核心素養(yǎng)視域下的“動(dòng)量”教學(xué)設(shè)計(jì)

歐劍雄 許芙蓉

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

“動(dòng)量”是物理學(xué)中非常重要的一個(gè)概念，理解和掌握“動(dòng)量”概念對(duì)學(xué)生形成清晰、系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)與相互作用觀至關(guān)重要.然而，由于“動(dòng)量”概念本身比較抽象晦澀，學(xué)生又缺乏直觀體驗(yàn)，因此長(zhǎng)期以來“動(dòng)量”都是高中物理教學(xué)的一個(gè)難點(diǎn).作為初學(xué)者，學(xué)生往往無法理解為什么在有了速度和動(dòng)能等概念之后還要引入“動(dòng)量”.而在物理學(xué)史上，“動(dòng)量”概念的建立過程也是曲折且艱辛的.教學(xué)時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生追尋科學(xué)家的腳步，經(jīng)歷科學(xué)探究過程，逐步建構(gòu)動(dòng)量概念，既有利于學(xué)生形成和理解動(dòng)量概念，又能讓學(xué)生從中體會(huì)豐富的科學(xué)思想、科學(xué)方法和人文底蘊(yùn)，促進(jìn)學(xué)生在問題解決過程中提升物理學(xué)科核心素養(yǎng).

1 核心素養(yǎng)視域下的“動(dòng)量”教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)

本節(jié)是人教版（2019版）高中物理選擇性必修第1冊(cè)第1章第1節(jié)的內(nèi)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(dòng)量”概念的設(shè)計(jì)思路.［1］這樣的編排遵循物理學(xué)對(duì)守恒量不懈追求的宗旨.但要轉(zhuǎn)變學(xué)生腦海中認(rèn)為碰撞與動(dòng)能有關(guān)的迷思概念，仍需要教師具有極大的教學(xué)智慧.課程標(biāo)準(zhǔn)要求學(xué)生“理解動(dòng)量”.［2］這要求教師創(chuàng)設(shè)物理情境引導(dǎo)學(xué)生親歷動(dòng)量概念的形成過程，能解釋并應(yīng)用于不同的生活情境.

在此之前，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過矢量及其運(yùn)算法則，能正確理解速度、動(dòng)能和動(dòng)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(shí)驗(yàn)操作，對(duì)“守恒”這一重要思想也有初步的認(rèn)識(shí).此外，學(xué)生在數(shù)學(xué)課上已經(jīng)系統(tǒng)學(xué)習(xí)過“二分法”，對(duì)生活中的碰撞現(xiàn)象也有一定的感性體驗(yàn).這些都為本節(jié)課的教學(xué)奠定了基礎(chǔ).根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)和核心素養(yǎng)的育人目標(biāo)，結(jié)合教材及學(xué)情，本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)如下.

1.1 物理觀念

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

（2）解決問題.能應(yīng)用動(dòng)量概念計(jì)算實(shí)驗(yàn)中小車的動(dòng)量變化量，解決與動(dòng)量有關(guān)的簡(jiǎn)單問題.

1.2 科學(xué)思維

（1）模型建構(gòu).在“鉤碼落體—撞擊實(shí)驗(yàn)”中，能選用自由落體運(yùn)動(dòng)模型解決測(cè)量鉤碼速度的問題.

（2）科學(xué)推理.能應(yīng)用勻變速直線運(yùn)動(dòng)規(guī)律或動(dòng)能定理分析推理鉤碼質(zhì)量減半后繩子剛好斷裂時(shí)對(duì)應(yīng)的高度.

（3）科學(xué)論證.在“鉤碼落體—撞擊實(shí)驗(yàn)”和“小車碰撞”分組實(shí)驗(yàn)中，能利用已有知識(shí)、通過實(shí)驗(yàn)論證自己的觀點(diǎn).

（4）質(zhì)疑創(chuàng)新.能從勻變速直線運(yùn)動(dòng)和動(dòng)能定理兩個(gè)角度計(jì)算鉤碼落體的速度；通過物理學(xué)史，感受并學(xué)習(xí)先輩們對(duì)已有知識(shí)的質(zhì)疑創(chuàng)新精神.

1.3 科學(xué)探究

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

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

（3）解釋.在“鉤碼落體—撞擊實(shí)驗(yàn)”中，觀看實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，會(huì)解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)論；在“小車碰撞實(shí)驗(yàn)”中，能分析數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)其中規(guī)律，形成合理的結(jié)論.

（4）交流.通過組內(nèi)合作完成實(shí)驗(yàn)，提升與他人交流的意愿和能力.能準(zhǔn)確表達(dá)、評(píng)估實(shí)驗(yàn)探究的結(jié)果.

1.4 科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

（1）科學(xué)本質(zhì).經(jīng)歷了動(dòng)量概念的建立過程，認(rèn)識(shí)到物理學(xué)是人類對(duì)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(huì)物理學(xué)是不斷發(fā)展的.

（2）科學(xué)態(tài)度.通過物理學(xué)史、一個(gè)游戲加兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)尊重事實(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度；提升學(xué)習(xí)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(dòng)手、樂于與他人交流合作的習(xí)慣.

（3）社會(huì)責(zé)任.通過動(dòng)量概念對(duì)生活安全常識(shí)的解釋，感悟物理的實(shí)用價(jià)值，提高安全意識(shí).

2 核心素養(yǎng)視域下的“動(dòng)量”教學(xué)思路設(shè)計(jì)

根據(jù)擬定的教學(xué)目標(biāo)，本節(jié)課的教學(xué)設(shè)計(jì)以“科學(xué)探究”為主線，在探究中引入、建立和完善“動(dòng)量”概念，最后以其解決實(shí)際問題收尾，如圖1所示.

圖1 “動(dòng)量”教學(xué)設(shè)計(jì)思路

本節(jié)課以互動(dòng)小游戲?qū)胝n堂，讓學(xué)生對(duì)撞擊效果與什么因素有關(guān)有初步的感性認(rèn)識(shí)，并據(jù)此拋出要解決的問題“撞擊效果與速度、質(zhì)量之間有怎樣的定量關(guān)系”；根據(jù)猜想設(shè)計(jì)“鉤碼落體—撞擊實(shí)驗(yàn)”，通過實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論“質(zhì)量與速度的乘積相同時(shí)，撞擊效果相同”，從而建立“動(dòng)量”概念.在暢游物理學(xué)史中通過小車碰撞實(shí)驗(yàn)，從守恒角度進(jìn)一步闡釋“動(dòng)量”概念的物理意義，完善動(dòng)量概念，同時(shí)強(qiáng)調(diào)動(dòng)量的矢量性.最后以學(xué)生實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為依托，求解小車碰撞前后的動(dòng)量變化量，在概念的應(yīng)用中拉下本節(jié)課的帷幕.

3 核心素養(yǎng)視域下的“動(dòng)量”教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

3.1 游戲體驗(yàn)，引入概念

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

而后教師引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)自己的判斷猜測(cè)撞擊效果與速度、質(zhì)量之間的定量關(guān)系.學(xué)生提出兩種猜想，其一為：撞擊效果與質(zhì)量成正比、與速度成正比，即質(zhì)量與速度的乘積相同時(shí)，撞擊效果相同；其二為：撞擊效果與質(zhì)量成正比、與速度平方成正比，即動(dòng)能相同時(shí)，撞擊效果相同.

設(shè)計(jì)意圖：在互動(dòng)游戲中引入本節(jié)課的核心問題——碰撞，讓學(xué)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(shí)驗(yàn)的開展做鋪墊.游戲活躍了課堂氣氛，營(yíng)造了輕松愉快的教學(xué)氛圍，能有效吸引學(xué)生的注意力，讓學(xué)生集中思維，更快進(jìn)入課堂.

3.2 撞擊實(shí)驗(yàn)，建立概念

要驗(yàn)證兩種猜想究竟哪一種是正確的，需要通過實(shí)驗(yàn)來一探究竟.教師介紹如圖2 的實(shí)驗(yàn)裝置，細(xì)繩一端固定在鐵架臺(tái)上，另一端系一鉤碼，將鉤碼從不同高度由靜止釋放，當(dāng)鉤碼釋放的高度足夠高時(shí)，細(xì)繩將會(huì)斷裂.然后通過以下問題串，引導(dǎo)學(xué)生利用該裝置設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，驗(yàn)證自己的猜想.

圖2 鉤碼落體撞擊實(shí)驗(yàn)裝置

問題1：如何保證鉤碼下落后被細(xì)繩拉住瞬間的撞擊效果相同？

問題2：如何測(cè)量鉤碼被細(xì)繩拉住前瞬間的速度？

問題3：如何找到細(xì)繩剛好斷裂時(shí)對(duì)應(yīng)的鉤碼高度？

問題4：實(shí)驗(yàn)過程還有哪些需要注意的事項(xiàng)？

學(xué)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(xì)繩拉住前的運(yùn)動(dòng)可視為自由落體運(yùn)動(dòng)，因此可通過測(cè)量自由落體的高度間接算得鉤碼的速度；借助數(shù)學(xué)工具——二分法能夠更快速地找到細(xì)繩剛好斷裂時(shí)對(duì)應(yīng)的鉤碼高度；由于鉤碼下落后細(xì)繩將被拉長(zhǎng)，所以即便細(xì)繩沒有斷，每次實(shí)驗(yàn)后也都需要重新更換細(xì)繩.

教師演示實(shí)驗(yàn)1：取質(zhì)量為100 g的鉤碼進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)鉤碼自由下落的高度為10 c m 時(shí)細(xì)繩不會(huì)斷裂，高度為20 c m 時(shí)細(xì)繩會(huì)斷裂.學(xué)生根據(jù)二分法確定接下來應(yīng)該進(jìn)行高度為15 c m 的實(shí)驗(yàn).依次類推，測(cè)得細(xì)繩剛好斷裂時(shí)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(zhì)量為50 g的鉤碼進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，則高度為多少時(shí)細(xì)繩剛好會(huì)斷裂？

學(xué)生根據(jù)動(dòng)能定理或自由落體運(yùn)動(dòng)公式推理得出結(jié)論：若質(zhì)量與速度的乘積相同時(shí)撞擊效果相同，則高度應(yīng)該為60－64 c m；若動(dòng)能相同時(shí)撞擊效果相同，則高度應(yīng)該為30－32 c m.

教師演示實(shí)驗(yàn)2：改用質(zhì)量為50 g的鉤碼進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)鉤碼自由下落的高度為60 c m 時(shí)細(xì)繩不會(huì)斷裂，高度為64 c m 時(shí)細(xì)繩會(huì)斷裂.

師生根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果共同總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)論：猜想一正確，即當(dāng)質(zhì)量和速度的乘積相同時(shí)，撞擊效果相同.以此引入概念：在物理學(xué)中，質(zhì)量和速度的乘積mv稱為物體的“動(dòng)量”.

教師再為學(xué)生介紹相關(guān)物理學(xué)史：早在1638年，意大利物理學(xué)家伽利略就通過對(duì)落體和撞擊現(xiàn)象的研究，總結(jié)出該結(jié)論，并最早提出“動(dòng)量”概念，給出動(dòng)量的定義.

設(shè)計(jì)意圖：用隨手可得且熟悉的實(shí)驗(yàn)器材完成了撞擊效果的呈現(xiàn)，既揭露了科學(xué)本質(zhì)，又降低了該實(shí)驗(yàn)的探究門檻.通過問題串的形式引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)和完善實(shí)驗(yàn)步驟、思考實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)，培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)推理和科學(xué)探究能力.通過該實(shí)驗(yàn)引入“動(dòng)量”概念，學(xué)生能更深刻體會(huì)動(dòng)量概念引入的必要性，能有效轉(zhuǎn)變學(xué)生腦海中原有的碰撞與動(dòng)能有關(guān)的迷思概念，突破本節(jié)課的教學(xué)難點(diǎn).

3.3 還原歷史，完善概念

教師引導(dǎo)學(xué)生思考物理學(xué)家引入“動(dòng)量”概念背后的深層次原因.伽利略為什么會(huì)去研究這樣的撞擊實(shí)驗(yàn)？為什么會(huì)提出“動(dòng)量”概念？因?yàn)榍О倌陙砣祟悓?duì)天體運(yùn)動(dòng)的觀察結(jié)果表明，在人類觀察精度內(nèi)宇宙運(yùn)動(dòng)并沒有出現(xiàn)減小的跡象，于是歐洲文藝復(fù)興時(shí)期許多自然哲學(xué)家開始思量自然界的運(yùn)動(dòng)，他們認(rèn)為宇宙運(yùn)動(dòng)的總量不會(huì)減小，只要能夠找到一個(gè)合適的物理量來量度運(yùn)動(dòng)，就會(huì)看到運(yùn)動(dòng)的總量是守恒的.

伽利略就是這領(lǐng)域的一位開拓者，他最早通過撞擊實(shí)驗(yàn)提出“動(dòng)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(shí)驗(yàn)進(jìn)一步完善了“動(dòng)量”概念.也就是說，笛卡爾、惠更斯通過碰撞實(shí)驗(yàn)證明了：用伽利略提出的“動(dòng)量”概念來量度運(yùn)動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)的總量是保持不變的.

而后還原歷史，讓學(xué)生通過分組實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證碰撞前后兩車的動(dòng)量之和保持不變.教師介紹實(shí)驗(yàn)儀器，如圖3 所示.為了讓實(shí)驗(yàn)的結(jié)論更具普遍性，教師為學(xué)生準(zhǔn)備了3種不一樣的分組實(shí)驗(yàn).分組實(shí)驗(yàn)1：用運(yùn)動(dòng)的大質(zhì)量小車碰靜止的小質(zhì)量小車.分組實(shí)驗(yàn)2：用運(yùn)動(dòng)小車碰靜止的等質(zhì)量小車.分組實(shí)驗(yàn)3：用運(yùn)動(dòng)的小質(zhì)量小車碰靜止的大質(zhì)量小車.

圖3 小車碰撞實(shí)驗(yàn)裝置

通過以下問題串引導(dǎo)學(xué)生完善實(shí)驗(yàn)方案.

問題1：本實(shí)驗(yàn)需要測(cè)量哪些物理量？

問題2：上述物理量該如何測(cè)量？

問題3：實(shí)驗(yàn)前，擋光片和光電門的位置應(yīng)怎樣擺放，才能較準(zhǔn)確地測(cè)量小車碰撞前后的速度？

學(xué)生思考討論后回答上述問題：需要測(cè)量?jī)尚≤嚨馁|(zhì)量和兩小車碰撞前后的速度；質(zhì)量可通過天平測(cè)量，速度可通過測(cè)擋光片寬度和擋光時(shí)間間接計(jì)算獲得；擋光片應(yīng)盡可能靠近光電門以準(zhǔn)確測(cè)量碰撞前后小車的速度，減小實(shí)驗(yàn)誤差.

而后學(xué)生進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)，獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析.教師組織學(xué)生進(jìn)行展示交流，師生共同得出結(jié)論，在前兩組實(shí)驗(yàn)中，多組實(shí)驗(yàn)表明：在實(shí)驗(yàn)誤差允許范圍內(nèi)，碰撞前后兩小車的動(dòng)量之和不變.但是在第3組實(shí)驗(yàn)中，碰撞前后兩小車的動(dòng)量之和發(fā)生了較大變化.

教師啟發(fā)學(xué)生思考，是不是第3 組實(shí)驗(yàn)中碰撞前后兩小車動(dòng)量之和不守恒？如果不是，那會(huì)是什么原因造成？第3組實(shí)驗(yàn)與前兩組實(shí)驗(yàn)有什么區(qū)別？

學(xué)生思考后發(fā)現(xiàn)第3組實(shí)驗(yàn)中質(zhì)量小的小車碰撞后反彈，速度方向發(fā)生變化.而動(dòng)量是物體質(zhì)量和速度的乘積，故動(dòng)量可能也是矢量，數(shù)據(jù)處理時(shí)應(yīng)考慮動(dòng)量的方向.考慮方向后，師生共同重新處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)第3 組實(shí)驗(yàn)中碰撞前后兩小車的動(dòng)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(shí)驗(yàn)結(jié)論：兩輛小車碰撞前后，動(dòng)量之和保持不變；動(dòng)量是矢量，其方向與速度方向相同.

表1 第3組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

設(shè)計(jì)意圖：結(jié)合物理學(xué)史，感受并學(xué)習(xí)先輩們對(duì)自然界的不懈追求，滲透科學(xué)思維、科學(xué)探究等核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，啟發(fā)學(xué)生勤于思考，鼓勵(lì)學(xué)生大膽質(zhì)疑和創(chuàng)新，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣.結(jié)合現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)儀器，提高實(shí)驗(yàn)效率和精確度，設(shè)計(jì)3種不同碰撞實(shí)驗(yàn)，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更有普適性.分組實(shí)驗(yàn)提升學(xué)生動(dòng)手操作能力，在重現(xiàn)先輩們的碰撞實(shí)驗(yàn)過程中，體會(huì)自然界的和諧與統(tǒng)一，讓學(xué)生對(duì)引入動(dòng)量這一概念的必要性和重要性有了更為深刻的體會(huì)，對(duì)守恒量有更深刻的理解.在第3 組實(shí)驗(yàn)中，引導(dǎo)學(xué)生思考實(shí)驗(yàn)“誤差大”背后的原因，在解決問題的過程讓學(xué)生知道動(dòng)量的矢量特性，有效突破本節(jié)課的重點(diǎn).

3.4 結(jié)合實(shí)際，應(yīng)用概念

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

設(shè)計(jì)意圖：通過實(shí)例計(jì)算，既與前面的實(shí)驗(yàn)呼應(yīng)，又讓學(xué)生在解決實(shí)際問題的過程中加深對(duì)動(dòng)量的理解，強(qiáng)化一維矢量運(yùn)算能力，提升物理解題的規(guī)范性.以學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為例題，彰顯了物理學(xué)科的實(shí)用性，體現(xiàn)了物理學(xué)科從生活中來又服務(wù)于生活的特點(diǎn)，讓學(xué)生感受物理魅力的同時(shí)，提升學(xué)習(xí)物理的興致.同時(shí)，圖表信息的呈現(xiàn)方式有助于培養(yǎng)學(xué)生的信息獲取和加工能力.