創設實驗情境 活化物理概念 內化核心素養
——以“動量概念教學”為例

羅玉芹

(江蘇省淮陰中學,江蘇 淮安 223002)

開發創設實驗情境是指教師根據研究的目的,選擇合適的實驗器材,人為地純化自然過程,使之按照預期的進程發展,在盡可能減少干擾因素的情形下,進行定性或定量觀察,以探求自然過程蘊藏的變化規律的實驗設計.

物理概念指人類在認識自然過程中,借助實驗,從感性認識上升到理性認識,經歷科學推理把所感知的事物的共同本質特征和相關因素抽象、概括、提煉與總結,得出的人腦對客觀事物本質的反映.

學科核心素養是學科育人價值的集中體現,是學生通過學科學習而逐步形成的正確價值觀、必備品格和關鍵能力.高中物理學科核心素養由物理觀念、科學思維、科學探究和科學態度與責任4個核心要素組成.[1]物理教師立足于課堂教學,以物理教材為載體,基于學生的認知,精心設計實驗情境,引領學生經歷科學的探究過程,掌握必備知識,提升關鍵能力,內化學科素養.

下面以動量概念教學為例,分享高中物理概念教學中借助多元化的實驗情境與物理學史的巧妙編織,自然建構完善清晰的動量概念;借助大單元設計引領學生思維深度發展,打開處理力學問題的新視角;借助沉浸式的體驗學習,活化動量的概念,自覺內化物理學科核心素養.[2]

1 創設生活化情境,指明探究方向

課堂開始于生活中的真實情境(如圖1所示),將手中的籃球與彈力球各自從同一高度下落撞擊地面后反彈,再將彈力球疊放在籃球上從相同高度下落撞擊地面反彈,通過實驗現象的巨大差異對比,激發學生探究碰撞規律的好奇心,點燃學生對碰撞現象研究的興趣,將學生的思維方向引領到對碰撞現象的探究上來.

圖1 真實情境

2 沉浸式實驗體驗,漸次聚焦主題

遵循由特殊到一般的規律,從最特殊的質量相等的小球發生彈性碰撞入手,逐步改變情境條件,引領學生逐步聚焦不變量.

2.1 操作體驗,情境轉換

學生游戲體驗手搖玩具“碰碰球”的碰撞,感受牛頓擺的各種碰撞(如圖2所示),在游戲中感悟碰撞可能遵循的物理規律.建構出等長細線懸掛等大擺球的碰撞模型,自然將研究的問題由生活情境轉化為物理情境.

圖2 牛頓擺

2.2 定性探究,對比聚焦

選取大小相等、質量相同的彩色臺球制作碰撞模型(如圖3所示),借助貼近生活的實驗器材,營造輕松的學習氛圍,學生在娛樂體驗中逐一排除特殊現象,逐步聚焦碰撞現象的本質規律.

圖3 碰撞模型

體驗1:拉開小球1至一定的高度,釋放后碰撞靜止的等大等質量小球2(如圖4所示).

圖4 示意圖

體驗2:等質量等大的小球1和2,拉開相同的高度后松手,在最低點發生碰撞(如圖5所示).

圖5 示意圖

比較兩次操作體驗,輔以補償思想和視頻慢放技術,借助表格(如表1)記錄的方式,標明正負號,顯化速度方向,滲透矢量意識,引發對碰撞前后,兩物體是否一定交換速度的討論.

表1 數據記錄(m1=m2)

討論中,建議學生聯系生活中碰撞現象,在腦海中檢索生活中各種碰撞現象,選取具有代表性的進行交流討論,教師借機鼓勵學生將生活中的碰撞現象還原并現場展示,既調動學生的積極體驗,又活躍課堂氣氛,更有利于規律的逐步呈現.

例如可以借助“質量相當的兩位同學迎面以大小相當的速度相撞后抱在一起,整體速度幾乎降為0”的實踐體驗,推翻交換速度的可能,教師借機引導學生將實際碰撞抽象為物理碰撞模型進行檢驗.

體驗3:提供魔術貼將等質量等大臺球內側分別粘上魔術貼,拉開相同高度釋放,在最低點碰撞并粘在一起(如圖6所示),記錄表2.

表2 數據記錄(m1=m2)

圖6 示意圖

借助學生真實情境中身體的對撞,輔以體驗3,推翻碰撞中一定交換速度的結論.

引領學生繼續分析3次體驗記錄的表格,尋找內隱的其他規律,不難發現“兩小球速度的矢量之和在碰撞前后保持不變”的結論(如表3所示),繼而展開討論此規律是否是普遍存在.

表3 數據記錄(m1=m2)

結合生活中常見小質量物體碰撞超大質量物體,小質量物體幾乎被原速率反彈回來,而大質量物體速度幾乎不變的事實,推翻“兩小球速度的矢量之和在碰撞前后保持不變”結論.

生活情境轉化為物理情境,建構質量不同的擺球模型繼續深入探究碰撞規律.

體驗4:大質量擺球拉開一定高度碰撞靜止等大的小質量擺球(如圖7所示),記錄表4.

表4 數據記錄(m1>m2)

體驗中明確感悟到“速度矢量和不變”是被兩小球質量不同所打破,聚焦打破速度矢量和不變規律的重要因素——質量,探究出不變量除了與速度有關,應該還和物體質量有關.

借助4次體驗的現象對比,可由體驗3的現象輕松排除碰撞前后兩物體動能不變的可能.

繼而思考:“不變量”和物體質量、速度都有關,卻又不是動能,那么會是質量與速度的哪種組合形式呢?會是最簡單的質量乘以速度(mv)、質量除以速度(m/v)還是較復雜的其他形式呢?

3 創設多元實驗情境,定量探究不變量

尋找“不變量”具體的相關因素及組合形式,當然需要定量實驗檢驗,這里不僅僅提供實驗室常用的氣墊導軌配套滑塊的實驗裝置,還提供了更快捷、更易操作、更快呈現結論的速度傳感器配套感應小車的現代化實驗器材.既傳承經典,又開拓創新,學生在不同實驗情境中,選擇不同的碰撞情形,得出共性的結論,實驗將更具可信度和說服力.

3.1 選擇經典實驗器材,進行定量探究

各小組積極進行實驗設計,首先選擇經典的實驗器材,光電門、氣墊導軌配以滑塊進行定量檢驗.下面以其中運動的滑塊碰撞靜止的滑塊,碰撞后粘在一起向前滑動的碰撞類型為例進行探究(如圖8所示).

圖8 滑塊碰撞示意圖

經歷實驗操作與實驗探究的數據對比(如表5),初步發現:“物體碰撞前后mv乘積之和相差不大,m/v之和相差很大”,從而得出“碰撞前后物體mv乘積之和可能不變”的結論.

表5 實驗數據記錄表

3.2 現代傳感器助力,繼續定量探究

傳感器實驗的引入,一方面是對傳統實驗的有力補充,另一方面培養學生應用和開發新技術的意識,將信息化工具轉變為學習工具和解決問題的認知工具,有利于適應未來發展,助力科學探究.

選取兩輛質量不同的小車,對碰后彈開的彈性碰撞情形進行探究(如圖9所示),繼續檢驗碰撞前后mv的矢量和是否保持不變.該碰撞情形較復雜,碰撞前后兩小車速度方向均有改變(如表6所示),有利于深化矢量意識.

表6 碰撞前后數據記錄表

圖9 碰撞情境圖

學生經歷實驗探究,依據實驗數據可得“碰撞前后兩小車質量與速度乘積的矢量和基本保持不變”的結論.

當然,任何一個規律不是通過幾個有限的實驗就可以找到的,需要經歷大量的實驗,經歷各種碰撞類型的檢驗才行.科學家們經歷長期的探索,發現無論是宏觀碰撞還是微觀碰撞,無論是正碰還是斜碰,碰撞過程中兩個物體mv的乘積矢量和始終保持不變.

至此,動量的概念基本形成.

4 重溫科學史實,建構動量概念

4.1 重溫物理學史,完善學生認知

介紹物理學史上科學家對動量的研究歷程(如圖10所示),學生更充分地了解動量的概念及其演變歷程,知其然知其所以然,對動量有了完整的認知,動量的概念被自然建構出來,同時有效提升了學生物理學科的人文素養.

圖10 科學家對動量的研究歷程

4.2 動量變化的意義建構,深度理解概念

結合實驗真實數據(如表7),分析小車1和小車2的動量變化量.

表7 數據記錄表

這里沒有采用教材中的例題,而是借助實驗中一組真實數據,一方面考慮本節課的時間不夠,不適合再引出一個新的問題情境,另一方面,解決在學生實驗中發生的問題,會增強學生的成就感.通過討論兩輛小車的動量變化情況,激活矢量變化量的求解方法,深化動量和動量變化的矢量意識.

4.3 建構大單元知識譜系,形成動量大概念

借助兩小車動量變化量等大而反向的事實,引出對“變”和“不變”的思辨,引領學生思考單個物體動量變化和系統動量守恒的本質原因.激發學生思維的延伸,對物理本質的探尋,為動量定理和動量守恒定律的學習做好鋪墊,形成動量大概念.

當然,還可以通過對為什么沒有動能守恒的追問,激發學生對力的時空作用效果不同的討論,建構系統的力學觀念,促進學生深度學習(如圖11).[3]

圖11 動量概念圖

5 感悟與思考

整節課是以實驗體驗為主線的,基于現象觀察與實驗操作,經歷定性到定量的實驗探究體驗,通過科學推理和論證,凝練出動量的概念.為了達成充分體驗的目標,一共設計了7組實驗,實驗器材既有籃球、彈力球和彩色臺球等生活用品,又有氣墊導軌配套滑塊和光電門這樣的傳統實驗器材,還擁有現代科技的速度傳感器等實驗裝備.融合電子表格處理數據和運用極域電子教室傳輸文件等信息技術,進行體驗式科學探究.在實驗探究的關鍵環節,滲透相關的物理學史,力求規范學生的證據意識和科學態度.

當然,動量的概念是比較抽象的,要想在有限的課堂教學中發現問題、解決問題并抽象出概念其實是很難的,為突出重點、突破難點,本節課的教學設計中重點突出了各個實驗間的關聯度和有效度,循序漸進地將出現的問題一個一個解決,并最終得出結論,讓學生感受到成功的喜悅.

總之,豐富的實驗形式,有助于抽象概念的具象化;充分的實踐體驗,有助于新概念的理解和內化;思辨式的深度學習,有助于發掘概念內涵和外延;大單元的指引,有助于形成物理大觀念.教師基于學生認知,精心創設實驗情境,引領學生在沉浸式的操作體驗中,重新經歷概念的建構過程,不僅活化了概念,學生還在探究中自覺將物理學科素養根植于心、于言、于行,[4-5]實現物理學科核心素養向學生核心素養的有效內化.