和曉東 張娜 蔡曉陽

(中山市第一中學(xué) 廣東 中山 528400) (中山市實驗中學(xué) 廣東 中山 528400) (汕頭市第一中學(xué) 廣東 汕頭 515041)

1 教材導(dǎo)入部分的編寫思路

人教版教材“實驗：探究碰撞中的不變量”一節(jié)中的導(dǎo)入部分編寫思路如下．首先，借助舉例說明“碰撞是自然界中常見的現(xiàn)象”；其次，通過實驗演示質(zhì)量相同及改變質(zhì)量使之相差較多的小球A和B懸掛相碰，分析碰撞前后兩球運動的變化，通過分析可知“兩個物體碰撞前后的速度都會發(fā)生變化，物體的質(zhì)量不同時速度變化的情況也不一樣”．最后，編者發(fā)問——碰撞前后會不會有什么物理量保持不變？

2 問題的提出

通過對演示實驗的分析，學(xué)生的確很容易知道質(zhì)量和速度變化之間是有關(guān)系的．但是，這里存在3個需要思考的問題：

一是學(xué)生能否自主發(fā)現(xiàn)質(zhì)量相同的A，B兩小球的碰撞規(guī)律，即質(zhì)量相等時速度交換.

二是他們能否主動拓展去思考質(zhì)量不同的A，B兩小球相碰又會有怎樣的特點．

三是在沒有過渡和引導(dǎo)的情況下，學(xué)生到底能否從“質(zhì)量不同，速度變化不同”直接跳躍式地自主想到“有什么物理量保持不變”．

這是逐漸進(jìn)階的3個問題，前兩個相對比較容易攻克，難的是第3個問題．

3 對問題的調(diào)查及結(jié)果分析

為了弄清上述3個問題，筆者專門對學(xué)生進(jìn)行了調(diào)查．

3.1 調(diào)查過程

為了更詳細(xì)地了解學(xué)生的思考過程，筆者采用調(diào)查表對學(xué)生進(jìn)行調(diào)查．

首先，在騰訊視頻客戶端下載了“超級對稱的牛頓擺”視頻．

與直接閱讀教材文本進(jìn)行反饋不同，筆者精心選擇了“超級對稱的牛頓擺”視頻讓學(xué)生觀看．該視頻展示了牛頓擺的多種不同玩法，其中包括分別拉起一個、兩個、三個小球由靜止釋放等，極具觀賞性，視頻中的部分現(xiàn)象如圖1和圖2所示．豐富多彩的物理現(xiàn)象不僅能讓學(xué)生形成多維的感受，還可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣．興趣是推動學(xué)習(xí)和思考的內(nèi)部動機[1]．

圖1 “超級對稱的牛頓擺”視頻截圖1

圖2 “超級對稱的牛頓擺”視頻截圖2

其次，編制并打印“超級對稱的牛頓擺”觀后記錄單．記錄單上要求學(xué)生在觀看完視頻之后，寫下最感興趣的問題以及對其背后原因的思考．

再次，利用視頻和記錄單對汕頭市第一中學(xué)(市重點中學(xué))高一年級的43位學(xué)生進(jìn)行調(diào)查，并回收全部記錄單．調(diào)查時間設(shè)在高一下學(xué)期末，此時學(xué)生已經(jīng)學(xué)完力學(xué)部分的相關(guān)知識，熟悉牛頓第二定律及能量守恒定律等，具備對牛頓擺現(xiàn)象的分析能力．

最后，對回收的記錄單進(jìn)行匯總分析．

3.2 調(diào)查結(jié)果

在回收的43份記錄單里，針對前文提出的問題進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，有4位學(xué)生思考了等效于教材中B球的運動本質(zhì)及規(guī)律的相關(guān)問題，占總?cè)藬?shù)的9%，學(xué)生基本上可以確定地得到“質(zhì)量相等時速度交換”的結(jié)論；有5位學(xué)生涉及“質(zhì)量不相等” 時小球的運動狀況思考，占總?cè)藬?shù)的11.6%，但其中僅有1位學(xué)生的原因猜想靠近了本節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容，即當(dāng)小球A的質(zhì)量小于B時，碰后B的高度小于A在碰前靜止釋放的高度，由此可分析得到教材中對演示實驗部分給出的結(jié)論——“兩個物體碰撞前后的速度都會發(fā)生變化，物體的質(zhì)量不同時速度變化的情況也不一樣．”沒有學(xué)生涉及到對“質(zhì)量與速度變化有某種關(guān)聯(lián)”問題的思考，雖然有3位學(xué)生認(rèn)為牛頓擺中暗含有某種規(guī)律，但也只是停留于直覺，并不能給出合理的猜想．

除此以外，還有9位學(xué)生在思考“碰撞中能量是否守恒”的問題，占總?cè)藬?shù)的20.9%；有4位學(xué)生在思考“牛頓擺的意義”，占總?cè)藬?shù)的9%；有8位學(xué)生在思考“為什么中間的小球保持不動”占總?cè)藬?shù)的18.6%；還有10位學(xué)生在思考其他相關(guān)問題．

綜上，我們可以發(fā)現(xiàn)，極少部分學(xué)生能夠發(fā)現(xiàn)質(zhì)量相同的A，B小球的碰撞規(guī)律；少部分學(xué)生能夠主動思考質(zhì)量不同的A，B小球相碰的特點；幾乎沒有學(xué)生能將碰撞小球的質(zhì)量與速度變化關(guān)聯(lián)起來，更談不上想到“有什么物理量保持不變”．但是，部分學(xué)生對于能量守恒的問題分析比較透徹，說明他們對于能量守恒的應(yīng)用掌握得比較透徹，然而也僅僅止步于應(yīng)用分析，即便是“質(zhì)量相等時速度交換”呼之欲出，這也反映出學(xué)生并不能很好地進(jìn)行知識的拓展和歸納．

由此可知，教材試圖通過碰撞的演示實驗來讓學(xué)生逐漸進(jìn)階地想到“有什么物理量保持不變”，這一活動并沒有想象的那么順利．

4 對調(diào)查結(jié)果的原因分析

為什么學(xué)生很難想到“有什么物理量保持不變”？筆者認(rèn)為，這一困難的關(guān)鍵在于缺乏對“不變性”的追尋意識．

正如德國物理學(xué)家勞厄所說：“物理學(xué)的任務(wù)是要發(fā)現(xiàn)普遍的自然規(guī)律，而且又因為這樣的規(guī)律性的最簡單的形式之一，是它表明了某種物理量的不變性，所以對于守恒量的尋求不僅是合理的，而且也是極為重要的研究方向．”[2]通過查閱資料可以發(fā)現(xiàn)，書中導(dǎo)入部分的演示實驗與當(dāng)年荷蘭物理學(xué)家惠更斯的碰撞實驗極其相似．惠更斯通過實驗發(fā)現(xiàn)“兩個物體所具有的運動量在碰撞中都可以增多或者減少，但是他們的量值在同一個方向的總和卻保持不變．”

與科學(xué)家們不同的是，學(xué)生的最大障礙正是在于缺乏對“不變性”的追尋意識．且不說讓學(xué)生由碰撞實驗主動想到“有什么物理量保持不變”，即使告知學(xué)生要“探究碰撞中的不變量”，學(xué)生也會有諸多的疑惑，比如“你怎么知道在碰撞中有物理量保持不變？”“為什么要探究不變量？”“是不是對于所有的現(xiàn)象都要想想有沒有不變量？”等．可是，如果說此前學(xué)生并沒有接觸過“守恒定律”，有這樣的想法再正常不過，然而事實是學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了能量守恒定律，依然還沒有這些想法就不算正常了．

讓人遺憾的是，在調(diào)查結(jié)果中不難發(fā)現(xiàn)，學(xué)生實則并沒有理解“守恒定律”背后真正的價值和意義，更不用談建立對“不變性”的追尋意識．因此，等到學(xué)習(xí)“探究碰撞中的不變量”時，學(xué)生根本無法主動想到“有什么物理量保持不變”，即使教材在空白處加上了說明，也只是顯得突兀和不知所云．

另外，學(xué)生很難想到“有什么物理量保持不變”的原因還在于拓展和歸納能力的缺乏．由于學(xué)生習(xí)慣于接納——應(yīng)用的學(xué)習(xí)模式，他們更多的是關(guān)注知識本身及其應(yīng)用，至于對知識的拓展和歸納則思考甚少，這就導(dǎo)致了即使是呼之欲出的推論，也無法向前邁步．

5 教學(xué)建議

針對以上的原因分析，筆者認(rèn)為，可從以下兩點突破“有什么物理量保持不變”的提問困難．

5.1 提前“埋種”建立學(xué)生對“不變性”的追尋意識

當(dāng)學(xué)生由“單擺小球似乎總能達(dá)到同樣的高度”這一現(xiàn)象學(xué)習(xí)完機械能守恒定律之后，教師需要“趁熱打鐵”地引導(dǎo)學(xué)生去感悟——白云蒼狗，滄海桑田，在這變幻無常的背后似乎存在一種不變的秩序，而科學(xué)正是在萬般變化中找到“不變性”，敏銳的科學(xué)家們早就感覺到了這一點．事實上，追尋 “不變性”正是科學(xué)思想的萌芽所在．通過借助生動的語言描述，讓學(xué)生體會“不變性”支配自然規(guī)律的震撼，從而將他們頭腦中的“守恒定律”從知識層面升華到意識層面．升華的過程還可以借助物理學(xué)史或者名人警句等，比如美國物理學(xué)家費恩曼曾說：“有一個事實，或者如果你愿意，也可以說一條定律，支配著至今所知的一切自然現(xiàn)象……這條定律稱作能量守恒……”

“除了機械能是守恒不變的，在我們的宇宙中，你覺得還有沒有其他的東西也可能是不變的呢？”這一順理成章的問題可以讓學(xué)生的思維發(fā)散開去．通過千百年對天體運動的觀察，人們似乎并沒有發(fā)現(xiàn)天體的運動有減少的現(xiàn)象.借此埋下“運動不滅”的種子——事實上，與能量一樣，“存在于宇宙中的運動的量永遠(yuǎn)是一樣的．因此，運動不能創(chuàng)造，只能轉(zhuǎn)移．”[3]

5.2 充足“施肥”引發(fā)對問題的主動生成

在“實驗：探究碰撞中的不變量”的第一課時，教師可以安排充足的時間給學(xué)生自主分析和討論，讓學(xué)生嘗試從受力、運動狀態(tài)、能量3方面去透徹地挖掘兩懸掛小球在碰撞中的各個規(guī)律及特點，并進(jìn)行拓展和歸納．打一個這樣的比喻，當(dāng)“種子”被施上“時間”的化肥后，會產(chǎn)生意想不到的化學(xué)反應(yīng)，他們或許會感覺到，在這個碰撞中，好像有什么東西沒有變，而且這個東西與小球的質(zhì)量和速度有關(guān)．在主動生成問題的前提下，才能進(jìn)行后續(xù)的實驗探究和物理量的定義等．

當(dāng)然，相比起 “填鴨式”的“高速”教學(xué)模式，這種方法看似費時，實則更能讓學(xué)生體驗到探索的樂趣和成就感，有效地促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維與探究能力的發(fā)展．