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)）