在科学探究中提升科学思维*——以“探究碰撞中的不变量”为例

石晓兰 王延楠 刘世洪

(北京市十一学校 北京 100039)

近年来，核心素养成为基础教育领域热议的话题，各个学科都倾力培养学生的核心素养．物理核心素养包括“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度和责任”4 个方面[1]，科学探究强调提出问题、收集证据、给出解释和深入交流；科学思维侧重模型构建、科学推理、科学认证和质疑创新．

动量是物理学中一个极其重要的概念，历史上动量概念的提出经历了曲折漫长的过程．动量概念是物理学家基于认知规律，经历了“知识逻辑”“实验探索”后提炼出的精华．“探究碰撞中的不变量”这堂课可以帮助学生亲历物理学家发现守恒量的重要历程，是一次提升物理核心素养的好契机[2,3]．下面以“探究碰撞中的不变量”一课为例，探索物理教师如何在遵循认知规律，强化知识、提升技能、培养科学价值观的同时，在科学探究中提升学生的科学思维．

1 教学过程设计

1.1 提出问题

1.1.1 体验自然界多种碰撞类型

首先通过视频展示(例如汽车安全碰撞测试、天体相撞、击打乒乓球等)，体会碰撞的两个特点：作用力大、作用时间短．

1.1.2 观察现象，构建模型，培养物理直觉

情境创设：演示牛顿摆实验，如图1所示，先将左边的球1拉开一定角度，与其余的球碰撞，学生观察现象发现规律．

(1)如果左边拉起3个球，同学们能猜到碰撞后的结果吗？

(2)你发现了什么有趣的规律？

图1 牛顿摆

设计意图：从各种碰撞类型到牛顿摆小球碰撞，完成模型构建．牛顿摆实验场面震撼，利用奇特而又充满规律的现象吸引了学生的注意力，调动了其积极性，通过观察学生会形成直觉，即左边抬起几个球，右边就有几个球同时弹起，直接体验守恒量的存在，从而培养学生的观察能力和物理直觉[4]．

1.2 从碰撞效果科学猜想出相关物理量

(1)碰撞中的规律直接体现在碰撞的效果上，寻找碰撞中的守恒量第一步，我们是不是可以先探索哪些物理量会影响碰撞效果？你觉得哪些物理量可能影响碰撞效果？

(2)你能不能设计一个简单的方案来验证速度/质量对碰撞效果的影响？

(3)之前我们学过哪些和质量、速度都相关的物理量？

(4)碰撞中的不变量还可能是什么形式？

学生猜想(列举其中2种)：

(1)

(2)

设计意图：从碰撞效果猜测相关物理量符合一般的认知规律和科学猜想过程．通过问题驱动的形式，引导学生大胆猜想碰撞中的不变量．学生观察现象一般会想到碰撞前后动能不变，将实验现象与已学知识联系．

1.3 确定实验方案

1.3.1 体会一般到特殊的物理研究方法

(1)碰撞的类型多种多样，如果你想验证猜想，是先研究最复杂的碰撞，还是最简单、最典型的碰撞？

(2) 你觉得最简单的碰撞情形是什么？

教师展示研究对象：两辆小车.

(3)怎么保证这两辆车进行一维碰撞？

1.3.2 目标驱动，明确任务细节

(1) 我们的实验目的是什么？

(2)依据实验目的，需要测量什么物理量？测完后如何处理数据？

1.3.3 从实际出发，合理选择测速手段

(1)我们学过哪些测速手段？

学生回答：打点计时器、超声波测速仪、光电门、频闪照相.

(2)这4种测速手段中，每一种都适用吗？哪些方案更具有可行性？

学生小组讨论：论证哪些方案可行.

设计意图：引导学生将已学知识与实际情景联系起来，结合实际选择最优方案，论证打点计时器和频闪照相在此实验中的弊端，即无法测量小车反弹情况下的速度．借此锻炼学生的知识应用能力，真正做到学以致用．

1.4 探究多种碰撞类型

实验仪器：电子称，小车(两辆)，配重条，普通直轨道，光电门及配套Pasco实验数据采集系统，如图2所示．小车两侧分别是磁扣和粘钩，磁扣相对时实现弹性碰撞，粘钩相对时实现完全非弹性碰撞．

图2 探究多种碰撞类型实验仪器

我们要寻找的是多种碰撞情形中的不变量，所以探究应该体现碰撞的多样性．由于碰撞效果与质量、速度有关，故需要不同组选取的质量不同．为了减小轨道与小车之间摩擦力对被测速度的影响，光电门离碰撞发生点不能太远．此外，同极磁扣相对时发生弹性碰撞时，磁力作用距离和作用时间均较长，在该过程内测得的小车速度不是碰撞前后的速度，所以光电门的间距不能过近．合理确定光电门与小车的位置关系，才能够达到研究碰撞前后不变量的目的，这对学生的分析、观察能力要求很高．

小组成员分工合作，进行实验．学生扫描二维码，通过手机将数据和实验结果输入在线协作的石墨表格，石墨文档网页呈现形式如图3所示．

图3 在线协作石墨文档效果图

1.5 科学推理交流创新

1.5.1 分析数据，科学推理初步结论

每组根据所测数据及计算结果，得出初步结论， 评估和交流各组实验数据和结论.本文中只摘录其中2组数据，针对学生猜想的式(1)和式(2)进行分析.第2组数据及处理结果如表1所示.

表1 第2组(粘钩相对)实验数据及处理结果

碰撞前碰撞后碰撞前后相对差异/%(m1v1+m2v2)/(kg·m·s-1)12m1v21+12m2v22()/J(m1v1′+m2v2′)/(kg·m·s-1)12m1v1′2+12m2v2′2()/J动量动能0.270.140.250.066.3455.82

学生结论：本组的碰撞类型是碰后粘在一起运动，发生碰撞的两物体碰撞前后的质量与速度的乘积保持不变．

1.5.2 质疑创新，交流比较其他的数据

师：第3组数据(表2)碰撞前后mv之和相对差异很大，误差是否来源于操作失误？

表2 第3组(磁扣相对)实验数据及处理结果

碰撞前碰撞后相对差异/%(m1v1+m2v2)/(kg·m·s-1)12m1v21+12m2v22()/J(m1v1′+m2v2′)/(kg·m·s-1)12m1v1′2+12m2v2′2()/J动量动能0.190.070.290.0654.559.20

生：已多次检查，没有操作失误，我们做的另一组数据的相对差异就很小．

开展小组讨论.

讨论结果：速度的方向不同，取红车(碰撞小车)原来的方向为正方向，反弹的速度应为负值，修正计算结果，如表3所示．

表3 第3组数据修正后的处理结果

学生得出结论：发生碰撞的两物体碰撞前后的质量和速度的乘积之和是不变量，且具有方向性．

设计意图：分析数据得出结论的过程培养了学生的科学推理能力．实验后，笔者发现学生已经非常适应在线协作的学习方式，甚至有不少学生通过网络学习用Excel函数处理数据的方法，提升了有益个人终身发展和社会发展需要的关键能力，践行了核心素养的理念．通过实测数据，学生能更真切地体会到碰撞中的不变量是个矢量．

1.6 教师深化解释

大量的实验证明，我们今天探究到的不变量mv同样适用于其他复杂的碰撞情况，并且mv不仅碰撞前后不变，而且在整个过程中都不变，它是一个守恒量．

大多数碰撞是在极短时间内发生的，比如汽车碰撞、钢球碰撞，这增加了研究的复杂性，使得研究碰撞过程非常困难．但是我们关心的通常只是碰撞后的结果，借助守恒量，我们能跳过中间复杂的过程，只看碰撞前后的状态，大大简化了研究过程，这也是物理学家为什么那么钟爱寻找守恒量的一个原因．

2 教学反思

本节课的教学设计立足于学生的认知规律， 在充分激起学生兴趣的同时，引领学生在科学探究的过程中进行总结．学生作为课堂主体，充分融入教学过程中，在科学探究中渗透科学思维，学习研究问题的科学态度、科学方法和科学精神．笔者在平时教学中广泛使用石墨文档促进教学，教师只需要在课前将链接发送到班级群．所有学生无须注册便可多人同时编辑文档，能实时收集学生的实验数据和预习过程中的问题，实现了所有人同时共享数据的功能，不仅大大提高了教学效率，也引导学生正确使用手机促进学习．