核心素养视域下的“动量”教学设计

欧剑雄 许芙蓉

（1.福建省普通教育教学研究室，福建福州 350003；2.福建省莆田第五中学，福建莆田 351100）

“动量”是物理学中非常重要的一个概念，理解和掌握“动量”概念对学生形成清晰、系统的运动与相互作用观至关重要.然而，由于“动量”概念本身比较抽象晦涩，学生又缺乏直观体验，因此长期以来“动量”都是高中物理教学的一个难点.作为初学者，学生往往无法理解为什么在有了速度和动能等概念之后还要引入“动量”.而在物理学史上，“动量”概念的建立过程也是曲折且艰辛的.教学时，引导学生追寻科学家的脚步，经历科学探究过程，逐步建构动量概念，既有利于学生形成和理解动量概念，又能让学生从中体会丰富的科学思想、科学方法和人文底蕴，促进学生在问题解决过程中提升物理学科核心素养.

1 核心素养视域下的“动量”教学目标设计

本节是人教版（2019版）高中物理选择性必修第1册第1章第1节的内容.与旧版（2007版）相比，新版保留了从寻求碰撞中的不变量引入“动量”概念的设计思路.［1］这样的编排遵循物理学对守恒量不懈追求的宗旨.但要转变学生脑海中认为碰撞与动能有关的迷思概念，仍需要教师具有极大的教学智慧.课程标准要求学生“理解动量”.［2］这要求教师创设物理情境引导学生亲历动量概念的形成过程，能解释并应用于不同的生活情境.

在此之前，学生已经学习过矢量及其运算法则，能正确理解速度、动能和动能定理等物理概念和规律，较为熟练地掌握传感器、光电门等实验操作，对“守恒”这一重要思想也有初步的认识.此外，学生在数学课上已经系统学习过“二分法”，对生活中的碰撞现象也有一定的感性体验.这些都为本节课的教学奠定了基础.根据课程标准和核心素养的育人目标，结合教材及学情，本节课的教学目标设计如下.

1.1 物理观念

（1）形成观念.通过定性体验和定量计算，从而初步建立动量概念；通过分组实验验证小车碰撞前后动量之和保持不变，知道动量概念建立的必要性及其意义，从守恒角度进一步理解动量概念；通过经历实验数据分析和例题计算，理解动量是矢量.

（2）解决问题.能应用动量概念计算实验中小车的动量变化量，解决与动量有关的简单问题.

1.2 科学思维

（1）模型建构.在“钩码落体—撞击实验”中，能选用自由落体运动模型解决测量钩码速度的问题.

（2）科学推理.能应用匀变速直线运动规律或动能定理分析推理钩码质量减半后绳子刚好断裂时对应的高度.

（3）科学论证.在“钩码落体—撞击实验”和“小车碰撞”分组实验中，能利用已有知识、通过实验论证自己的观点.

（4）质疑创新.能从匀变速直线运动和动能定理两个角度计算钩码落体的速度；通过物理学史，感受并学习先辈们对已有知识的质疑创新精神.

1.3 科学探究

（1）问题.通过课前小游戏，知道撞击效果与速度、质量有关，针对撞击效果与速度、质量的定量关系问题提出有依据的猜测.

（2）证据.在“小车碰撞实验”中，能根据提供的仪器，正确实施实验，获取实验数据.

（3）解释.在“钩码落体—撞击实验”中，观看实验现象，会解释实验现象并总结实验结论；在“小车碰撞实验”中，能分析数据，发现其中规律，形成合理的结论.

（4）交流.通过组内合作完成实验，提升与他人交流的意愿和能力.能准确表达、评估实验探究的结果.

1.4 科学态度与责任

（1）科学本质.经历了动量概念的建立过程，认识到物理学是人类对自然现象的描述和解释；感受物理概念引入的必要性，体会物理学是不断发展的.

（2）科学态度.通过物理学史、一个游戏加两个实验，培养尊重事实、严谨认真的科学态度；提升学习和研究生活中物理问题的兴致和能力，养成善于思考、勤于动手、乐于与他人交流合作的习惯.

（3）社会责任.通过动量概念对生活安全常识的解释，感悟物理的实用价值，提高安全意识.

2 核心素养视域下的“动量”教学思路设计

根据拟定的教学目标，本节课的教学设计以“科学探究”为主线，在探究中引入、建立和完善“动量”概念，最后以其解决实际问题收尾，如图1所示.

图1 “动量”教学设计思路

本节课以互动小游戏导入课堂，让学生对撞击效果与什么因素有关有初步的感性认识，并据此抛出要解决的问题“撞击效果与速度、质量之间有怎样的定量关系”；根据猜想设计“钩码落体—撞击实验”，通过实验得出结论“质量与速度的乘积相同时，撞击效果相同”，从而建立“动量”概念.在畅游物理学史中通过小车碰撞实验，从守恒角度进一步阐释“动量”概念的物理意义，完善动量概念，同时强调动量的矢量性.最后以学生实验数据为依托，求解小车碰撞前后的动量变化量，在概念的应用中拉下本节课的帷幕.

3 核心素养视域下的“动量”教学环节设计

3.1 游戏体验，引入概念

教师先用乒乓球以较大的速度撞击某学生的背部，再用瑜伽球分别以较小和较大的速度撞击该学生的背部，同时请另一个男生做好现场保护以防摔倒.根据该学生反馈被撞击的感受，提出问题：撞击效果与哪些因素有关？学生回答与速度、质量有关.

而后教师引导学生根据自己的判断猜测撞击效果与速度、质量之间的定量关系.学生提出两种猜想，其一为：撞击效果与质量成正比、与速度成正比，即质量与速度的乘积相同时，撞击效果相同；其二为：撞击效果与质量成正比、与速度平方成正比，即动能相同时，撞击效果相同.

设计意图：在互动游戏中引入本节课的核心问题——碰撞，让学生亲自感受、观察撞击效果的影响因素，并据此提出合理猜想，为后续定量分析实验的开展做铺垫.游戏活跃了课堂气氛，营造了轻松愉快的教学氛围，能有效吸引学生的注意力，让学生集中思维，更快进入课堂.

3.2 撞击实验，建立概念

要验证两种猜想究竟哪一种是正确的，需要通过实验来一探究竟.教师介绍如图2 的实验装置，细绳一端固定在铁架台上，另一端系一钩码，将钩码从不同高度由静止释放，当钩码释放的高度足够高时，细绳将会断裂.然后通过以下问题串，引导学生利用该装置设计实验方案，验证自己的猜想.

图2 钩码落体撞击实验装置

问题1：如何保证钩码下落后被细绳拉住瞬间的撞击效果相同？

问题2：如何测量钩码被细绳拉住前瞬间的速度？

问题3：如何找到细绳刚好断裂时对应的钩码高度？

问题4：实验过程还有哪些需要注意的事项？

学生思考讨论后，回答上述问题：令相同的绳子刚好断裂说明撞击效果相同；钩码被细绳拉住前的运动可视为自由落体运动，因此可通过测量自由落体的高度间接算得钩码的速度；借助数学工具——二分法能够更快速地找到细绳刚好断裂时对应的钩码高度；由于钩码下落后细绳将被拉长，所以即便细绳没有断，每次实验后也都需要重新更换细绳.

教师演示实验1：取质量为100 g的钩码进行实验，发现钩码自由下落的高度为10 c m 时细绳不会断裂，高度为20 c m 时细绳会断裂.学生根据二分法确定接下来应该进行高度为15 c m 的实验.依次类推，测得细绳刚好断裂时钩码自由下落的高度为15－16 c m.

而后提出问题5：根据刚才的两种猜想，若改用质量为50 g的钩码进行实验，则高度为多少时细绳刚好会断裂？

学生根据动能定理或自由落体运动公式推理得出结论：若质量与速度的乘积相同时撞击效果相同，则高度应该为60－64 c m；若动能相同时撞击效果相同，则高度应该为30－32 c m.

教师演示实验2：改用质量为50 g的钩码进行实验，发现钩码自由下落的高度为60 c m 时细绳不会断裂，高度为64 c m 时细绳会断裂.

师生根据上述实验结果共同总结实验结论：猜想一正确，即当质量和速度的乘积相同时，撞击效果相同.以此引入概念：在物理学中，质量和速度的乘积mv称为物体的“动量”.

教师再为学生介绍相关物理学史：早在1638年，意大利物理学家伽利略就通过对落体和撞击现象的研究，总结出该结论，并最早提出“动量”概念，给出动量的定义.

设计意图：用随手可得且熟悉的实验器材完成了撞击效果的呈现，既揭露了科学本质，又降低了该实验的探究门槛.通过问题串的形式引导学生设计和完善实验步骤、思考实验注意事项，培养了学生的科学推理和科学探究能力.通过该实验引入“动量”概念，学生能更深刻体会动量概念引入的必要性，能有效转变学生脑海中原有的碰撞与动能有关的迷思概念，突破本节课的教学难点.

3.3 还原历史，完善概念

教师引导学生思考物理学家引入“动量”概念背后的深层次原因.伽利略为什么会去研究这样的撞击实验？为什么会提出“动量”概念？因为千百年来人类对天体运动的观察结果表明，在人类观察精度内宇宙运动并没有出现减小的迹象，于是欧洲文艺复兴时期许多自然哲学家开始思量自然界的运动，他们认为宇宙运动的总量不会减小，只要能够找到一个合适的物理量来量度运动，就会看到运动的总量是守恒的.

伽利略就是这领域的一位开拓者，他最早通过撞击实验提出“动量”概念.随后，笛卡儿、惠更斯等继承了伽利略的思想，并通过碰撞实验进一步完善了“动量”概念.也就是说，笛卡尔、惠更斯通过碰撞实验证明了：用伽利略提出的“动量”概念来量度运动时，运动的总量是保持不变的.

而后还原历史，让学生通过分组实验验证碰撞前后两车的动量之和保持不变.教师介绍实验仪器，如图3 所示.为了让实验的结论更具普遍性，教师为学生准备了3种不一样的分组实验.分组实验1：用运动的大质量小车碰静止的小质量小车.分组实验2：用运动小车碰静止的等质量小车.分组实验3：用运动的小质量小车碰静止的大质量小车.

图3 小车碰撞实验装置

通过以下问题串引导学生完善实验方案.

问题1：本实验需要测量哪些物理量？

问题2：上述物理量该如何测量？

问题3：实验前，挡光片和光电门的位置应怎样摆放，才能较准确地测量小车碰撞前后的速度？

学生思考讨论后回答上述问题：需要测量两小车的质量和两小车碰撞前后的速度；质量可通过天平测量，速度可通过测挡光片宽度和挡光时间间接计算获得；挡光片应尽可能靠近光电门以准确测量碰撞前后小车的速度，减小实验误差.

而后学生进行分组实验，获得实验数据，并进行数据分析.教师组织学生进行展示交流，师生共同得出结论，在前两组实验中，多组实验表明：在实验误差允许范围内，碰撞前后两小车的动量之和不变.但是在第3组实验中，碰撞前后两小车的动量之和发生了较大变化.

教师启发学生思考，是不是第3 组实验中碰撞前后两小车动量之和不守恒？如果不是，那会是什么原因造成？第3组实验与前两组实验有什么区别？

学生思考后发现第3组实验中质量小的小车碰撞后反弹，速度方向发生变化.而动量是物体质量和速度的乘积，故动量可能也是矢量，数据处理时应考虑动量的方向.考虑方向后，师生共同重新处理实验数据，发现第3 组实验中碰撞前后两小车的动量之和也保持不变.两次数据处理表格如表1 所示.由此得出实验结论：两辆小车碰撞前后，动量之和保持不变；动量是矢量，其方向与速度方向相同.

表1 第3组实验数据处理

设计意图：结合物理学史，感受并学习先辈们对自然界的不懈追求，渗透科学思维、科学探究等核心素养的培养，启发学生勤于思考，鼓励学生大胆质疑和创新，激发学生学习物理的兴趣.结合现代实验仪器，提高实验效率和精确度，设计3种不同碰撞实验，使实验结果更有普适性.分组实验提升学生动手操作能力，在重现先辈们的碰撞实验过程中，体会自然界的和谐与统一，让学生对引入动量这一概念的必要性和重要性有了更为深刻的体会，对守恒量有更深刻的理解.在第3 组实验中，引导学生思考实验“误差大”背后的原因，在解决问题的过程让学生知道动量的矢量特性，有效突破本节课的重点.

3.4 结合实际，应用概念

教师播放多媒体，展示某小组第3 组实验的数据（如表1），提出问题：碰撞前后两车动量分别变化了多少.引导学生在解题之后总结：动量是矢量，一维矢量运算要规定正方向，并遵循矢量运算定则.

设计意图：通过实例计算，既与前面的实验呼应，又让学生在解决实际问题的过程中加深对动量的理解，强化一维矢量运算能力，提升物理解题的规范性.以学生的实验数据作为例题，彰显了物理学科的实用性，体现了物理学科从生活中来又服务于生活的特点，让学生感受物理魅力的同时，提升学习物理的兴致.同时，图表信息的呈现方式有助于培养学生的信息获取和加工能力.