周金中

摘 要：物理學(xué)科核心素養(yǎng)可以落實(shí)在教學(xué)設(shè)計的各個環(huán)節(jié).結(jié)合“動量和動量定理”教學(xué)分析，闡述了高中物理課堂教學(xué)實(shí)踐中運(yùn)用以學(xué)生核心素養(yǎng)發(fā)展為本位、以問題串探究學(xué)習(xí)為主線的教學(xué)策略，提供了基于核心素養(yǎng)優(yōu)化課堂教學(xué)的若干可操作性強(qiáng)的教學(xué)建議.

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng)；問題串；探究；情境

一、教學(xué)分析——基于核心素養(yǎng)的教學(xué)方式選擇

（一）教材分析

動量、動量變化、沖量等概念是本章的核心概念，動量定理是分析碰撞問題的重要方法、也是理論推導(dǎo)動量守恒定律的基礎(chǔ)規(guī)律.《浙江省普通高中學(xué)科教學(xué)指導(dǎo)意見》說明指出：動量定理的計算只限一個物體、一維運(yùn)動和一個過程，不要求涉及連續(xù)介質(zhì).另外教材“科學(xué)漫步”欄目提到了“汽車碰撞實(shí)驗(yàn)”，“科學(xué)足跡”欄目提到了“運(yùn)動量度的爭論”，課堂教學(xué)的深廣度有很大彈性空間.

（二）學(xué)情分析

學(xué)生在前一節(jié)“探究碰撞中的不變量”中遇見了多種碰撞模型，也初步感受到“動量”這個有意義的不變量，初步認(rèn)識到了動量的矢量性.但是對于動量變化的矢量性的理解、實(shí)踐有難度.學(xué)生可以基于牛頓第二定理推導(dǎo)動量定理表達(dá)式，但是往往在分析合外力沖量或者外力的沖量和時因?yàn)槭芰Ψ治鋈毕萑菀茁┝?另外對于“緩沖”理解能套用動量定理但是難以自發(fā)探究動量定理與動能定理關(guān)于“力積累”的區(qū)別.

（三）教學(xué)分析思考——問題串探究教學(xué)與核心素養(yǎng)愿景

考慮本節(jié)教學(xué)特點(diǎn)，傳統(tǒng)的傳授式教學(xué)無法長久吸引學(xué)生的注意力，很難讓學(xué)生領(lǐng)悟概念的內(nèi)涵和外延，也難以激發(fā)學(xué)生探索和應(yīng)用規(guī)律的熱情.基于問題串的問題探究式教學(xué)，能在逐層深入的問題探究中破解概念理解的難點(diǎn).問題串探究一方面連接學(xué)生的系列自主活動體驗(yàn)，另一方面不斷建構(gòu)新的認(rèn)知知識基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，其本身探究任務(wù)驅(qū)動過程在不斷地探索創(chuàng)新，有助于實(shí)現(xiàn)基于核心素養(yǎng)的教學(xué)理念.

二、教學(xué)目標(biāo)——物理核心素養(yǎng)視角

（一）四維學(xué)習(xí)目標(biāo)

1.物理觀念

學(xué)生能進(jìn)一步感受“追尋守恒量”思想，認(rèn)識到碰撞中的守恒量是動量，理解動量變化的原因是力的沖量.

2.科學(xué)思維

學(xué)生能基于生活中的碰撞問題情境建構(gòu)較為抽象的物理模型；學(xué)生能正確使用物理思維方法，從定性和定量兩個方面進(jìn)行科學(xué)推理、找出動量變化與F的關(guān)系、推導(dǎo)動量定理，并能解釋各種“緩沖”實(shí)際問題；學(xué)生能經(jīng)歷批判性思維，能從動量定理和動能定理角度思考問題“量度”力，追求理論創(chuàng)新.

3.實(shí)驗(yàn)探究

學(xué)生在理解動量變化過程中經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)分析環(huán)節(jié)，應(yīng)用數(shù)學(xué)方法畫出動量的變化量；學(xué)生在動量定理的理解過程中經(jīng)歷數(shù)據(jù)論證環(huán)節(jié)，預(yù)測、評估、交流實(shí)驗(yàn)結(jié)果；學(xué)生可以在彈性實(shí)驗(yàn)探究過程中使用傳感器收集信息.

4.科學(xué)態(tài)度和責(zé)任

學(xué)生在“拯救地球”的情境中提升學(xué)習(xí)興趣、強(qiáng)化責(zé)任感；學(xué)生在基于證據(jù)和邏輯的問題串探究中發(fā)表自己的見解；學(xué)生在“高空拋蛋”和“最美媽媽吳菊萍”實(shí)例分析過程中更深感受STSE關(guān)系.

（二） 教學(xué)目標(biāo)思考——教育取向的課堂教學(xué)

教育取向的課堂教學(xué)以課堂教學(xué)為基礎(chǔ)或載體實(shí)現(xiàn)教育的目標(biāo)，即學(xué)生通過課堂教學(xué)活動實(shí)現(xiàn)身心積極、健康的變化.核心素養(yǎng)終歸是立足培養(yǎng)全面發(fā)展的人，教學(xué)目標(biāo)中的行為主體應(yīng)該是學(xué)生，設(shè)置的探究目標(biāo)必須是課堂上學(xué)生能夠?qū)崿F(xiàn)的，教學(xué)目標(biāo)的四個維度也應(yīng)該基于物理學(xué)科特點(diǎn)促進(jìn)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的發(fā)展.

三、教學(xué)過程

（一）引入新課——從同伴活動展示走向?yàn)?zāi)難拯救行動

1.本課“母問題”情境

導(dǎo)語：如圖1所示，這是前不久校本課上同學(xué)們展示的“雞蛋撞地球”的制作，在評判大家對雞蛋的碰撞效果時也在想這樣一個問題：如果從地球外來了幾個大大的“蛋”撞地球會怎樣？

播放電影“天地大沖撞”視頻（http：//v.baidu.com/movie/28365.htm？fr=ps_twala），提出拯救地球的準(zhǔn)備號召，如圖2所示（ppt展示），“所幸我們還有160多年的準(zhǔn)備時間”.

2.回顧式問題引出

導(dǎo)語：碰撞問題總有規(guī)律可循，千里之行始于足下，把碰撞問題研究的時空先遷移到我們的實(shí)驗(yàn)室.回顧探究“碰撞中”的不變量實(shí)驗(yàn).對運(yùn)動問題的研究，物理學(xué)家們的基本研究思想是“追尋守恒量”，上節(jié)課中，你的探究實(shí)驗(yàn)方案是什么？你發(fā)現(xiàn)碰撞中的不變量是什么？

3.引入教學(xué)建議

“雞蛋撞地球”是很多學(xué)校開展的活動，盡量選學(xué)生較為熟悉的或者設(shè)計新穎的作品.“天地大沖撞”視頻只播放影片中一巨石引起巨浪席卷美國紐約的一段視頻，主要是激發(fā)探究碰撞問題的動機(jī).

（二）新課教學(xué)——問題串探究學(xué)習(xí)

1.探究問題一：（它們）碰撞中的不變量

預(yù)設(shè)：質(zhì)量與速度的乘積.

導(dǎo)語：是的，我們很多同學(xué)都發(fā)現(xiàn)碰撞問題中“它們的質(zhì)量和速度的乘積即mv”在碰撞前后很可能是保持不變的，說明mv這個物理量具有特別的意義 ，我們把它定義為動量.

探究收獲一：描述運(yùn)動狀態(tài)的新概念——動量，p=mv.

回望：科學(xué)前輩們就是在追尋不變量的努力中，逐漸建立了動量的概念.展示笛卡爾、惠更斯、牛頓的動量概念完善歷程.

引問：站在巨人肩膀上審視“動量”概念要注意哪些要點(diǎn)？

引導(dǎo)學(xué)生歸納動量要點(diǎn)：瞬時性（描述狀態(tài)）；相對性（參考地面）；矢量性（平行四邊形法則運(yùn)算）.

教學(xué)建議：引導(dǎo)學(xué)生自己參照速度的特點(diǎn)來歸納出動量要點(diǎn).

2.探究問題二：（物體）動量的變化

引導(dǎo)觀察：現(xiàn)在我們就可以用建立的動量概念來描述碰撞中物體的運(yùn)動狀態(tài).

演示實(shí)驗(yàn)1：舉高的煮熟雞蛋落在講臺上.請同學(xué)用動量的概念描述雞蛋的運(yùn)動狀態(tài).目的是明確動量的矢量性，感受動量的變化.

演示實(shí)驗(yàn)2：彈力球自由下落碰到地面，彈回到原高處.抽象出例題1.

例1 一個質(zhì)量是0.01kg的彈力球，以6m/s的速度豎直向下撞地面，沿著同一直線以6m/s的速度豎直向上運(yùn)動，碰撞前后鋼球的動量有沒有變化？變化了多少？方向如何？

預(yù)設(shè)：學(xué)生在前例中能順利回答第一問，而對變化了多少有困難.

引導(dǎo)：矢量計算方法和矢量作圖法，讓學(xué)生在黑板演示矢量作圖法——“從減數(shù)指向被減數(shù)”.

拓展活動：平拋彈力球，碰撞地面后，對面的學(xué)生接住彈力球，抽象出拓展問題：若以大小6m/s與水平45°角速度碰撞地面，同樣大小與地面成45°角反彈，與地面碰撞前后鋼球的動量有沒有變化？變化了多少？方向如何？

引導(dǎo)：（預(yù)設(shè)如圖3所示）讓學(xué)生在黑板演示矢量作圖法.

探究收獲：某段運(yùn)動過程（或時間間隔）末狀態(tài)的動量p' 跟初狀態(tài)的動量p的矢量差，稱為動量的變化（或動量的增量），即[Δ]p= p'-p=mv' -mv，要關(guān)注矢量相加減.

教學(xué)建議：要考慮學(xué)生的接受程度，引導(dǎo)基礎(chǔ)較好的學(xué)生根據(jù)數(shù)學(xué)矢量運(yùn)算原則畫出動量變化量，可以先教師演示一維作圖，學(xué)生模仿二維矢量作圖.

3.探究問題三：（受力）變化的原因

問題：可見，碰撞中，對某物而言，動量會發(fā)生變化.那么變化的原因是什么呢？

引導(dǎo)：投影車禍圖，分析（某車）動量變化原因.撞后的車子發(fā)生了形變，形變的原因是什么？

預(yù)設(shè)：受到了外力.

問題對象：研究物體A（或物體B）受到的力F……

抽象問題模型：投影圖4.

引導(dǎo)學(xué)生推理：物體A受力，合外力F=ma，演繹推理出[F=ΔpΔt]，聯(lián)想總結(jié)比值定義的價值.

探究收獲：動量變化的原因是物體受力，而且物體動量的變化率等于物體所受的合外力.

教學(xué)建議：做好鋪墊引導(dǎo)，形變與力有關(guān)而動量變化（速度變化）與加速度與力有關(guān).

4.探究問題四：（效果）[Δp]與F的關(guān)系

引導(dǎo)：現(xiàn)在可以根據(jù)動量的變化率分析物體的受力情況了.

情景引入，還是一個雞蛋，這次是從高層釋放（圖片展示）.

例2 一個雞蛋，10樓窗臺釋放，設(shè)碰撞時間為0.01s，碰撞過程中雞蛋受到的平均作用力是多大？

引導(dǎo)學(xué)生估算：一個雞蛋的質(zhì)量0.05kg，10樓窗臺落地速度[v=2gh][=2×10×28m/s]

[≈] ，作用力F，比較一個雞蛋的重力mg=

拓展問題：地面對雞蛋的平均作用力是多大？

引導(dǎo)：動量的變化率對應(yīng)的是合外力，受力分析時要關(guān)注包括重力在內(nèi)受到的各個力.另外，大家可能還有疑問是什么讓雞蛋變得這么“重”呢？

實(shí)例分析：2011年感動中國最美媽媽吳菊萍（投影圖5），“她有一雙最柔弱的臂膀，也是2011年中國最有力的臂膀.”0.1s托起一個從10樓掉落下來的2歲小女孩.你能估算出平均作用力嗎？

情感引導(dǎo)：0.1s的力我算不出多大，因?yàn)樘筇蟆?/p>

探究收獲：可見，碰撞中，力對時間的積累非常有意思，物理上把這個有意義的量定義為沖量I=Ft.引導(dǎo)學(xué)生明確沖量的基本特點(diǎn)——矢量、過程量.

引導(dǎo)：我們再回頭看外力的沖量，[mv'-mv=Ft'-t=FΔt]，發(fā)現(xiàn)一個新的關(guān)于動量的關(guān)系式，定量的表示[Δp]與F的關(guān)系.

探究收獲：動量定理——物體在一個過程始末的動量變化量等于它在這個過程中所受 力的沖量.

活動分析：用10N的水平推力作用于水平地面上的桌子，作用時間5s，桌子始終靜止不動.則水平推力的沖量是多大？

預(yù)設(shè)討論：沖量50N·s，但動量變化量為零，矛盾嗎？你關(guān)于動量定理的理解覺得有什么需要重視？

探究總結(jié)：①表明合外力的沖量是動量變化的原因；②動量定理是矢量式，合外力的沖量方向與物體動量變化的方向相同；③合外力的沖量等于外力沖量的矢量和（積累）.

教學(xué)建議：一方面重視情感渲染實(shí)施安全教育、情感教育，另一方面要特別實(shí)施好規(guī)范應(yīng)用動量定理解決問題的基本程序.

5.探究問題五：（應(yīng)用）變量分析

引導(dǎo)：動量定理表明了力、時間、動量變化量之間的關(guān)系，我們看看生產(chǎn)生活中是如何利用這個規(guī)律的.（投影一組實(shí)物）

引導(dǎo)學(xué)生討論：如何減少作用力，理解“緩沖”.

預(yù)設(shè)：學(xué)生考慮是延長了作用時間，[Δp]一定，根據(jù)[F=ΔpΔt]分析，F(xiàn)減少.

拓展討論引導(dǎo)：是否是延長位移？教學(xué)意圖是反思比較動量定理與動能定理.

預(yù)設(shè)：學(xué)生考慮動能定理[Fs=12mv'2][-12mv2]，上面實(shí)例中動能變化一定，延長位移s，F(xiàn)減少.

拓展討論引導(dǎo)：如果等速彈性反彈，動能變化為零，但是速度大小不同，動能定理就難以分析.從動量定理角度能更好地分析“緩沖”力的問題.

探究小結(jié)：力對時間的積累與力對空間的積累，從不同的角度看力積累的效果.動量定理的本質(zhì)是牛頓第二定律，能更好地分析碰撞相關(guān)問題中的力與時間關(guān)系.

教學(xué)建議：動量定理分析緩沖問題要強(qiáng)調(diào)控制變量思維方法.另外，動能定理延長位移問題不要深究，避免教學(xué)“跑題”.

6.“彈性教學(xué)”探究活動：變力對時間的“積累”效果（選用部分）

問題：動量定理對變力問題的分析？

實(shí)驗(yàn)探究：指導(dǎo)學(xué)生利用傳感器記錄小球拉力與時間的關(guān)系，利用米尺測量小鋼球下落高度，估算細(xì)線直時的初速度，分析力與時間圍成的“面積”，分析合外力沖量與動量變化關(guān)系（如圖6所示）.

教學(xué)建議：對學(xué)習(xí)特別優(yōu)秀的學(xué)生，才展開此部分的“彈性教學(xué)”探究活動.引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷變力沖量求解方法（力與時間的面積），同時檢驗(yàn)動量定理.對普通學(xué)生可以采用簡要介紹的方式實(shí)施，也可以不開展.

四、教學(xué)過程回味

（一）引入教學(xué)思考——圍繞學(xué)生個性凸顯情境價值

問題情境尤其是“母問題”情境是整節(jié)課的物理“奇點(diǎn)”，如同大爆炸理論中的“奇點(diǎn)”，是整節(jié)課所有問題的“源頭”，其重要性可見一斑.母問題情境要彰顯“興趣”和“問題”兩個維度的情境價值.而“回顧”是新課教學(xué)的必要思維步驟，或隱性或顯性，無論形式怎樣，其關(guān)鍵是：回顧的教學(xué)動作要自然、自在，回顧的教學(xué)內(nèi)容要突出自主探究收獲和個性問題創(chuàng)新，回顧的教學(xué)引導(dǎo)要巧妙開啟學(xué)生的問題空間和思維空間.

（二）問題串探究思考——層層深入彰顯核心素養(yǎng)

精心編織的問題串、多梯度的問題預(yù)設(shè)、多角度的問題引導(dǎo)，把看似零散的概念、規(guī)律有機(jī)滲透在問題探究的全過程.依托問題串探究輻射出學(xué)生豐富的、深層的思維活動，也自然地衍生出完整的知識結(jié)構(gòu)，有機(jī)地把學(xué)生的認(rèn)知、思維、情感統(tǒng)一在課堂互動中.

教學(xué)過程中以符合學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)的問題串探究為主線不斷更新學(xué)生的物理觀念、以學(xué)生自主探究為中心的問題解決策略不斷強(qiáng)化學(xué)生的物理思維方法、以精悍的部分實(shí)驗(yàn)探究為手段不斷拓展學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力、以富含人文情懷和科學(xué)精神的問題情境潛移默化的培育著學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和責(zé)任感.