感受科技魅力 發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)
——以“光子的力量”教學(xué)設(shè)計(jì)為例

李 萍 李俊鵬

（1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)附屬中學(xué)，北京 100193；2.北京市海淀區(qū)教師進(jìn)修學(xué)校，北京 100195）

1 教學(xué)設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》界定了高中物理的課程理念.注重體現(xiàn)物理學(xué)科本質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng).注重課程的時(shí)代性，關(guān)注科技進(jìn)步和社會(huì)發(fā)展需求.高中物理課程在內(nèi)容上注重與生產(chǎn)生活、現(xiàn)代社會(huì)及科技發(fā)展的聯(lián)系，反映當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要成果和科學(xué)思想，同時(shí)關(guān)注物理學(xué)的技術(shù)應(yīng)用帶來(lái)的社會(huì)問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生的社會(huì)參與意識(shí)和社會(huì)責(zé)任感.

這就要求教師們?cè)趥湔n、上課的過(guò)程中，不能僅僅著眼于基本知識(shí)的掌握、基本規(guī)律的理解和應(yīng)用、基本技能的培養(yǎng)，更要從物理觀念維度幫助學(xué)生構(gòu)建完整的物質(zhì)觀，深刻理解運(yùn)動(dòng)和相互作用觀，從科學(xué)思維角度關(guān)注基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)構(gòu)建物理模型的抽象概括過(guò)程，在教學(xué)中注重體現(xiàn)物理與科技緊密相連，從科學(xué)態(tài)度與責(zé)任維度培養(yǎng)學(xué)生的參與感、獲得感.

2 教學(xué)內(nèi)容分析

“光子的力量”是基于動(dòng)量定理在微觀世界建構(gòu)模型的綜合復(fù)習(xí)專題課.在新高考改革的背景下，我們依據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)來(lái)指導(dǎo)教學(xué).課程標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容要求，理解動(dòng)量定理和動(dòng)量守恒定律，知道動(dòng)量守恒定律的普適性，在分析物理問(wèn)題的過(guò)程中，體會(huì)自然界的和諧與統(tǒng)一，了解太空物體的碰撞和微觀粒子的碰撞等，拓展對(duì)物理世界的認(rèn)識(shí)和理解，深化對(duì)物體之間相互作用規(guī)律的理解.綜合復(fù)習(xí)將面對(duì)的是學(xué)業(yè)水平較高要求，理解所學(xué)的物理概念和規(guī)律及其相互關(guān)系，能正確解釋自然現(xiàn)象，綜合應(yīng)用所學(xué)的物理知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題.能將真實(shí)的實(shí)際問(wèn)題中對(duì)象和過(guò)程轉(zhuǎn)換成所學(xué)的物理模型，認(rèn)識(shí)到物理研究是一種對(duì)自然現(xiàn)象進(jìn)行抽象的創(chuàng)造性工作.

從近幾年高考來(lái)看，動(dòng)量定理、動(dòng)量守恒定律都是高頻考點(diǎn)，要求較高，側(cè)重與科技前沿、社會(huì)熱點(diǎn)問(wèn)題相關(guān)，通過(guò)微觀粒子模型的構(gòu)建和動(dòng)量定理的應(yīng)用來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題.通過(guò)動(dòng)量的觀點(diǎn)，可以將高中力、熱、光、電、原的各個(gè)領(lǐng)域整合在一起，簡(jiǎn)潔統(tǒng)一.通過(guò)動(dòng)量定理、動(dòng)量守恒定律探尋科技前沿的秘密，讓動(dòng)量定理、動(dòng)量守恒定律成為學(xué)生解讀微觀世界、探索新世界的密鑰，從動(dòng)量的視角看世界.

3 學(xué)生學(xué)習(xí)情況分析

（1）物理觀念方面：學(xué)生對(duì)光具有波粒二象性有一定的感性認(rèn)識(shí)，掌握了動(dòng)量與沖量基本概念，對(duì)動(dòng)量定理、動(dòng)量守恒定律有了較深刻的理解和認(rèn)識(shí)，能夠熟練運(yùn)用動(dòng)量定理解釋宏觀世界的運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，學(xué)生對(duì)動(dòng)量定理、動(dòng)量守恒定律在微觀世界的應(yīng)用存在一定的差距，對(duì)光子的動(dòng)量和能量的理性認(rèn)識(shí)有待具體化，對(duì)自然界的和諧統(tǒng)一的觀念需要具體的實(shí)例進(jìn)一步豐富認(rèn)識(shí).

（2）科學(xué)思維方面：具有基本的邏輯分析和推理論證能力，有一定的應(yīng)用數(shù)學(xué)方法研究物理問(wèn)題的能力，有一定的構(gòu)建物理模型的能力.物理觀念是物質(zhì)基礎(chǔ)，科學(xué)思維是核心素養(yǎng)的核心，構(gòu)建物理模型是科學(xué)思維的重要表現(xiàn).學(xué)生對(duì)于復(fù)雜問(wèn)題欠缺分層次、分階段的思想方法，欠缺梳理內(nèi)在邏輯關(guān)系的能力.面對(duì)陌生的真實(shí)情景，學(xué)生構(gòu)建物理模型的能力有待提高，特別是把科技前沿問(wèn)題的轉(zhuǎn)換成物理模型的能力，需要繼續(xù)提高.

（3）科學(xué)探究方面：學(xué)生具有一定的科學(xué)探究能力，在理論探究方面也具備一定的猜想、分析、論證、數(shù)學(xué)推導(dǎo)等意識(shí)，面對(duì)全新的陌生的問(wèn)題，還需要適當(dāng)?shù)倪w移能力，使得科學(xué)探究趨于內(nèi)化，有待繼續(xù)提高.

（4）科學(xué)態(tài)度與責(zé)任方面：學(xué)生具有一定的學(xué)習(xí)物理的興趣和對(duì)科學(xué)的尊重，對(duì)科技前沿、社會(huì)熱點(diǎn)有較強(qiáng)的興趣，能夠感受到基礎(chǔ)物理的重要性，但對(duì)科技前沿背后物理本質(zhì)的認(rèn)識(shí)感到高不可攀，不善于運(yùn)用現(xiàn)有的物理觀念和科學(xué)思維，對(duì)其本質(zhì)進(jìn)行模型構(gòu)建、科學(xué)探究.還應(yīng)該認(rèn)知到物理是人類認(rèn)識(shí)自然和發(fā)展進(jìn)步的重要基礎(chǔ)學(xué)科，同時(shí)感受科技的巨大魅力，增強(qiáng)社會(huì)責(zé)任感和使命感.

4 教學(xué)目標(biāo)分析

教學(xué)目標(biāo)以模型構(gòu)建為學(xué)習(xí)主線，結(jié)合具體的知識(shí)點(diǎn)和素養(yǎng)發(fā)展要求來(lái)表述.

（1）通過(guò)光壓存在的可能性猜想，明確光具有粒子性、波動(dòng)性、電磁波的本質(zhì)，光具有動(dòng)量、能量；傳播過(guò)程中方向發(fā)生改變，光子動(dòng)量發(fā)生改變；散射時(shí)頻率發(fā)生改變，光子動(dòng)量發(fā)生改變，豐富學(xué)生的物質(zhì)觀.

（2）通過(guò)理論探究光壓大小影響因素，側(cè)重光的粒子性，培養(yǎng)學(xué)生模型構(gòu)建能力，發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維.

（3）通過(guò)太陽(yáng)帆面積的可行性評(píng)估，進(jìn)一步提升學(xué)生模型構(gòu)建、運(yùn)用物理規(guī)律解決實(shí)際問(wèn)題的能力.

（4）通過(guò)光鑷的探究，再次見(jiàn)證光子的力量，再次培養(yǎng)學(xué)生模型構(gòu)建能力，體會(huì)宏觀世界與微觀世界的和諧統(tǒng)一，豐富學(xué)生的運(yùn)動(dòng)和相互作用觀.

（5）通過(guò)激光制冷的設(shè)想，將力、熱、光統(tǒng)一起來(lái)，使學(xué)生感受物理學(xué)統(tǒng)一和諧、簡(jiǎn)潔之美；從波粒二象性的角度解釋“絕對(duì)零度無(wú)法達(dá)到”，促進(jìn)學(xué)生形成全面的物質(zhì)觀.

（6）通過(guò)對(duì)太陽(yáng)帆、光鑷、激光制冷的了解，感受大國(guó)重器的魅力，提高學(xué)生科學(xué)責(zé)任感和使命感，浸潤(rùn)心靈.

5 學(xué)習(xí)過(guò)程設(shè)計(jì)

本節(jié)課是動(dòng)量守恒定律專題復(fù)習(xí)“粒子流模型”中的最后一節(jié)課.單元核心知識(shí)就是動(dòng)量定理的碰撞模型，構(gòu)建不同的表現(xiàn)形式，加深理解運(yùn)動(dòng)和相互作用觀.如圖1所示.

圖1 粒子流模型專題復(fù)習(xí)

本節(jié)課共分兩部分：一是探究光子的力量；二是見(jiàn)證光子的力量.從實(shí)踐上升到理論，探究光子的力量；再將理論運(yùn)用到實(shí)踐中，見(jiàn)證光子的力量，符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律.教學(xué)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示.

圖2 “光子的力量”教學(xué)結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)皮亞杰建構(gòu)學(xué)習(xí)理論，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中學(xué)習(xí)意義的獲得，是每個(gè)學(xué)習(xí)者以自己原有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，對(duì)新信息重新認(rèn)識(shí)和編碼，建構(gòu)自己的理解.教師是教學(xué)的引導(dǎo)者，并將監(jiān)控學(xué)習(xí)和探索的責(zé)任也由教師為主轉(zhuǎn)向?qū)W生為主，最終要使學(xué)生達(dá)到獨(dú)立學(xué)習(xí)的程度.

光子的力量與其他模型不同之處在于：水、空氣、離子、分子都是實(shí)物或?qū)嵨锪Ｗ樱匈|(zhì)量，1個(gè)粒子的動(dòng)量可以用p=mv來(lái)表示，和宏觀物體的動(dòng)量表達(dá)相近.大量的粒子表現(xiàn)出的作用力，宏觀表現(xiàn)往往與“體積”或“總質(zhì)量”有關(guān)，學(xué)生比較容易遷移.而光子不是實(shí)際存在的實(shí)物粒子，沒(méi)有靜止質(zhì)量，大量光子表現(xiàn)出的作用力，宏觀表現(xiàn)往往與“光強(qiáng)”“受力面積”有關(guān)，這一點(diǎn)學(xué)生在知識(shí)遷移過(guò)程中，有一定的困難.所以，在教學(xué)上設(shè)置合適的問(wèn)題，選用合適的視頻等教學(xué)資料，能夠起到事半功倍的效果，幫助學(xué)生能力的遷移、思維品質(zhì)的提升、核心素養(yǎng)的形成.

6 主要教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)

教學(xué)流程圖如圖3所示.

圖3 “光子的力量”教學(xué)流程圖

6.1 以核心問(wèn)題引領(lǐng)科學(xué)探究

（1）觀看視頻資料：我國(guó)首次完成太陽(yáng)帆在軌關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證，天帆一號(hào)試驗(yàn)成功（如圖4所示）.

圖4 “天帆一號(hào)”在軌試驗(yàn)成功

（2）光子的壓力是如何產(chǎn)生的？

（3）影響光壓（壓強(qiáng)）大小的因素有哪些？

（4）光壓產(chǎn)生與氣體壓強(qiáng)產(chǎn)生相比，模型建構(gòu)、微觀本質(zhì)、宏觀表現(xiàn)有哪些相同點(diǎn)與不同點(diǎn)？

6.2 以核心任務(wù)發(fā)展科學(xué)思維

解決實(shí)際問(wèn)題：太陽(yáng)帆面積可行性評(píng)估.

問(wèn)題：利用太陽(yáng)光的“光壓”為探測(cè)器提供動(dòng)力，將太陽(yáng)系中的探測(cè)器送到太陽(yáng)系以外，這就需要為探測(cè)器制作一個(gè)很大的光帆，以使太陽(yáng)光對(duì)光帆的壓力超過(guò)太陽(yáng)對(duì)探測(cè)器的引力，不考慮行星對(duì)探測(cè)器的引力.假設(shè)帆面始終與太陽(yáng)光垂直.光帆能將太陽(yáng)光全部吸收，（引力常量G、太陽(yáng)質(zhì)量M，太陽(yáng)帆質(zhì)量m、太陽(yáng)輻射功率P已知），求太陽(yáng)帆面積滿足的條件.

圖5 太陽(yáng)帆推動(dòng)航天器

6.3 以科技創(chuàng)新發(fā)展科學(xué)思維

創(chuàng)新思維：光鑷的設(shè)計(jì).

（1）問(wèn)題：激光束可以看作是粒子流，其中的粒子以相同的動(dòng)量沿光傳播方向運(yùn)動(dòng).激光照射到物體上，在發(fā)生反射、折射和吸收現(xiàn)象的同時(shí)，也會(huì)對(duì)物體產(chǎn)生作用.一束激光經(jīng)S點(diǎn)后被分成若干細(xì)光束，穿過(guò)一個(gè)介質(zhì)小球.已知光束①和②強(qiáng)度相同，圖中O點(diǎn)是介質(zhì)小球的球心，入射時(shí)光束①和②與SO的夾角均為θ，出射時(shí)光束均與SO平行.若不考慮光的反射和吸收.請(qǐng)作圖分析.

如圖6所示，請(qǐng)你以某一長(zhǎng)度的有向線段表示光子的動(dòng)量.

圖6

（a）畫(huà)出光束①通過(guò)介質(zhì)小球過(guò)程中光子動(dòng)量變化量；

（b）畫(huà)出光束①因折射受到介質(zhì)小球?qū)馐┘恿Φ拇笾路较颍?/p>

（c）畫(huà)出兩束光光子對(duì)介質(zhì)小球的作用力合力的方向；

（d）分析說(shuō)明，如果介質(zhì)小球只受到兩束光子的作用，將會(huì)怎樣運(yùn)動(dòng)（如圖7所示）？

圖7

（e）分析說(shuō)明，如果向上移動(dòng)介質(zhì)小球，小球受力將如何變化？

（2）觀看光鑷視頻資料，見(jiàn)證光子的力量.

（3）請(qǐng)你展開(kāi)想像的翅膀：激光能給物體制冷嗎？

（4）觀看視頻：大國(guó)重器——上海光源所.

7 學(xué)習(xí)效果反饋性評(píng)價(jià)

針對(duì)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的4個(gè)方面，高中物理學(xué)業(yè)質(zhì)量劃分了5個(gè)水平層級(jí).教師在制定評(píng)價(jià)方案時(shí)，要針對(duì)學(xué)生的情況和發(fā)展需求，選擇適當(dāng)?shù)乃綄蛹?jí)命制或選取評(píng)價(jià)的問(wèn)題.學(xué)生在本節(jié)課學(xué)習(xí)時(shí)，將面對(duì)高考，因此題目應(yīng)以學(xué)業(yè)水平3、4的要求為主，對(duì)比較優(yōu)秀的學(xué)生，可以選擇水平5的問(wèn)題.下面以一個(gè)例題說(shuō)明.

例.一臺(tái)功率為P0的激光器發(fā)出一束激光，光束的橫截面積為S.假設(shè)該激光束垂直照射到某物體表面，光子的頻率是ν，已知普朗克常量為h，光速為c，則在時(shí)間Δt內(nèi)，求：

（1）激光束發(fā)出的光子總能量E；

（2）激光束發(fā)出的光子總個(gè)數(shù)N；

（3）一個(gè)光子的動(dòng)量p；

（4）假設(shè)光子全部被吸收，激光束在物體表面產(chǎn)生壓力F1；

（5）假設(shè)光子全部被反射，激光束在物體表面產(chǎn)生壓力F2；

（6）假設(shè)光子一半被吸收、一半被反射，激光束在物體表面產(chǎn)生壓力F3；

（7）以上3種情況下，激光束在物體表面產(chǎn)生壓強(qiáng)p光；

（8）光壓與哪些因素有關(guān)？與哪些因素?zé)o關(guān)？

（1）-（3）小問(wèn)屬于基本概念規(guī)律的考察，初步了解所學(xué)的物理概念和規(guī)律，能解釋簡(jiǎn)單的自然現(xiàn)象，解決簡(jiǎn)單的實(shí)際問(wèn)題，屬于學(xué)業(yè)水平1、2的層級(jí)；（4）-（6）小問(wèn)主要考察模型構(gòu)建，能在熟悉的問(wèn)題情境中根據(jù)需要選用所學(xué)的恰當(dāng)?shù)哪Ｐ徒鉀Q簡(jiǎn)單的物理問(wèn)題：能對(duì)常見(jiàn)的物理問(wèn)題進(jìn)行分析和推理，獲得結(jié)論并作出解釋，屬于學(xué)業(yè)水平3、4的層級(jí)；（7）（8）小問(wèn)，能清晰、系統(tǒng)地理解物理概念和規(guī)律，能正確解釋自然現(xiàn)象.綜合應(yīng)用所學(xué)的物理知識(shí)靈活解決實(shí)際問(wèn)題，屬于學(xué)業(yè)水平五的層級(jí).

8 教學(xué)設(shè)計(jì)反思

從整體上看，本節(jié)課教學(xué)設(shè)計(jì)符合學(xué)生核心素養(yǎng)的課程改革理念.探究光子的力量，光子具有波粒二象性，以電磁波的形式傳播，這些都是物質(zhì)性的表現(xiàn)；光壓的產(chǎn)生是光與物質(zhì)的相互作用，在相互作用中完成能量和動(dòng)量的傳遞與交換，這些都是物理觀念的具體表現(xiàn)；通過(guò)模型構(gòu)建解決實(shí)際問(wèn)題，結(jié)合類比、對(duì)比的方法，運(yùn)用邏輯推理等物理思想和方法，培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)思維；理論探究也培養(yǎng)了學(xué)生的探究能力；中科院上海光源所作為大國(guó)重器為我國(guó)微操控領(lǐng)域提供技術(shù)保障，“天帆一號(hào)”標(biāo)志著我國(guó)航天人在航天領(lǐng)域的新突破.這些都能對(duì)學(xué)生進(jìn)行很好的德育教育.太陽(yáng)帆、光鑷、激光制冷等科技前沿問(wèn)題，不僅讓學(xué)生感受到科學(xué)的魅力，而且也培養(yǎng)了學(xué)生科學(xué)態(tài)度與責(zé)任感.通過(guò)問(wèn)題或多種活動(dòng)的設(shè)計(jì)，讓每一個(gè)學(xué)生主動(dòng)參與到每一個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程，落實(shí)核心素養(yǎng)基于課堂上真實(shí)問(wèn)題情景中自然而然地發(fā)生和實(shí)現(xiàn).學(xué)習(xí)物理是從內(nèi)部而生發(fā)的，愛(ài)國(guó)主義情感培養(yǎng)、德育教育也是浸潤(rùn)式的，不是聽(tīng)見(jiàn)，而是情感的觸動(dòng).在教學(xué)中，物理教師要建立大物理觀念，做科學(xué)教育，在有限的時(shí)空觀里給學(xué)生留下科學(xué)的圖景.

總之，只要再想深入一些，嘗試著去做，堅(jiān)持做，世界就會(huì)不一樣.