存在著緊密的邏輯關(guān)系。因此，教師在教學中要理清這種關(guān)系，不必拘泥于教材資源，對教材編排的教學內(nèi)容，或者內(nèi)容呈現(xiàn)的順序及方式進行精心地組織和調(diào)整，使其更符合學生科學思維發(fā)展的特點。2017年版《普通高中物理課程標準》中指出了科學思維發(fā)展的五個水平，仔細分析可以發(fā)現(xiàn)，五個水平之間呈遞進關(guān)系，每個水平都有不同的側(cè)重點。水平一強調(diào)了物理模型的建構(gòu)，對應(yīng)科學思維中的模型建構(gòu)能力;水平二對模型建構(gòu)能力提出了更高的要求，在此基礎(chǔ)上強調(diào)了對物理現(xiàn)象的分析和推理，對應(yīng)科學思維中的科學推理能力;水平三對模型建構(gòu)、科學推理都提出了更高的要求，并強調(diào)用恰當、實用的證據(jù)表達觀點，對應(yīng)科學思維中的科學論證能力;水平四對模型建構(gòu)、科學推理、科學論證提出了更高的要求，此外重點強調(diào)了對已有理論提出有依據(jù)的質(zhì)疑，對應(yīng)科學思維中的質(zhì)疑創(chuàng)新能力;水平五則體現(xiàn)了科學思維的總體要求。由此可以看出，學生模型建構(gòu)、科學推理、科學論證和質(zhì)疑創(chuàng)新能力的發(fā)展是呈一定的遞進關(guān)系。因此，在教學時教師也應(yīng)按照學生科學思維發(fā)展的特點進行教學。

人教版《動量和動量定理》一節(jié)，教材在第一節(jié)探究實驗的基礎(chǔ)上直接給出動量的定義，并從物理學史的角度加以認識，然后通過例題提出動量的變化，加深對動量和動量變化的矢量性的理解。關(guān)于動量定理，教材先是在恒力作用的情況下由牛頓第二定律推導出動量定理的表達式，之后用微元法分析出動量定理不僅適用于恒力也適用于變力。最后，通過壘球、易碎物品包裝，碼頭懸掛舊輪胎以及“科學漫步”的汽車碰撞實驗來展現(xiàn)動量定理在生活中的廣泛應(yīng)用[2]。

筆者認為，直接提出“動量”“沖量”和“動量定理”的概念，會讓學生對為什么要提出新的物理概念認識不深刻，也不利于科學思維的培養(yǎng)。理論推導出動量定理的表達式后就直接應(yīng)用動量定理解決實際問題，缺少實驗驗證環(huán)節(jié)，教學過程的整體性和連貫性不強。教材中的應(yīng)用例題采用了擊打模型，而推導動量定理的模型卻是碰撞模型，在新課教學環(huán)節(jié)沒有基于學生視角，不利于學生的理解應(yīng)用。

調(diào)整后的教學結(jié)構(gòu)如下：

首先，從“暴走雞蛋的跳樓實驗”提出要研究的碰撞問題，引導學生從實驗出發(fā)，建構(gòu)簡化的物理模型，發(fā)展學生的模型建構(gòu)能力;其次，引導學生運用已有知識“牛頓第二定理”推導出“Ft=mvt-mv0”，將其與“動能定理”類比，建立 “動量”“沖量”“動量定理”概念，發(fā)展學生的科學推理能力;再次，借助DIS數(shù)字化實驗 “驗證動量定理”并分析實驗誤差，總結(jié)動量定理的適用條件和注意事項，發(fā)展學生的科學論證能力;最后，圍繞學生的易錯點設(shè)置有梯度的例題，讓學生利用動量定理解決實際問題。調(diào)整后的教學結(jié)構(gòu)，既體現(xiàn)了重視物理概念的形成過程和物理規(guī)律的得出過程，也體現(xiàn)了重視模型建構(gòu)、科學推理、科學論證、實驗驗證等科學思維的培養(yǎng)過程。

2 ? ?優(yōu)化教學環(huán)節(jié)，實現(xiàn)學生科學思維的培養(yǎng)

教師應(yīng)精心設(shè)計教學環(huán)節(jié)，構(gòu)建合理的教學情境和教學梯度，促進學生科學思維的培養(yǎng)。因此，教師在進行教學設(shè)計時，應(yīng)做好以下四點：第一，深度解讀教材，優(yōu)化教材資源，幫助學生認識客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系;第二，開展豐富的學生活動，通過學生熟悉的問題情境激疑生趣，使其能基于經(jīng)驗事實抽象概括和建構(gòu)物理模型，促進學生科學思維的發(fā)展;第三，補充學生實驗，引導學生經(jīng)歷分析、歸納等邏輯推理過程;第四，改善實驗方案或?qū)嶒炑b置，使實驗現(xiàn)象或?qū)嶒灲Y(jié)果更加直觀、形象，規(guī)律的得出過程更加嚴謹，讓學生體驗質(zhì)疑和批判、檢驗和修正的科學思維過程。

2.1 ? ?實驗引入，構(gòu)建碰撞模型

實驗引入既能大大提高學生的學習興趣，也有助于學生對碰撞模型獲得最直觀的認識。建構(gòu)模型是一種重要的科學思維方式，教師在教學中要讓學生體會建構(gòu)物理模型的思維方法，學會如何通過建構(gòu)物理模型來研究實際問題。筆者在引入環(huán)節(jié)重構(gòu)教材資源，通過以下兩步實現(xiàn)思維進階：

（1）演示“暴走雞蛋的跳樓實驗”（圖1）：讓雞蛋落在做好的容器中的海綿上，雞蛋完好;第二次將同樣的雞蛋從同樣的高度釋放后落在容器中的木板部分，雞蛋破碎。

提出問題：雞蛋與接觸面碰撞過程中受到的沖擊力與哪些因素有關(guān)？

（2）構(gòu)建簡化的物理模型（圖2），提示學生應(yīng)用牛頓第二定律推導碰撞過程中的沖擊力的表達式。

在該環(huán)節(jié)，讓學生充分感知從生活現(xiàn)象獲得物理知識的過程，通過學生活動體驗如何對物理現(xiàn)象進行加工、想象形成理性判斷，再通過構(gòu)建簡化物理模型，培養(yǎng)學生利用物理知識解決生活現(xiàn)象的能力。這樣的教學設(shè)計，從學生熟悉的情境設(shè)置問題，層層推進，符合學生的思維發(fā)展規(guī)律。

2.2 ? ?建立動量和沖量概念，發(fā)展學生的科學推理能力

（1）遵循學生的思維認知規(guī)律，在類比中提出動量和沖量以及動量定理的概念

學生獨立推導出F=m ，師生一起討論、總結(jié)得出表達式的適用條件是恒力，無法解決實際的碰撞過程，在這種情況下就需要引入新的物理概念，將結(jié)果變形得到：Ft=mvt-mv0。

教師引導學生從表達式的形式聯(lián)想到動能定理Fx= mv ?- mv ?，再拓展到自然界的任何規(guī)律都滿足一個過程量對應(yīng)一個狀態(tài)量的變化，在類比中得出mv是狀態(tài)量，F(xiàn)t是過程量，提出動量和沖量的概念。

在該教學環(huán)節(jié)中，將教材中“科學足跡”欄目“歷史上關(guān)于運動量度的爭論”的相關(guān)內(nèi)容引入課堂，還原了歷史爭論，帶領(lǐng)學生經(jīng)歷物理概念的建構(gòu)過程和物理規(guī)律的形成過程，這是對教材資源的合理重構(gòu)，也讓學生在學習的過程中體驗了物理規(guī)律發(fā)現(xiàn)的邏輯思維過程。

（2）從恒力到變力，遷移知識，實現(xiàn)思維進階

如圖3，可以從恒力沖量的計算方法，過渡到F-t圖像的面積表示沖量，再提出力隨時間先增大后減小的變力的沖量如何計算？也可借助“微元法”計算出t時間內(nèi)的沖量即為F-t圖像的面積。從定性和定量兩個方面對力的沖量計算進行科學推理、找出規(guī)律、形成結(jié)論，在師生討論中引導學生從淺到深地思考問題，激發(fā)高階思維的發(fā)生。

2.3 ? ?拓展教材資源，驗證動量定理，發(fā)展學生的科學論證能力

介紹完動量定理的表達式，提出問題：動量定理是理論推導出來的，在實際碰撞中是否成立呢？我們還需要做什么？學生能回答出需要實驗驗證。教師展示實驗儀器（圖4），介紹DIS系統(tǒng)的工作原理，指導學生自主操作實驗，并根據(jù)測出的碰撞前后的速度，計算碰撞前后的動量的變化量，與借助軟件計算出的F-t圖像的面積進行對比，得到實驗結(jié)論。

從理論推導過渡到實驗驗證，形成了嚴密的思維論證過程。學生在觀察、實驗的基礎(chǔ)上通過科學推理和科學論證得到結(jié)論，加深了對動量定理的理解和內(nèi)化，也體驗了物理規(guī)律的得出過程和科學推理的思維過程。比傳統(tǒng)的僅從理論推導得出動量定理，再填鴨式地告訴學生動量定理適用于變力，更有利于培養(yǎng)學生的科學思維能力。

2.4 ? ?合理糾錯，遷移知識，發(fā)展學生的質(zhì)疑創(chuàng)新能力

在教材中，列舉了生活中的很多實例，也計算了球棒擊球過程中的變力平均值。筆者認為，在應(yīng)用環(huán)節(jié)可以緊扣碰撞模型展開，充分暴露學生的易錯點，讓學生互相糾錯，激發(fā)學生質(zhì)疑思維的發(fā)展。

在教學時，筆者圍繞兩道例題和一個視頻開展，具體內(nèi)容如下：

例1 2010年8月19日，四川航空一架A321客機在5100米高空和飛鳥相撞，導致飛機受損。假設(shè)與飛機相撞的這只小鳥的質(zhì)量為1 kg，以20 m/s的速度水平迎面撞上速度為720 km/h的飛機并粘在飛機上，而飛機并沒有因為與鳥相撞而改變速度。若小鳥撞飛機的作用時間是0.002 s，試求出：

（1）碰撞過程中，小鳥動量的變化量？

（2）碰撞過程中，飛機受到的撞擊作用力是多大？

該道例題設(shè)置了兩個問題，第1問旨在強化學生對動量定理矢量式的理解，第2問在第1問的基礎(chǔ)上應(yīng)用動量定理的表達式求解變力。矢量性是動量定理應(yīng)用的易錯點，所以在應(yīng)用時需讓學生充分暴露并強化。這道題另外的用途就是，通過對計算數(shù)據(jù)的分析，讓學生體會小鳥撞飛機的力，在課堂上給學生普及機場附近“凈空”的重要性（圖5）。

例2 質(zhì)量為m的雞蛋，從高度h=0.8 m處自由落到硬質(zhì)地面上，如果作用時間Δt=0.01 s，求雞蛋受到地面的撞擊作用力是多大？若落在彈性地面上，從接觸地面到速度為零，作用時間Δt'=0.2 s，此時受到的撞擊作用力是多大？（g取10 m/s2）

解 以雞蛋為研究對象，在與地面碰撞之前自由落體，剛與地面接觸時，雞蛋的速度為：v0= ，經(jīng)過Δt=0.01 s時間后，速度vt=0，對雞蛋與地面碰撞過程分析，取豎直向上為正方向，則

代入數(shù)據(jù)可得：F=41mg

由牛頓第三定律可知：

由牛頓第三定律可知：

該例題既做到了對課堂的前后呼應(yīng)，又通過習題教學，使學生在科學思維、探究能力、實踐意識、科學態(tài)度等方面得到有效提升，激發(fā)了高階思維的發(fā)生。將“暴走雞蛋的跳樓實驗”問題轉(zhuǎn)化為定量計算的應(yīng)用習題，對學生的抽象思維、構(gòu)建物理模型、受力分析及運動過程分析、動量定理矢量性等學科綜合知識提出較高要求。學生思考求解的過程，就是思維逐步深入、知識逐步內(nèi)化的過程。

教材中還有其他的應(yīng)用舉例，筆者將教材中的應(yīng)用舉例進行有效整合，采取分類教學：一類是延長作用時間來減小沖擊力，另一類是減小作用時間增大沖擊力。通過制作教學視頻分類呈現(xiàn)動量定理的應(yīng)用，相比教材中的圖片展示，更能引起學生的興趣，提高了教學的有效性。

3 ? ?結(jié) ?語

只有符合學生科學思維發(fā)展的特點，充分調(diào)動其生活經(jīng)驗的教學資源，才能更有效地培養(yǎng)學生的科學思維能力。教師可以在教材已有教學資源的基礎(chǔ)上，適當補充，合理重構(gòu)，在教學中重視概念的形成過程和規(guī)律的發(fā)現(xiàn)過程，重視和生活相關(guān)的實際應(yīng)用，精心優(yōu)化教學設(shè)計，使教學內(nèi)容更符合學生思維發(fā)展的特點，實現(xiàn)學生在學習過程中的科學思維發(fā)展。

參考文獻：

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

[2]人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心.物理選修3-5[M].北京：人民教育出版社，2018.（欄目編輯 ? ?張正嚴）