基于核心概念下的高效物理知识应用教学初探
2022-06-08
【论文摘要】新课程要求高中物理教学要突出科学领域中最基本的一些概念和重要规律，让学生的认知能力在形成概念、掌握规律的过程中得到充分发展。如何在教学中真正体现学生为主体，教师为主导，在有限的时间内抓住物理学中最本质、最核心的知识，提高学生的科学素养仍是值得研究的课题。本文以《小球碰撞》一节的教学为例，从生活中的物理情境出发，引出物理问题。通过一系列变式思考和物理问题的分析，使学生在原有认知的基础上，深入理解物理学的规律，构建合理的核心概念框架，提高学生综合应用学科观点、方法及知识解决实际问题的能力。
【论文关键词】核心概念；碰撞；应用
提高学生的科学素养是目前我国科学教育的一个基本目标，对科学概念的理解是科学素养中的重要组成。随着核心概念的提出，人们也逐渐意识到核心概念在教学中的重要意义。核心概念是指已经经过检验且位于学科中心，对广泛的自然事物和现象具有解释力，具有超越课堂之外的持久价值和迁移价值，具有很高的抽象与概括程度的关键性概念、原理和理论[1-7]。动量和能量的守恒作为高中物理的核心概念，在处理与动力学有关的问题中经常涉及。为了切实执行“教师为主导，学生为主体”的教学原则，进一步将“基本理解”转化为“基本问题”，以问题为驱动来精心设计教学活动，促进学生对核心概念的深入理解，笔者尝试将这种教学理念应用在动量守恒定律的应用——《小球碰撞》一节的教学中。
1教学内容分析
本节课是一节物理定律应用课，重点是学习“碰撞过程遵循的规律”。在学习了机械能守恒定律的基础上，学生学习了自然界中更为普遍的能量守恒定律；在学习了有关动量的概念和动量定理的基础上，学生通过实验探究和理论推导，得到了动量守恒定律，并指出它们都是自然界中最普遍、最基本的定理[8]。碰撞问题所研究的是两个或多个物体的运动情境，它们所构成的系统在运动过程中同时遵循能量和动量守恒定律。根据碰撞的特点，本教学过程从生活中打台球的实例中抽象出所要研究的物理问题，在此基础上进行一系列变式创设教学情境，吸引学生开动脑筋，恰当地利用数学表达式帮助学生理解动量和能量守恒的概念，进而体会物理学中守恒的思想。在处理问题的过程中发现问题、分析问题并及时解决问题，通过联系实际归纳总结碰撞问题遵循的规律，帮助学生实现对核心概念的深层次理解和迁移应用。
2教学流程
遵循学生的认知规律，重视方法的教学是新课程的教学理念，也是本节课的核心指导思想。据此，教学框架流程如下：
创设问题情境—核心概念—变式分析—总结提升—核心概念
在具体的教学活动中，主要通过以下环节展开：
1.从生活情境导入，引出物理问题
此环节的目的是通过情境引入，让学生领悟生活中物理问题的存在，将较简单的实际情境抽象为与之对应的物理问题，主动地投入到学习之中。通过抽象加工出的例题，让学生回顾、复习已经学习过的两个核心概念——动量守恒定律和能量守恒定律。通过进一步设问，借助学生头脑中已有的生活经验，强化学生对弹性碰撞问题的理解。
教师：播放生活中打台球的视频，抽象出物理问题：如果A、B两个小球的质量分别为mA和mB，小球A沿光滑水平面以速度v0与静止的小球B发生弹性正碰，求碰撞后A、B小球的速度分别是多少？
学生：根据题设条件分析，得出此碰撞过程为完全弹性碰撞，满足动量守恒和机械能守恒，据此可解出碰后小球A和B碰后的速度分别为：
vA=v，v=v。
教师进一步设问：据此讨论一下两小球各自的质量和碰后速度之间的关系，并举出身边的例子。
学生分析：当m>>m，vA=v，v=2v，比如铅球与相同体积的乒乓球发生正碰；当m=m，vA=0，v=v，比如两相同体积的铅球发生正碰，互换速度；当m<
此环节的目的是通过针对例题的两个变式，让学生通过思考和探讨，加深对核心概念的理解，提高学生在新物理情境中发现物理问题，并应用恰当的研究方法得出结论的应用和探究能力。
变式1在m、v恒定的条件下，若要求碰后小球B的动能取得极大值，m和mB需满足什么关系？若要求碰后小球B的动量取得极大值，m和mB需满足什么关系？
学生：由能量守恒和动量守恒，结合例题的分析可知：当m=mB，碰后小球B的动能取得极大值；当m<
学生：此碰撞属于完全非弹性碰撞，根据相关知识可得碰撞过程中系统机械能损失为：
ΔE=v。
对上式进行适当的数学处理，可知在mA、v0恒定的条件下，当mA<
3.变式迁移，达成对核心概念的深入理解
此环节的目的是通过认知冲突，让学生从更深层次理解核心概念，培养和发展学生在知识迁移应用时注意联系事实的思维能力，让学生自觉地把物理知识运用到具体的生活情境中，拉近物理与生活的联系，感受科学与社会和生活的联系，提高学生在新的情境下解决实际问题的能力。
变式3如果小球A以速度v0与静止的小球B发生正碰，碰撞后A球的动能变为原来的1/9，那么小球B的速度可能是
【论文关键词】核心概念；碰撞；应用
提高学生的科学素养是目前我国科学教育的一个基本目标，对科学概念的理解是科学素养中的重要组成。随着核心概念的提出，人们也逐渐意识到核心概念在教学中的重要意义。核心概念是指已经经过检验且位于学科中心，对广泛的自然事物和现象具有解释力，具有超越课堂之外的持久价值和迁移价值，具有很高的抽象与概括程度的关键性概念、原理和理论[1-7]。动量和能量的守恒作为高中物理的核心概念，在处理与动力学有关的问题中经常涉及。为了切实执行“教师为主导，学生为主体”的教学原则，进一步将“基本理解”转化为“基本问题”，以问题为驱动来精心设计教学活动，促进学生对核心概念的深入理解，笔者尝试将这种教学理念应用在动量守恒定律的应用——《小球碰撞》一节的教学中。
1教学内容分析
本节课是一节物理定律应用课，重点是学习“碰撞过程遵循的规律”。在学习了机械能守恒定律的基础上，学生学习了自然界中更为普遍的能量守恒定律；在学习了有关动量的概念和动量定理的基础上，学生通过实验探究和理论推导，得到了动量守恒定律，并指出它们都是自然界中最普遍、最基本的定理[8]。碰撞问题所研究的是两个或多个物体的运动情境，它们所构成的系统在运动过程中同时遵循能量和动量守恒定律。根据碰撞的特点，本教学过程从生活中打台球的实例中抽象出所要研究的物理问题，在此基础上进行一系列变式创设教学情境，吸引学生开动脑筋，恰当地利用数学表达式帮助学生理解动量和能量守恒的概念，进而体会物理学中守恒的思想。在处理问题的过程中发现问题、分析问题并及时解决问题，通过联系实际归纳总结碰撞问题遵循的规律，帮助学生实现对核心概念的深层次理解和迁移应用。
2教学流程
遵循学生的认知规律，重视方法的教学是新课程的教学理念，也是本节课的核心指导思想。据此，教学框架流程如下：
创设问题情境—核心概念—变式分析—总结提升—核心概念
在具体的教学活动中，主要通过以下环节展开：
1.从生活情境导入，引出物理问题
此环节的目的是通过情境引入，让学生领悟生活中物理问题的存在，将较简单的实际情境抽象为与之对应的物理问题，主动地投入到学习之中。通过抽象加工出的例题，让学生回顾、复习已经学习过的两个核心概念——动量守恒定律和能量守恒定律。通过进一步设问，借助学生头脑中已有的生活经验，强化学生对弹性碰撞问题的理解。
教师：播放生活中打台球的视频，抽象出物理问题：如果A、B两个小球的质量分别为mA和mB，小球A沿光滑水平面以速度v0与静止的小球B发生弹性正碰，求碰撞后A、B小球的速度分别是多少？
学生：根据题设条件分析，得出此碰撞过程为完全弹性碰撞，满足动量守恒和机械能守恒，据此可解出碰后小球A和B碰后的速度分别为：
vA=v，v=v。
教师进一步设问：据此讨论一下两小球各自的质量和碰后速度之间的关系，并举出身边的例子。
学生分析：当m>>m，vA=v，v=2v，比如铅球与相同体积的乒乓球发生正碰；当m=m，vA=0，v=v，比如两相同体积的铅球发生正碰，互换速度；当m<
此环节的目的是通过针对例题的两个变式，让学生通过思考和探讨，加深对核心概念的理解，提高学生在新物理情境中发现物理问题，并应用恰当的研究方法得出结论的应用和探究能力。
变式1在m、v恒定的条件下，若要求碰后小球B的动能取得极大值，m和mB需满足什么关系？若要求碰后小球B的动量取得极大值，m和mB需满足什么关系？
学生：由能量守恒和动量守恒，结合例题的分析可知：当m=mB，碰后小球B的动能取得极大值；当m<
学生：此碰撞属于完全非弹性碰撞，根据相关知识可得碰撞过程中系统机械能损失为：
ΔE=v。
对上式进行适当的数学处理，可知在mA、v0恒定的条件下，当mA<
3.变式迁移，达成对核心概念的深入理解
此环节的目的是通过认知冲突，让学生从更深层次理解核心概念，培养和发展学生在知识迁移应用时注意联系事实的思维能力，让学生自觉地把物理知识运用到具体的生活情境中，拉近物理与生活的联系，感受科学与社会和生活的联系，提高学生在新的情境下解决实际问题的能力。
变式3如果小球A以速度v0与静止的小球B发生正碰，碰撞后A球的动能变为原来的1/9，那么小球B的速度可能是