重构教材资源，促进学生科学思维发展

高亚浩 袁财容

摘   要：文章以“动量定理”教学为例，从学生思维发展特点出发，重构教材资源，优化教学设计，从而更好地培养学生的科学思维。

关键词：教材资源;科学思维;思维进阶

中图分类号：G633.7 文献标识码：A    文章编号：1003-6148（2019）11-0065-4

科学思维是物理学科核心素养的重要组成部分，发展学生的科学思维是物理教学的重要教学目标，教师应学会利用教材中的教学资源优化教学设计，培养学生的模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等能力[1]。教材中的教学资源主要包括课本中的插图、课后习题、思考与讨论、演示实验、STS、科学漫步和科学足迹等。笔者以人教版高中物理选修3-5第十六章第二节《动量和动量定理》一节的教学为例，谈谈如何重构教材资源，优化教学设计，让学生在课堂学习中实现思维进阶。

1    调整教学结构，关注学生科学思维发展的特点

物理学科的知识结构主要包括实验基础、理论推导、数学表达、思想方法、应用价值等内容。这些内容之间存在着紧密的逻辑关系。因此，教师在教学中要理清这种关系，不必拘泥于教材资源，对教材编排的教学内容，或者内容呈现的顺序及方式进行精心地组织和调整，使其更符合学生科学思维发展的特点。2017年版《普通高中物理课程标准》中指出了科学思维发展的五个水平，仔细分析可以发现，五个水平之间呈递进关系，每个水平都有不同的侧重点。水平一强调了物理模型的建构，对应科学思维中的模型建构能力;水平二对模型建构能力提出了更高的要求，在此基础上强调了对物理现象的分析和推理，对应科学思维中的科学推理能力;水平三对模型建构、科学推理都提出了更高的要求，并强调用恰当、实用的证据表达观点，对应科学思维中的科学论证能力;水平四对模型建构、科学推理、科学论证提出了更高的要求，此外重点强调了对已有理论提出有依据的质疑，对应科学思维中的质疑创新能力;水平五则体现了科学思维的总体要求。由此可以看出，学生模型建构、科学推理、科学论证和质疑创新能力的发展是呈一定的递进关系。因此，在教学时教师也应按照学生科学思维发展的特点进行教学。

人教版《动量和动量定理》一节，教材在第一节探究实验的基础上直接给出动量的定义，并从物理学史的角度加以认识，然后通过例题提出动量的变化，加深对动量和动量变化的矢量性的理解。关于动量定理，教材先是在恒力作用的情况下由牛顿第二定律推导出动量定理的表达式，之后用微元法分析出动量定理不仅适用于恒力也适用于变力。最后，通过垒球、易碎物品包装，码头悬挂旧轮胎以及“科学漫步”的汽车碰撞实验来展现动量定理在生活中的广泛应用[2]。

笔者认为，直接提出“动量”“冲量”和“动量定理”的概念，会让学生对为什么要提出新的物理概念认识不深刻，也不利于科学思维的培养。理论推导出动量定理的表达式后就直接应用动量定理解决实际问题，缺少实验验证环节，教学过程的整体性和连贯性不强。教材中的应用例题采用了击打模型，而推导动量定理的模型却是碰撞模型，在新课教学环节没有基于学生视角，不利于学生的理解应用。

调整后的教学结构如下：

首先，从“暴走鸡蛋的跳楼实验”提出要研究的碰撞问题，引导学生从实验出发，建构简化的物理模型，发展学生的模型建构能力;其次，引导学生运用已有知识“牛顿第二定理”推导出“Ft=mvt-mv0”，将其与“动能定理”类比，建立 “动量”“冲量”“动量定理”概念，发展学生的科学推理能力;再次，借助DIS数字化实验 “验证动量定理”并分析实验误差，总结动量定理的适用条件和注意事项，发展学生的科学论证能力;最后，围绕学生的易错点设置有梯度的例题，让学生利用动量定理解决实际问题。调整后的教学结构，既体现了重视物理概念的形成过程和物理规律的得出过程，也体现了重视模型建构、科学推理、科学论证、实验验证等科学思维的培养过程。

2    优化教学环节，实现学生科学思维的培养

教师应精心设计教学环节，构建合理的教学情境和教学梯度，促进学生科学思维的培养。因此，教师在进行教学设计时，应做好以下四点：第一，深度解读教材，优化教材资源，帮助学生认识客观事物的本质属性、内在规律及相互关系;第二，开展丰富的学生活动，通过学生熟悉的问题情境激疑生趣，使其能基于经验事实抽象概括和建构物理模型，促进学生科学思维的发展;第三，补充学生实验，引导学生经历分析、归纳等逻辑推理过程;第四，改善实验方案或实验装置，使实验现象或实验结果更加直观、形象，规律的得出过程更加严谨，让学生体验质疑和批判、检验和修正的科学思维过程。

2.1    實验引入，构建碰撞模型

实验引入既能大大提高学生的学习兴趣，也有助于学生对碰撞模型获得最直观的认识。建构模型是一种重要的科学思维方式，教师在教学中要让学生体会建构物理模型的思维方法，学会如何通过建构物理模型来研究实际问题。笔者在引入环节重构教材资源，通过以下两步实现思维进阶：

（1）演示“暴走鸡蛋的跳楼实验”（图1）：让鸡蛋落在做好的容器中的海绵上，鸡蛋完好;第二次将同样的鸡蛋从同样的高度释放后落在容器中的木板部分，鸡蛋破碎。

提出问题：鸡蛋与接触面碰撞过程中受到的冲击力与哪些因素有关？

（2）构建简化的物理模型（图2），提示学生应用牛顿第二定律推导碰撞过程中的冲击力的表达式。

在该环节，让学生充分感知从生活现象获得物理知识的过程，通过学生活动体验如何对物理现象进行加工、想象形成理性判断，再通过构建简化物理模型，培养学生利用物理知识解决生活现象的能力。这样的教学设计，从学生熟悉的情境设置问题，层层推进，符合学生的思维发展规律。

2.2    建立动量和冲量概念，发展学生的科学推理能力

（1）遵循学生的思维认知规律，在类比中提出动量和冲量以及动量定理的概念

学生独立推导出F=m ，师生一起讨论、总结得出表达式的适用条件是恒力，无法解决实际的碰撞过程，在这种情况下就需要引入新的物理概念，将结果变形得到：Ft=mvt-mv0。

教师引导学生从表达式的形式联想到动能定理Fx= mv  - mv  ，再拓展到自然界的任何规律都满足一个过程量对应一个状态量的变化，在类比中得出mv是状态量，Ft是过程量，提出动量和冲量的概念。

在该教学环节中，将教材中“科学足迹”栏目“历史上关于运动量度的争论”的相关内容引入课堂，还原了历史争论，带领学生经历物理概念的建构过程和物理规律的形成过程，这是对教材资源的合理重构，也让学生在学习的过程中体验了物理规律发现的逻辑思维过程。

（2）从恒力到变力，迁移知识，实现思维进阶

如图3，可以从恒力冲量的计算方法，过渡到F-t图像的面积表示冲量，再提出力随时间先增大后减小的变力的冲量如何计算？也可借助“微元法”计算出t时间内的冲量即为F-t图像的面积。从定性和定量两个方面对力的冲量计算进行科学推理、找出规律、形成结论，在师生讨论中引导学生从浅到深地思考问题，激发高阶思维的发生。

2.3    拓展教材资源，验证动量定理，发展学生的科学论证能力

介绍完动量定理的表达式，提出问题：动量定理是理论推导出来的，在实际碰撞中是否成立呢？我们还需要做什么？学生能回答出需要实验验证。教师展示实验仪器（图4），介绍DIS系统的工作原理，指导学生自主操作实验，并根据测出的碰撞前后的速度，计算碰撞前后的动量的变化量，与借助软件计算出的F-t图像的面积进行对比，得到实验结论。

从理论推导过渡到实验验证，形成了严密的思维论证过程。学生在观察、实验的基础上通过科学推理和科学论证得到结论，加深了对动量定理的理解和内化，也体验了物理规律的得出过程和科学推理的思维过程。比传统的仅从理论推导得出动量定理，再填鸭式地告诉学生动量定理适用于变力，更有利于培养学生的科学思维能力。

2.4    合理纠错，迁移知识，发展学生的质疑创新能力

在教材中，列举了生活中的很多实例，也计算了球棒击球过程中的变力平均值。笔者认为，在应用环节可以紧扣碰撞模型展开，充分暴露学生的易错点，让学生互相糾错，激发学生质疑思维的发展。

在教学时，笔者围绕两道例题和一个视频开展，具体内容如下：

例1 2010年8月19日，四川航空一架A321客机在5100米高空和飞鸟相撞，导致飞机受损。假设与飞机相撞的这只小鸟的质量为1 kg，以20 m/s的速度水平迎面撞上速度为720 km/h的飞机并粘在飞机上，而飞机并没有因为与鸟相撞而改变速度。若小鸟撞飞机的作用时间是0.002 s，试求出：

（1）碰撞过程中，小鸟动量的变化量？

（2）碰撞过程中，飞机受到的撞击作用力是多大？

该道例题设置了两个问题，第1问旨在强化学生对动量定理矢量式的理解，第2问在第1问的基础上应用动量定理的表达式求解变力。矢量性是动量定理应用的易错点，所以在应用时需让学生充分暴露并强化。这道题另外的用途就是，通过对计算数据的分析，让学生体会小鸟撞飞机的力，在课堂上给学生普及机场附近“净空”的重要性（图5）。

例2 质量为m的鸡蛋，从高度h=0.8 m处自由落到硬质地面上，如果作用时间Δt=0.01 s，求鸡蛋受到地面的撞击作用力是多大？若落在弹性地面上，从接触地面到速度为零，作用时间Δt'=0.2 s，此时受到的撞击作用力是多大？（g取10 m/s2）

解 以鸡蛋为研究对象，在与地面碰撞之前自由落体，刚与地面接触时，鸡蛋的速度为：v0= ，经过Δt=0.01 s时间后，速度vt=0，对鸡蛋与地面碰撞过程分析，取竖直向上为正方向，则

代入数据可得：F=41mg

由牛顿第三定律可知：

由牛顿第三定律可知：

该例题既做到了对课堂的前后呼应，又通过习题教学，使学生在科学思维、探究能力、实践意识、科学态度等方面得到有效提升，激发了高阶思维的发生。将“暴走鸡蛋的跳楼实验”问题转化为定量计算的应用习题，对学生的抽象思维、构建物理模型、受力分析及运动过程分析、动量定理矢量性等学科综合知识提出较高要求。学生思考求解的过程，就是思维逐步深入、知识逐步内化的过程。

教材中还有其他的应用举例，笔者将教材中的应用举例进行有效整合，采取分类教学：一类是延长作用时间来减小冲击力，另一类是减小作用时间增大冲击力。通过制作教学视频分类呈现动量定理的应用，相比教材中的图片展示，更能引起学生的兴趣，提高了教学的有效性。

3    结  语

只有符合学生科学思维发展的特点，充分调动其生活经验的教学资源，才能更有效地培养学生的科学思维能力。教师可以在教材已有教学资源的基础上，适当补充，合理重构，在教学中重视概念的形成过程和规律的发现过程，重视和生活相关的实际应用，精心优化教学设计，使教学内容更符合学生思维发展的特点，实现学生在学习过程中的科学思维发展。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2]人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.物理选修3-5[M].北京：人民教育出版社，2018.（栏目编辑    张正严）