动量定理和动能定理的“再发现”——建构主义理论指导下的探究学习设计，本文主要内容关键词为：定理论文,动量论文,动能论文,指导下论文,再发论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
基础教育新课程改革正在全国范围逐步展开，新课程理念把知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观相提并论.显然，目前学生的接受学习模式难以实现这些理念，必须通过改进教学方式，改进接受学习，加强体验学习和探究学习.我们认为，学习方式的改变要以建构主义的学习理论做指导，建构主义教学理论认为学习是获取知识的过程，知识不是通过教师传授得到，而是学习者在一定情景，即社会文化背景下，借助他人的帮助，利用必要的学习资料，通过意义建构的方式自己获得的，其核心思想是“通过问题解决来学习”.中学物理中的许多重要定律都可以通过学生自主的意义建构模式学习，下面就以动量定理和动能定理的“再发现”为例，说明这种学习模式的设计和实施.
1 提出问题
（1）在宏观低速的条件下，在惯性参考系中，不管世界上有多少种运动，它们的运动情况多么复杂，我们都可以从牛顿运动定律一个简单的数学表达式中得到解释：
a=∑F/m
它揭示了加速度和力的因果关系，除了牛顿第二运动定律表达式之外，是否还存在其它因果关系呢？
（2）提醒同学们牛顿第二运动定律的表达式中告诉了我们物体的质量m和物体的加速度a与所受合外力∑F的关系，即有力就有加速度，力发生变化则加速度随之变化的瞬时关系.而运动学中的速度v、时间t、位移s等物理量或它们的组合量与力的关系却不得而知？难道它们之间没有必然的联系吗？
（3）设计实验方案
在实验室里，我们可以通过图1所示实验装置测得运动小车（滑块）的∑F、m、a、v、t、s这几个物理量的大小.一是通过打点计时器的实验.在这个实验中要尽量减小误差，如摩擦的平衡最好采用电火花打点计时器.另外，我们利用气垫导轨实验，它与打点计时器相比，准确性更高.
图1 实验装置
2 猜想与假设
为了充分体现学生的探究和自主建构，我们把这次专题学习安排在动量定理和动能定理教材内容之前进行，因此学生尚没有冲量和动量的概念，也不知道动能的表达式.这样就需要对学生的猜想进行引导，让学生明确物理量的不同类型有不同的联系，使猜想有理可依：
表示物体自身属性的物理量：质量m，在宏观低速情况下保持恒定，不随外力、速度等因素的变化而变化.表示物体受到外界作用的物理量：力F，是物体运动状态发生变化的原因，大小由外界因素决定.表示物体运动状态的物理量：速度v、加速度a，决定于物体自身属性及外界因素.表示时间和空间的物理量：时间t、位移s，表示物体的运动过程.表示物体运动过程的物理量：功Fs，表示物体受到外界因素的持续作用，力的空间积累.
类比牛顿第二运动定律，学生经过讨论提出了物理量之间的因果联系.逻辑形式为：
功Fs作为一个过程量，将引起状态量如何变化呢？学生提出了多种变化模式：
；他们还根据对称性认为Ft也应该是一个重要的过程量，也应该引起相应的状态量变化.
3 学生动手实验采集数据，然后用计算机检验自己提出的多组猜想
启发学生按照牛顿第二定律的研究方法设计实验过程.一般可设计三组实验，第一组：设质量m不变、外力mg不变，改变位移s，第二组：外力mg不改变，位移s保持不变，改变m的大小；第三组滑块的质量m和位移s保持不变，改变外力mg的大小.学生通过实验获得大量数据，然后利用EXCEL软件分析处理，寻找过程量与状态量之间的因果关系，各实验组进行交流比较.表1是其中一组同学的测量数据：
表1 改变F值的实验数据
注：滑块质量m=0.206kg，滑块位移s=50.0cm
通过观察表1，学生发现随着过程量Ft和Fs的减小，自己所提出的状态变化值也减小，但其中Ft值与状态变化量
通过进一步做图（图2）分析，除第三个数据点有显著偏离外，其它几个点符合很好.通过分析及各任务组之间的交流，确认该点偏差系操作失误造成.因此学生确认关系式
成立，老师告诉同学，他们发现了一个重要的定理——动量定理，其中mv也是一个表示状态的量，叫做动量.
图2 Ft值与状态变化量
m·（v[，2]-v[，1]）值的对比
观察表1，Fs和
两组数据引起学生的注意，它们似有简单的倍数关系，利用EXCEL作图分析，画出图象如图3和图4所示.误差仍然出现在第三个数据点，通过分析去除该点，各任务组之间交流后，学生得到关系式
这样学生又发现了一个重要的定理——动能定理.
图3 Fs—mv[，2]
图4 2Fs—mv[，2]
教师要提醒学生：上面的两个数学关系式，是在一维情况下从实验中得出的，是否普遍适用，还要继续通过实验来探索这个问题.也可以通过理论演绎来证明.另外，这两个数学表达式，是在我们从有限的数据中猜想得出的结果.我们是否还可以从更多数据中猜想，得到更多的数学关系，我们也不得而知，也请同学们继续实验，探索更多的奥秘.
在学生得到上述两个关系式以后，教师的任务则是引导学生讨论两个等式的物理意义.Ft是力在时间上的积累，这个积累所产生的效果是物体的mv的值发生变化.Fs是合力在空间上的积累，它所产生的效果是使物体的1/2mv[2]发生了变化.由此，再给学生动量、动能、动量的增量、动能的增量、外力的冲量、外力的功等一系列物理概念.最后，给出各个量的符号以及动量定理和动能定理的一般表达式.然后，再根据牛顿第二定律和运动学公式，推导出动量定理和动能定理.
4 关于教学设计的几点体会
经过猜想假设，分组探究，交流合作，使学生在头脑中经过自己的探究和思考，实践和归纳总结，意义建构了新知识——力在对物体持续作用时新的规律，学生体验到了成功的乐趣.
需要说明的是，这种教学模式要求的计算量非常大，如果没有EXCEL工具支持是难以实现的，这也正体现了信息技术与物理课程整合的必要性.
这种教学模式与传统教学模式的不同之处在于：它不是以定律、公式的灌输为中心.而是以学生自身为主体，使学生从发现者和探索者的角度出发.从物理实验和数据的分析中，自己得到客观世界的规律.教师在其中并不扮演教学者的角色，而是从旁点拨和指导，是参与者、组织者.学生在研究和归纳的过程中感性地体验和理解物理变化及其规律.这样学生最终不仅可以更深入地理解物理学的规律，而且可以受到科学方法和科学精神的熏陶，具有独立探索与合作交流相结合的意识.
这种教学的特点是：在探究解决问题的过程中，充分利用了情景的真实性，使学生的独立性得到高度的发挥，学生在充分自主的情况下进行活动，有利于激发学习兴趣，形成学习动机，有利于把当前学习内容所反映的事物尽量和自己已经知道的事物相联系，并对这种联系加以认真的思考，有利于合作学习，从而有利于意义建构，进而培养学生的探究能力、各种活动能力和创新能力.物理教学的改革方兴未艾，本小组的探索只起一个抛砖引玉的作用，望大家批评指正.