江蘇省蘇州中學(xué)（215007） 朱亞軍

2021 年10 月27 日，江蘇省中小學(xué)教學(xué)研究室“教學(xué)新時空·名師課堂”在昆山震川高級中學(xué)舉行，何勇軍老師執(zhí)教的公開課《反沖現(xiàn)象 火箭》特色鮮明：踐行以學(xué)生發(fā)展為本的理念，充分利用多種實驗和現(xiàn)代教育技術(shù)，緊扣反沖現(xiàn)象以及火箭的特點，設(shè)計“用心看”“用心做”和“用心悟”三個環(huán)節(jié)，創(chuàng)設(shè)豐富的具身教學(xué)情境，強化了學(xué)生的具身體驗，點明重點，澄清疑點，掃除盲點，突破難點，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和熱情，調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性。教學(xué)中，何老師讓學(xué)生在具身情境中分析、思考問題，在解決問題的過程中汲取知識，提高學(xué)生的科學(xué)探究能力和科學(xué)思維能力，讓學(xué)生在潛移默化中提升物理學(xué)科核心素養(yǎng)。這堂課，巧妙穿插介紹了我國神舟十三號載人飛船的發(fā)射、三位航天員的登天和中國空間站的建造，寓愛國主義和民族自豪感教育于物理課堂教學(xué)之中，充分發(fā)揮了物理學(xué)科教育在立德樹人中的作用。接下來，筆者與大家分享何勇軍老師這堂公開課教學(xué)的幾個設(shè)計亮點。

一、用心看——觀察演示現(xiàn)象，思考物理規(guī)律

（一）設(shè)疑激趣，引入反沖現(xiàn)象

上課伊始，何老師請學(xué)生觀察一個演示實驗：慢慢地把自來水倒進(jìn)小車后部的圓筒中，塞緊蓋子后，將小車靜置于水平長木板上，如圖1 所示，請學(xué)生耐心等待，教室里鴉雀無聲，一段時間后，在少數(shù)學(xué)生耐不住性子之際，突然“嘭”的一聲，瓶蓋向右沖出圓筒，小車快速向左運動，兩者快速運動過程的一幀圖片如圖2 所示。實驗現(xiàn)象非常明顯，實驗效果十分震撼，也恰好說明進(jìn)行科學(xué)探究需要足夠的耐心、恒心和毅力，不能急躁，要耐得住性子。該實驗充分激發(fā)了學(xué)生的好奇心和求知欲。為什么會發(fā)生上述現(xiàn)象？何老師請學(xué)生根據(jù)自己的觀察和思考表述觀察到的現(xiàn)象，引入反沖現(xiàn)象的概念。

圖1

圖2

（二）釋疑解惑，認(rèn)識反沖運動

首先，何老師引導(dǎo)學(xué)生仔細(xì)觀察展示反沖現(xiàn)象的“慢”視頻。通過觀察，學(xué)生發(fā)現(xiàn)反沖的液體中有一個白色的塊狀物，它是什么東西呢？它是泡騰片。

泡騰片是一種含有泡騰崩解劑的片劑，通常由有機(jī)酸和碳酸氫鈉混合而成。泡騰片放入水中之后，有機(jī)酸和碳酸氫鈉在水中發(fā)生復(fù)分解反應(yīng)，快速產(chǎn)生大量二氧化碳?xì)怏w，使片劑迅速崩解和融化，大量的二氧化碳?xì)馀菔蛊瑒┰谒猩舷路瓭L，好像沸騰一樣。

原來在上課之前，何老師做了精心設(shè)計和充分準(zhǔn)備，預(yù)先在反沖小車后部的圓筒中放置了一片泡騰片。因此在課堂上做演示實驗時，他只是輕描淡寫地往小車后部的圓筒中加了一些水，便塞緊瓶蓋將圓筒靜置于水平桌面。這時，泡騰片中的有機(jī)酸和碳酸氫鈉與水不斷發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生越來越多的二氧化碳?xì)怏w，從而使得圓筒內(nèi)的壓強逐漸增大，最終克服阻力沖開瓶蓋，發(fā)生反沖現(xiàn)象。

啟示：物理學(xué)是一門實驗科學(xué)，需要充分利用各類資源做實驗，以探索自然界的奧秘和規(guī)律?；瘜W(xué)等學(xué)科能夠為物理學(xué)科教學(xué)提供一些理論和實驗支持。學(xué)生在高中階段要努力學(xué)好每一門學(xué)科，力爭各學(xué)科全面發(fā)展，打好攀登科學(xué)高峰的基礎(chǔ)。

接著，何老師請學(xué)生從如下三個視角分析反沖現(xiàn)象發(fā)生的原因：（1）動力學(xué)視角，改變小車運動狀態(tài)的力是誰施加的？（2）動量視角，該過程中動量守恒嗎？為什么？（3）能量視角，該過程中機(jī)械能守恒嗎？為什么？

學(xué)生經(jīng)過激烈討論和充分交流，逐步認(rèn)識到反沖運動有如下三個特點：（1）反沖運動中，物體的不同部分在內(nèi)力作用下向相反方向運動；（2）反沖過程中，相互作用的內(nèi)力一般情況下遠(yuǎn)大于外力或在某一方向上內(nèi)力遠(yuǎn)大于外力，所以兩部分組成的系統(tǒng)動量守恒或者在某一方向動量守恒；（3）反沖過程中，因為有其他形式的能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，所以系統(tǒng)的總動能增加。

二、用心做——做好反沖運動實驗，嘗試舉一反三

（一）具身實驗，體驗反沖運動

讓學(xué)生利用預(yù)先準(zhǔn)備好的氣球、廢舊飲料瓶、吸管、接水盤、玩具小車、長木板、鐵架臺等實驗器材，三人一組，相互協(xié)作，完成如圖3 所示的三個實驗。要求學(xué)生用心觀察發(fā)生的現(xiàn)象，經(jīng)歷實驗操作的全過程，并從動力學(xué)視角、動量視角、能量視角思考各種實驗現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。

圖3

何老師友情提醒學(xué)生：注意講究衛(wèi)生，每一小組的氣球由一名學(xué)生吹，不要多人輪換吹；接水盤和飲料瓶之間的距離可以適當(dāng)近一些，飲料瓶中不要加太多水，以免飲料瓶旋轉(zhuǎn)起來后，噴出來的水灑到接水盤外面，使實驗臺不能保持干燥、整潔；組裝反沖小汽車時，注意合理分工，相互配合，共同完成實驗操作。

學(xué)生實驗的器材均為日常生活中隨處可見的物品，不僅體現(xiàn)“從生活走向物理，從物理走向社會”的新課程理念，而且踐行著名物理教育家朱正元先生倡導(dǎo)的“壇壇罐罐當(dāng)儀器，拼拼湊湊做實驗”的物理教學(xué)主張。“通俗易懂，簡易便攜”是實驗學(xué)科教學(xué)最重要的特征之一。這樣的實驗，不僅可以激發(fā)學(xué)生的好奇心和求知欲，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且可以提高學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新意識。

（二）聯(lián)想遷移，應(yīng)用反沖運動

（1）如圖4是三峽水電站70萬千瓦水輪機(jī)示意圖。三峽工程是當(dāng)今世界上綜合效益最大的水利樞紐，有航運、防洪、發(fā)電等十多種功能。三峽大壩高程185米，蓄水高程175 米，不僅發(fā)揮了巨大的防洪效益和航運效益，而且依靠所安裝的32 臺單機(jī)容量為70 萬千瓦的水輪發(fā)電機(jī)組，每年提供大約1000 億千瓦時的清潔能源，有效緩解了我國電力不足的問題，減少了二氧化碳的排放量，發(fā)揮了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

圖4

何老師結(jié)合最近一段時間以來我國部分地區(qū)拉閘限電的情況，介紹綠色能源的開發(fā)和利用，點出要不斷加快生態(tài)文明建設(shè)，促進(jìn)我國經(jīng)濟(jì)和社會健康、可持續(xù)發(fā)展，潛移默化地引導(dǎo)學(xué)生樹立環(huán)保意識和節(jié)約能源意識，以更好地倡導(dǎo)綠色生活，共建和諧、美好的家園。

（2）觀察射擊者端槍水平射擊的視頻，截圖如圖5所示。請學(xué)生思考射擊時為什么要用肩膀頂著槍托。

圖5

射擊時，如果不用肩膀頂著槍托，以子彈和槍身組成的系統(tǒng)為研究對象，內(nèi)力遠(yuǎn)大于外力，系統(tǒng)水平方向的動量守恒，子彈射出后，槍身反沖運動會以一個很大的速度撞擊射擊者的身體，將會對射擊者造成傷害。反之，射擊時，如果用肩膀頂著槍托，槍身和人體可視為一個反沖的整體，總質(zhì)量大大增加，在子彈射出的過程中，槍身和人體獲得的反沖加速度和速度都比較小，根據(jù)牛頓第二定律可知人體受到槍托的力將大大減小，從而確保射擊者的人身安全。

（3）觀察大炮的射擊視頻，截圖如圖6 所示。炮彈射出時，炮身反沖現(xiàn)象非常明顯，請學(xué)生思考炮彈和炮身組成的系統(tǒng)是否滿足動量守恒的條件。

圖6

學(xué)生討論發(fā)現(xiàn)，在發(fā)射炮彈的過程中，炮彈和炮身組成的系統(tǒng)總動量不守恒，但系統(tǒng)在水平方向的動量可近似認(rèn)為守恒，為擊中目標(biāo)，要考慮速度分解和炮身反沖對炮彈速度大小和方向的影響，說明物理知識在軍事科學(xué)技術(shù)中具有重要的應(yīng)用。

（4）觀察烏賊的運動視頻，截圖如圖7 所示。烏賊是一種軟體動物門頭足綱烏賊目的動物，并不屬于魚類。烏賊在海水中的運動速度比魚類快得多，最高時速可達(dá)150 公里，主要原因是魚類靠鰭和身體不斷搖擺，獲得水的反作用力，進(jìn)而向前運動，而烏賊從前部吸入水后，壓縮身體，利用腹部的管狀噴口高速噴水，直接獲得很大的反沖速度。這真是動量守恒定律在生物進(jìn)化中的神來之筆。

圖7

（5）2021 年10 月16 日，我國神舟十三號載人飛船成功發(fā)射，順利與空間站組合體完成自主快速交會對接，將翟志剛、王亞平、葉光富3 名航天員送入太空，進(jìn)駐天和核心艙。3 名航天員將按計劃開展為期半年的相關(guān)實驗探索活動，這標(biāo)志著我國航天事業(yè)迎來新的歷史發(fā)展階段，我國開始邁向世界航天強國行列。何老師靈活滲透愛國主義和民族自豪感教育，鼓勵學(xué)生發(fā)奮讀書，掌握科學(xué)文化知識，積極鍛煉身體，增強體質(zhì)，并立志報效祖國，為實現(xiàn)中華民族的偉大復(fù)興而努力學(xué)習(xí)。

三、用心悟——察物析理，解釋火箭運動

何老師利用視頻回顧學(xué)生課余發(fā)射自制水火箭時的震撼場景（如圖8 所示），結(jié)合反沖運動的特點，引導(dǎo)學(xué)生定量分析如下一系列問題。

圖8 自制水火箭

設(shè)水火箭靜止時的總質(zhì)量（含水、橡皮塞）為M0，發(fā)射瞬間噴出物（橡皮塞、水）的質(zhì)量為m，噴出時的對地速度為u，請據(jù)此回答：

（1）水火箭為什么可以升空？

（2）定量計算發(fā)射瞬間水火箭增加的速度Δv。

（3）升空一段時間后，水火箭的總質(zhì)量（含水、橡皮塞）變?yōu)镸，速度變?yōu)関，極短時間內(nèi)又向后噴出質(zhì)量為m的水，噴出時水的速度（以此時的水火箭為參照物）大小仍為u，計算本次噴水使水火箭增加的速度Δv。

（4）若把火箭升空的過程等效為N次噴氣過程，每次噴氣方式與（3）相同，那么N次噴氣后火箭的速度變?yōu)槎嗌伲?/p>

（5）如果上述過程中，噴出氣體的速度以火箭為參照物，那么N次噴氣后火箭的速度變?yōu)槎嗌伲?/p>

（6）討論影響火箭最終速度的基本因素，解釋火箭實際采用三級發(fā)射的原因。

上述從簡單到復(fù)雜的問題鏈，降低了教學(xué)坡度，使學(xué)習(xí)難度逐步增加，可有效引導(dǎo)學(xué)生拾級而上，逐步掌握火箭速度變化的規(guī)律，有效化解火箭反沖速度變化的難點，使學(xué)生在不知不覺中提高問題分析能力、建構(gòu)模型能力、推理論證能力、等效思維能力和參考系變換能力，提升物理學(xué)科核心素養(yǎng)。與此同時，還可讓學(xué)生把人類社會積累的知識轉(zhuǎn)化為自身的知識和觀念，把前輩開展智力和探究活動的思想、方法、策略轉(zhuǎn)化為自身的認(rèn)識能力和思維方式，把蘊含在知識載體中的觀念、態(tài)度轉(zhuǎn)化為自身的行動準(zhǔn)則。

縱觀本節(jié)課，教學(xué)活動既尊重教材，又不拘泥于教材，清晰展現(xiàn)了教材內(nèi)容、結(jié)構(gòu)、重點、難點等；通過精心設(shè)計的教學(xué)方案，把學(xué)生對物理知識的汲取轉(zhuǎn)化為問題的解決，將問題解決融入恰當(dāng)?shù)那榫持校瑵u漸提升學(xué)生各方面的能力和素養(yǎng)。本節(jié)課，教學(xué)目標(biāo)明確，教學(xué)內(nèi)容準(zhǔn)確、精當(dāng)，教學(xué)預(yù)設(shè)精準(zhǔn)，教學(xué)過程有趣、有用、有效，教學(xué)活動井然有序，由淺入深，層層遞進(jìn)，有效引導(dǎo)學(xué)生質(zhì)疑和創(chuàng)新，提高了學(xué)生的認(rèn)知水平和能力。本節(jié)課教學(xué)針對性強，尊重學(xué)生，從學(xué)生的實際情況出發(fā)，密切聯(lián)系日常社會生活實際，使經(jīng)驗性常識向物理概念轉(zhuǎn)變。本節(jié)課以培養(yǎng)興趣為前提，誘發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性；以指導(dǎo)觀察為基礎(chǔ)，增強學(xué)生的體驗性；以發(fā)展思維為重點，著眼創(chuàng)新性；以分析和解決問題為手段，突出實踐性；以陶冶情操為動因，秉承立德樹人、德育為先；以愛為核心，指引學(xué)生不斷前進(jìn)。事實上，教學(xué)不僅是師生生命河流的互相融通，更是師生生命河流的互相碰撞，進(jìn)而成就彼此的波瀾和壯闊。

綜上所述，本節(jié)課以具身認(rèn)知理論為指導(dǎo)，精心創(chuàng)設(shè)具身情境，密切聯(lián)系實際，引領(lǐng)學(xué)生在調(diào)動經(jīng)驗常識的基礎(chǔ)上通過多種實驗獲得親身體驗，激發(fā)學(xué)生的好奇心和求知欲。讓學(xué)生在趣味性和挑戰(zhàn)性兼具的情境中認(rèn)識課題，在啟發(fā)性和互動性兼具的情境中討論實際問題，在體驗性和自主性兼具的情境中親歷知識建構(gòu)過程，在探究性和合作性兼具的情境中探究未知領(lǐng)域，在應(yīng)用性和發(fā)散性兼具的情境中解決實際問題，以學(xué)得真知識，習(xí)成硬本領(lǐng)，精進(jìn)高素養(yǎng)。本節(jié)課，教學(xué)過程生動有趣、銜接自然、高潮迭起、大膽創(chuàng)新，既有廣度，又有深度，更有家國情懷。如能在教學(xué)過程中穿插介紹人類歷史上第一個嘗試?yán)没鸺w行的人——萬戶，更能培養(yǎng)學(xué)生的探索精神和安全意識；如能進(jìn)一步強調(diào)熱愛自然、珍愛生命、愛護(hù)環(huán)境、厲行節(jié)約和促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展等，一定能讓本節(jié)課更加大放異彩。