楊光明
摘 要:“科學(xué)思維”作為物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要要素之一,其培養(yǎng)并非一蹴而就,需要循序漸進(jìn)。本文以近年來(lái)高考全國(guó)卷“動(dòng)量守恒定律”試題為例,分析在物理問(wèn)題解決中如何注重不同科學(xué)思維水平的進(jìn)階應(yīng)用,逐步培養(yǎng)學(xué)生的模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等能力品質(zhì)。
關(guān)鍵詞:物理核心素養(yǎng);科學(xué)思維;進(jìn)階應(yīng)用;高考題;動(dòng)量守恒定律
中圖分類號(hào):G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1003-6148(2018)8-0073-4
“科學(xué)思維”作為物理學(xué)科核心素養(yǎng)的主要要素之一,成為普通高中物理課程的重要培養(yǎng)目標(biāo)?!镀胀ǜ咧形锢碚n程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》(下稱“新版課程標(biāo)準(zhǔn)”)明確指出:“科學(xué)思維”是從物理學(xué)視角對(duì)客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識(shí)方式;是基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)建構(gòu)物理模型的抽象概括過(guò)程;是分析綜合、推理論證等方法在科學(xué)領(lǐng)域的具體運(yùn)用;是基于事實(shí)證據(jù)和科學(xué)推理對(duì)不同觀點(diǎn)和結(jié)論提出質(zhì)疑和批判,進(jìn)行檢驗(yàn)和修正,進(jìn)而提出創(chuàng)造性見解的能力與品格?!盵1] 然而,普通高中學(xué)生科學(xué)思維的養(yǎng)成并非一蹴而就,需要循序漸進(jìn),需要在物理問(wèn)題解決中進(jìn)階式培養(yǎng)學(xué)生的模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等能力品質(zhì)。
1 分析依據(jù)
“新版課程標(biāo)準(zhǔn)”[1]指出的科學(xué)思維水平及其表現(xiàn)內(nèi)容,如表1所示。
“新版課程標(biāo)準(zhǔn)”對(duì)“動(dòng)量守恒定律”部分的內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)要求:“理解沖量和動(dòng)量。通過(guò)理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn),理解動(dòng)量定理和動(dòng)量守恒定律,能用其解釋生產(chǎn)生活中的有關(guān)現(xiàn)象。知道動(dòng)量守恒定律的普適性。通過(guò)實(shí)驗(yàn),了解彈性碰撞和非彈性碰撞的特點(diǎn)。定量分析一維碰撞問(wèn)題并能解釋生產(chǎn)生活中的彈性碰撞和非彈性碰撞現(xiàn)象。體會(huì)用守恒定律分析物理問(wèn)題的方法,體會(huì)自然界的和諧與統(tǒng)一?!盵2]
從“新版課程標(biāo)準(zhǔn)”要求水平來(lái)看,對(duì)動(dòng)量及動(dòng)量守恒定律內(nèi)容部分要求水平屬于較高的“理解”水平。近年高考全國(guó)卷物理試題中以各種題型從不同角度考查學(xué)生對(duì)動(dòng)量及動(dòng)量守恒定律相關(guān)內(nèi)容的理解及其應(yīng)用,體現(xiàn)出動(dòng)量及動(dòng)量守恒定律內(nèi)容在高考試題中極其重要的地位,相關(guān)內(nèi)容考查情況見表2。
2 實(shí)例分析
以物理學(xué)科核心素養(yǎng)中科學(xué)思維進(jìn)階表現(xiàn)水平及其內(nèi)容為依據(jù),對(duì)近年來(lái)高考全國(guó)卷試題中涉及的“動(dòng)量守恒定律”內(nèi)容進(jìn)行分析。
案例1 (2017年全國(guó)Ⅰ卷14題)將質(zhì)量為1.00 kg的模型火箭點(diǎn)火升空,50 g燃燒的燃?xì)庖源笮?00 m/s的速度從火箭噴口在很短時(shí)間內(nèi)噴出。在燃?xì)鈬姵龊蟮乃查g,火箭的動(dòng)量大小為(噴出過(guò)程中重力和空氣阻力可忽略)( )
A.30 kg·m/s B.5.7×102 kg·m/s
C.6.0×102 kg·m/s D.6.3×102 kg·m/s
分析 該題在思維水平上要求學(xué)生在熟悉的問(wèn)題情境中應(yīng)用常見的物理模型,能對(duì)比較簡(jiǎn)單的物理現(xiàn)象進(jìn)行分析和推理,獲得結(jié)論??梢詫⒃擃}歸納至“新版課程標(biāo)準(zhǔn)”中科學(xué)思維水平等級(jí)的“水平2”。例如,該題涉及的“熟悉的問(wèn)題情境”:反沖運(yùn)動(dòng)和火箭?;鸺巧钪谐R姷奈锢砟P?,利用反沖的原理,靠噴出氣流的反沖作用而獲得巨大的速度。題干中模型火箭噴出的燃?xì)庾饔糜谀P突鸺^(guò)程,由于時(shí)間很短滿足動(dòng)量守恒的條件,模型火箭所獲得的動(dòng)量大小等于噴出燃?xì)獾膭?dòng)量大小,即:
p=mv=0.05 kg×600 m/s=30 kg·m/s
案例2 [2015·全國(guó)Ⅰ·35(2)]如圖1所示,在足夠長(zhǎng)的光滑水平面上,物體A、B、C位于同一直線上,A位于B、C之間。A的質(zhì)量為m,B、C的質(zhì)量都為M,三者均處于靜止?fàn)顟B(tài)?,F(xiàn)使A以某一速度向右運(yùn)動(dòng),求m和M之間應(yīng)滿足什么條件,才能使A只與B、C各發(fā)生一次碰撞。設(shè)物體間的碰撞都是彈性的。
分析 通過(guò)審題,該題可以歸納至“新版課程標(biāo)準(zhǔn)”科學(xué)思維水平的等級(jí)“水平3”;題目?jī)?nèi)容屬于學(xué)生熟悉的問(wèn)題情境——碰撞中動(dòng)量守恒定律的應(yīng)用;根據(jù)需要選用恰當(dāng)?shù)奈锢砟P徒鉀Q簡(jiǎn)單的物理問(wèn)題——彈性碰撞;能對(duì)常見的物理現(xiàn)象進(jìn)行分析和推理,獲得結(jié)論并作出解釋。
根據(jù)題意,足夠長(zhǎng)的光滑水平面上,A以某一速度向右運(yùn)動(dòng),求m和M之間應(yīng)滿足什么條件,才能使A只與B、C各發(fā)生一次碰撞(設(shè)物體間的碰撞都是彈性的)。
首先,是A、C之間發(fā)生彈性碰撞,一個(gè)動(dòng)的碰撞一個(gè)靜的發(fā)生彈性碰撞,存在一個(gè)動(dòng)量守恒和一個(gè)機(jī)械能保持不變,聯(lián)立可求出碰后A、C的速度表達(dá)式。根據(jù)條件要使A、C碰后,A還要與B碰撞, 因此A的速度必須反向向左,C的速度向右。
設(shè)A運(yùn)動(dòng)的初速度為v0,A向右運(yùn)動(dòng)與C發(fā)生碰撞,
案例3 [2016·全國(guó)Ⅰ·35(2)]某游樂(lè)園入口旁有一噴泉,噴出的水柱將一質(zhì)量為M的卡通玩具穩(wěn)定地懸停在空中。為計(jì)算方便起見,假設(shè)水柱從橫截面積為S的噴口持續(xù)以速度v0豎直向上噴出;玩具底部為平板(面積略大于S);水柱沖擊到玩具底板后,在豎直方向水的速度變?yōu)榱?,在水平方向朝四周均勻散開。忽略空氣阻力。已知水的密度為ρ,重力加速度大小為g。求:
(1)噴泉單位時(shí)間內(nèi)噴出的水的質(zhì)量;
(2)玩具在空中懸停時(shí),其底面相對(duì)于噴口的高度。
分析 該題需要將較復(fù)雜的實(shí)際問(wèn)題中的對(duì)象和過(guò)程轉(zhuǎn)換成物理模型,需要學(xué)生能在新的情境中對(duì)綜合性物理問(wèn)題進(jìn)行分析和推理,獲得正確結(jié)論并作出解釋,具有一定的新穎性。屬于“新版課程標(biāo)準(zhǔn)”中科學(xué)思維進(jìn)階表現(xiàn)水平的較高等級(jí)“水平5”。
成功解答該題需要學(xué)生能建立柱狀模型,能應(yīng)用動(dòng)量定理解題,一方面能構(gòu)建卡通玩具受力平衡的模型,進(jìn)而分析其受力的來(lái)源,“順藤摸瓜”找到水流柱對(duì)卡通玩具的反沖力。另一方面是應(yīng)用模型轉(zhuǎn)化的思維,因?yàn)閲娚涞乃鞅旧聿皇枪潭ㄐ螤?,學(xué)生需要將其轉(zhuǎn)化為某一段時(shí)間內(nèi)噴射的水流形成的水流柱對(duì)卡通玩具的平均作用力(隱含的時(shí)間參數(shù)可以消除),應(yīng)用動(dòng)量定理進(jìn)行分析和推理,從而獲得結(jié)論。
此外,該題對(duì)于“連續(xù)”質(zhì)點(diǎn)系發(fā)生持續(xù)作用的考查,需要學(xué)生具有這樣的進(jìn)階思維:物體動(dòng)量(或其他量)連續(xù)發(fā)生變化這類問(wèn)題需要正確選取研究對(duì)象,即選取很短時(shí)間Δt內(nèi)動(dòng)量(或其他量)發(fā)生變化的這部分物體作為研究對(duì)象,該題中需要建立如下的“柱狀模型”:在時(shí)間Δt內(nèi)所選取的研究對(duì)象均分布在以S為截面積、長(zhǎng)為vΔt的柱體內(nèi),這部分質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量為Δm=ρSvΔt,以這部分柱狀體為研究對(duì)象,研究它在Δt時(shí)間內(nèi)動(dòng)量(或其他量)的變化情況,再根據(jù)動(dòng)量定理(或其他規(guī)律)求出有關(guān)的物理量。
模型是抽象的,尤其是在新的物理問(wèn)題情境中構(gòu)建模型、轉(zhuǎn)換模型,對(duì)于學(xué)生具有相當(dāng)?shù)碾y度。題目的復(fù)雜性往往不在于該題本身有多難,而在于其新的問(wèn)題情境,這種情境對(duì)學(xué)生而言通常是新穎的、陌生的,需要學(xué)生具備遷移應(yīng)用、創(chuàng)新的問(wèn)題解決能力。
3 結(jié) 語(yǔ)
科學(xué)思維作為物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成部分,即使在以往的高考試題中也較為突出。“新版課程標(biāo)準(zhǔn)”明確提出科學(xué)思維水平及其表現(xiàn)內(nèi)容,將作為未來(lái)考試命題的重要依據(jù)。近年來(lái),相關(guān)研究[3-4]較多地關(guān)注習(xí)題教學(xué)中的科學(xué)思維進(jìn)階應(yīng)用,與之不同的是,本文通過(guò)對(duì)高考實(shí)例進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),盡管考試命題內(nèi)容所呈現(xiàn)出的科學(xué)思維水平不一樣,但把握準(zhǔn)在復(fù)雜問(wèn)題情境中的研究對(duì)象,以及將其順利轉(zhuǎn)化為熟悉的物理模型,就能在新的物理情境中對(duì)綜合性物理問(wèn)題進(jìn)行準(zhǔn)確分析和正確推理,就能逐步解決物理問(wèn)題。這需要一方面在物理教學(xué)中注重培養(yǎng)學(xué)生對(duì)生活中新技術(shù)應(yīng)用的關(guān)注意識(shí),以適應(yīng)各種“新情境”;另一方面要熟悉各種物理模型及其適用條件,力爭(zhēng)達(dá)到舉一反三、觸類旁通的靈活應(yīng)用程度。
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(欄目編輯 李富強(qiáng))