基于核心概念下的高效物理知识应用教学初探

陈振

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。

关键词：核心概念；碰撞；应用

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2016）1-0022-3

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 << m ，vA=-v ，v =0，比如乒乓球与相同体积的铅球发生正碰。

2.变式比较，实现对核心概念的基本理解

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 << mB时，碰后小球B的动量取得极大值，为pB=2mAv0。

变式2 若两个小球A和B碰撞后粘在一起共同运动，则在碰撞过程中系统机械能损失了多少？并据此分析mA和 mB在满足什么关系时系统机械能损失最大，并举例说明。

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<< mB时系统机械能损失最大，为 mv ，比如子弹打入墙体的过程。

教师：碰撞过程涉及碰撞的能量传递和转化。实际的碰撞过程，系统损失的机械能转化为系统的内能和声能，但总的能量是不变的，即满足能量守恒定律。

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 （ ）

A. v0 B. v0

C. v0 D. v0

学生：大部分学生会直接根据动量守恒定律

mAv0+0=mAvA+mBvB及p2=2mEk，易得选项A、B正确。

变式4 如果碰后小球A的动能变为原来的1/4，则碰后小球B的速度可能是多大？

学生：类比上面的分析得出两个结果，分别为v0/4和3/4v0。

教师：这两个问题就这样解决了吗？在碰撞发生的过程中，要满足哪些规律？（让学生讨论这两个变式的结果）

学生讨论，教师巡视点拨。

学生：变式4的第一个结果，碰后小球A的速度依然大于小球B的速度，不符合实际；第二个结果碰后总的动能增加了，不符合实际。所以，这种情况不可能发生。变式3经过验证，符合实际情况。

4.总结提升，建立科学概念

教师：总结一下解决碰撞问题要遵循的原则。

学生：（1）系统动量守恒原则；

（2）不能违背能量守恒原则（动能不增加）；

（3）物理情景可行性原则：

①若碰前同向运动：碰撞前，小球A追上小球B发生碰撞，所以有碰前vA>vB；碰撞时，两球之间是斥力作用，因此前者受到的冲量向前，动量增加；后者受到的冲量向后，动量减小，即碰撞后A球位置在后，所以有v'A≤v'B。

（下转第27页）（上接第23页）

②若碰前相向运动：碰后两物体的运动方向不可能都不改变。

5.反馈练习，巩固科学概念

练习题：A、B两个小球的动量分别是pA=2 kg·m/s，pB=4 kg·m/s，若A球能追上B球发生正碰，且碰后A球动量变为p'A=1 kg·m/s。则A、B球的质量满足什么关系？

学生：依据建立起来的科学概念，解决实际问题。

3 教学后记

在高中物理教学中，学生是否理解和把握物理概念，尤其是核心概念，对后续知识的学习与建构会产生极大的影响。但物理概念比较抽象、枯燥，学生学习起来难免会感觉困难、乏味。利用生活中的现象，应用多种技术手段创设能激发学生问题意识和探究欲望的教学情境，促使学生围绕自己身边的问题展开探究，使学生感到物理就在生活中，拉近物理与生活的距离，感受科学与社会和生活的联系，这不仅能激发学生的学习兴趣，增强学习的内驱力，同时也能提高学生应用物理知识的能力，让我们的课堂教学更为有效。所以，教师在进行教学时要将抽象的物理规律与生活联系起来，设置生活化情境，激发学生的好奇心，使他们更好地掌握核心概念和规律，为后续学习打好基础。

参考文献：

[1]范增.我国高中物理核心概念及其学习进阶研究[D]. 重庆：西南大学博士学位论文， 2013.

[2]埃里克森. 概念为本的课程与教学[M].北京：中国轻工业出版社， 2003.

[3]张颖之，刘恩山.核心概念在理科教学中的地位和作用[J].教育学报，2010 （01）：57—61.

[4]陈爱萍.生活化情境在高中物理核心概念教学中的应用研究——以《电动势》教学为例[J].物理教学探讨， 2014，32（6）：4—7.

[5]赵子莹， 张军朋.基于“核心概念”的物理教学初探——以《速度变化的快慢加速度》为例[J].物理教学探讨， 2015，33 （9）：11—13.

[6]俞传辉.中学物理核心概念教学设计的基本模式探讨[J].物理教学探讨， 2014，32（8）：64—65.

[7]李海洋.生活化情境在高中物理核心概念教学中的应用研究[J].高中数理化， 2015 （10）：31—31.

[8]李尚仁， 等.普通高中课程标准实验教科书 物理[M]. 北京：教育科学出版社，2014.（栏目编辑 刘 荣）