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一、教学思考
“实验：探究碰撞中的不变量”是人教版高中物理选修3-5第十六章《动量守恒定律》第一节的内容。本节教材沿着物理学的发展历程，基于探究碰撞中“不变量”的实验，得出碰撞前后质量和速度的乘积保持不变，从而发现质量和速度的乘积是一个特殊的量——动量。这符合人类的认知逻辑，能够让学生清晰地认识动量的来龙去脉和在碰撞过程中具有的重要特性——守恒。教材中蕴含着丰富的培育学生物理核心素养的内容，包括：形成物理观念，即相互作用观和守恒观——动量守恒和能量守恒；培养科学探究意识，即通过对碰撞过程的实验探究，亲历科学探究过程，学会对探究的过程和结果进行交流、评估和反思；培养科学思维能力，即根据实际情境，建立弹性碰撞和非弹性碰撞模型，利用“实验事实+逻辑推理”的科学方法分析处理问题，得出碰撞中存在“不变量”的结论；树立科学态度与责任感，养成严谨认真、实事求是和持之以恒的探索精神以及独立思考、敢于质疑和善于反思的创新精神。
碰撞现象是思维起点，学生由现象揭示其中的“不变量”，体现了科学思维的作用，这反映了实验探究的特质。得到的实验结论是知识内核，学生在其中表现出的学习态度、价值取向则是维系整个学习过程的动力，从而让核心素养的培养在实验探究中落地。
基于上述分析，本节课的教学思路是：以学生的实验探究活动为主线，首先指出观察、分析常见的碰撞现象对科学研究、日常生活、工农业生产的重要影响，研究碰撞中的规律的重要现实意义，让学生认识到“为什么研究（包含研究谁）”；然后引导学生提出研究的问题，猜想可能的结论，设计实验方案来证实猜想，并亲自动手实验，体验探寻碰撞中“不变量”的过程，得到实验的结论，从而体会到“如何研究”；最后介绍相关物理学史，使学生认识到任何物理规律的获得都需要反复严格的验证和论证，人类对自然规律的认识是一个逐步完善的过程，提升他们的科学态度与责任感。
二、教学过程
（一）课题引入
师 前面我们从运动学和动力学的角度研究过单个物体的运动，然而自然界中更多的是相互作用的多个物体的运动。今天我们就一起来学习生活中非常常见的一种现象——碰撞。碰撞的作用时间非常短暂，而过程又比较复杂。我们要研究它的规律，通过什么样的切入点最为合适？德国著名物理学家劳厄說过这样一段话，或许会给我们一些启发：“物理学的任务是发现普遍的自然规律。该规律最简单的形式之一表现为某种物理量的不变性，所以对不变量的追求，不仅是合理的，也是极为重要的研究方向。”在多变的世界中寻找不变量是物理学家常用的思维方式。我们以前也已经认识了一些不变量的情况，请举例说明。
生 化学反应前后总质量不变；自然界中各种形式的能量转化与转移过程中，能量总量不变；电荷转移过程中，电荷总量不变……
师 非常好！寻找不变量不仅必要，而且可行。本节课，我们用实验探究的方法来研究碰撞中的不变量。
[设计意图：开宗明义，让学生认识到研究不变量的必要性和可行性（为什么研究），同时提升学生的学科意识。]
（二）建立模型
师 我们将按照研究问题的一般思路，即建立模型、观察猜想、实验验证，来开展今天的探究活动。我们先研究最简单的碰撞情形——两个物体碰撞前沿同一条直线运动，碰撞后仍沿这一条直线运动。（Flash展示多种一维碰撞情境）我们研究的对象是相互碰撞的两个物体组成的系统，研究的过程是从碰撞前一瞬间到碰撞后一瞬间。在这种最简单的情形下，与碰撞有关的物理量有什么？
生 速度、质量。
师 系统总质量变吗？
生 不变。
师 那质量是我们今天要找寻的不变量吗？
生 不是。
师 系统速度之和变吗？
生 不能确定。
师 当猜想不能确定时，我们应当怎么办？
生 用实验证实或证伪。
[设计意图：通过模型的建立，清晰研究对象，简化研究过程，进一步明确研究的问题，加深学生对实验探究的一般流程（如何研究）的认识。再通过问题唤起学生对探究的主要要素的回忆，提升学生科学探究的意识。]
（三）观察猜想
师 现在让我们用一个简单的实验来验证。（出示图1）两条等长的细线悬挂相同的小球1和2，静止时两球心在同一水平线上。（出示图2）将小球2拉到某一高度处（水平虚线标记）由静止释放，则到最低点时将会出现什么现象？请大家猜猜看。
师 （演示实验）碰撞发生在瞬间。小球2停下来了，小球1水平向左运动。
碰撞前后两个球的速度大小相等吗？
生 相等。
师 为什么？
生
小球1向左运动能到达与小球2初始时相同的高度。
师 从我们对现象的分析来看，两小球组成的系统碰撞前后的不变量可能是什么？
（学生组内相互讨论。）
生 速度。速度发生了交换，速度交换实际上就意味着系统碰撞前后速度之和不变。
师 如果写成等式，应该是？
生 v1+v2=v′1+v′2。
师 刚才是质量相等的两个小球，我们再试试质量不等的两个小球之间的碰撞。将上面实验中的两个小球改为乒乓球和大钢球，将乒乓球拉起一定的角度，由静止释放，观察现象。
（演示实验：乒乓球在最低点和大钢球碰撞后反弹，大钢球几乎不动。）
师 实验中乒乓球碰撞前后的速度方向如何？
（师生共同讨论后否定上述猜想。）
师 碰撞中的不变量既不是质量m，也不是速度v。而这个不变量又与这二者有关，所以
这个不变量只能是这二者的某种组合。质量m和速度v最简单的组合形式有哪些？ 生 mv。
师 这个不变量可能是质量和速度的乘积，还可能是什么？
生 相加。
师 把我的体重和你的身高相加，可以吗？
生 不可以。单位不同。
师 同学们，还有其他可能吗？
生 vm、mv2等等。
师 如果mv是我们要找寻的不变量，那么要验证的表达式是什么？
生 m1v1+m2v2=m1v′1+m2v′2。
师 其他猜想的表达式呢？
生 v1m1+v2m2=v′1m1+v′2m2。
生 m1v21+m2v22=m1v′21+m2v′22。
[设计意图：猜想是发现的开始，提出合理的猜想是探究中最关键的一步。通过引导学生观察碰撞现象，提出猜想，验证猜想，在不断观察、猜想、验证的循环中提升科学研究的意识和能力。]
（四）方案设计
师 分析各个表达式，要验证上述猜想，需要对碰撞物体的质量和碰撞前后的速度进行测量。质量测量比较简单，老师为大家提供了方便快捷的电子天平。我们也学过不少测量速度的方法，比如——
生 打点计时器、频闪照相、光电门……
师 其中最容易直接得到数据的是什么？
生 光电门和数字计时器。
师 而光电门常常需配合什么使用？
生 气垫导轨。
师 下面我们就用这些便捷的现代实验器材进行实验探究。（出示器材）气垫导轨上放置了质量一大一小的两个滑块，它们之间的碰撞可能有哪几种情形呢？同学们桌上都有和老师相同的实验器材，想不想亲自动手试一试？我们先尝试让小滑块不动，大滑块去碰它。注意观察！（教师示范操作，学生同步实验。）
师 碰撞后两个滑块的运动方向怎样？速度大小相等吗？
（学生交流讨论。）
师 可以概括为：大碰小，碰后分开、同向。我们还可以怎么做？
生 用小滑块去碰大滑块。
（教师示范操作，学生同步实验。）
师 碰撞后两个滑块的运动方向怎样？如何概括？
生 小碰大，碰后分开、反向。
师 有的同学注意到了两个滑块的旁边各有一个尼龙粘扣，利用它，我們可以让两个滑块发生什么样的碰撞情形？
生 碰撞后粘在一起。
师 可见碰撞的形式有很多种，下面我们就一起来分别研究它们。
[设计意图：探究课中的环节多，结果难预料，需要教师巧设主线，对科学规律的意义建构减少一些偶然性；巧设问题，快速遴选实验器材；进行示范操作和总结概括，明确碰撞的分类。]
（五）分组实验验证
师 我们先来研究第一种碰撞情形：碰后分开、同向。
（学生分组实验：分别测出两个滑块的质量；让滑块1碰撞静止的滑块2，碰撞处安有弹簧圈，碰后分开，但速度方向相同，如图3所示；将实验数据填入表1中。）
师 （出示表2）请利用表1中的测量数据，计算完成表2中碰前、碰后的数据，并观察哪种猜想是正确的。碰撞前后的值相差越小，就越可能是不变量吗？
生 应该是相对不变。
师 对。其中，相对误差=碰前-碰后碰前×100%。
（学生完成填表。）
师 对比表2中计算的结果，可得出结论：mv和mv2都有可能是我们要找寻的不变量。我们继续来研究第二种碰撞情形：碰后粘在一起。
（学生分组实验：让滑块1碰撞静止的滑块2，碰撞处安有尼龙粘扣，碰后两个滑块粘在一起，如图4所示；记录实验数据，并计算验证。）
师 对比各组计算的结果，得出结论：只有mv是我们要找寻的不变量。我们再来看第三种碰撞情形。
（学生分组实验：让滑块1碰撞静止的滑块2，碰撞处安有弹簧圈，碰后分开，速度方向相反，如图5所示；记录实验数据，并计算验证。）
师 对比表2中计算的结果，发现碰前和碰后的mv的和相差较大。难道mv也不是我们要找寻的不变量？是不是有什么因素我们没有考虑到？
生 速度是矢量。
师 对！应当是矢量式。
[设计意图：三个有层次性的实验设计，让学生的思维发生了两次飞跃。这样的过程可以有效驱动学生在课堂中的学习，激发学生探求知识的欲望，使学生的认知在比较与矛盾中不断地进行同化与顺应。由此，学生经历了一个基于事实证据和科学推理对不同观点和结论提出质疑、批判，进而提出创造性见解的比较完整的科学研究过程，培养了科学思维素养。]
（六）研究的应用
师 在大量实验研究后发现，在一维碰撞中，有一个物理量是不变的，即质量和速度的乘积的矢量和不变。其实，这个规律不仅适用于碰撞前后速度方向共线的情形，也适用于碰撞前后
速度方向不共线的情况；不仅适用于宏观世界，也适用于微观世界。正是运用这个规律，康普顿成功地解释了微观粒子的散射现象，从此开启了微观世界的大门。也正是运用这个规律，科学家们找到了最合适的核反应堆的中子缓冲剂。这说明，我们人类有这样的潜力，去发现表观现象中隐藏的规律，并且有能力应用这些规律，从而推动文明的发展，为子孙后代造福。其实，这样一个物理规律的获得绝不是在一节课的时间内就能完成的，历史上几代科学家都曾经探索和争论过这个问题。今天，我们只是循着科学家探寻规律的足迹，经历了其中最关键的几次跨越。
许多科学家，包括伽利略，都曾经尝试寻找碰撞的规律，然而并没有成功。最早建立碰撞理论的是笛卡儿，他在《哲学原理》一书中总结了七条碰撞规律，但只有两条是正确的。笛卡儿关于碰撞在物理学方面的研究虽不深入，但从哲学上为物理学开辟了道路，对当时和后来的物理学发展都有着深远的影响。此后，惠更斯对碰撞问题进行了更为全面和深入的研究。牛顿，正如他自己所说，更是 “站在巨人的肩膀上”，使碰撞的相关理论更加丰满……
[设计意图：把发现的“不变量”规律在一社会生活中的应用展示给学生，让学生感受到科学与生活、科学与社会发展紧密联系。通过回顾碰撞规律的物理学史，让学生明白科学探究的艰辛与坚持。深度挖掘物理学科的人文价值，提升学生的学科意识、良好的思维习惯和积极的品格。]
三、教学评析
本节课给我们留下的最深的印象是：通过高效的实验探究教学，将物理观念、科学思维、实验探究、科学态度与责任等物理核心素养要素的培养落地。
（一）亲历实验体验，学会实验探究
实验探究是指在真实情境中提出物理问题，形成猜测和假设，利用科学方法获取和处理信息，形成结论，以及对实验探究过程和结果进行交流、评估、反思。吴老师抓住实验探究中的问题、证据、解释、交流等要素，引导学生经历寻找碰撞中不变量的过程，让学生领会实验探究的基本思路，提升探究意识，培养实验技能，特别是对于碰撞中的实验数据处理，更体现出吴老师良好的实验素养。
（二）引导思考过程，提升科学思维
科学思维在物理学中的突出体现是理想化思维，其内涵是从物理学视角对客观事物本质属性、内在规律及相互关系的认识方式，即从对象客体（原型）抽象出来的理想模型，借以揭示对象客体的本质与规律。本节课中，吴老师从生活中常见的碰撞现象中构建了一维碰撞模型，进而提出研究的问题“碰撞前后是否有物理量保持不变”，接着通过讨论，明晰“为什么研究”“如何研究”，為学生指明思维的方向。
学生对一维碰撞情境的认知大多是碰撞前后的速度大小之和不变或碰撞前后的速度存在某种数学关系，难以提出物体的质量与速度的乘积是不变量的猜想。吴老师通过设计情境、问题、实验进行引导，搭建了由浅入深、符合学生认知水平的逻辑猜想台阶，帮助学生展开科学思维。随后，进行类比和归纳，验证猜想，层层深入，独具匠心，使学生的思维发生了两次跨越，不断完善自己的认知。学生经历了基于实验证据和科学推理，对不同猜想和结论提出质疑、批判的训练，进而培养了科学思维素养。
（三）借助问题解决，培育物理观念
物理观念是学生在反思体验和实践应用中将蕴含于具体知识中的物理思想、观点、方法等抽象概括出来的观念性认识，是物理学科的研究对象、过程、方法和结果在学生头脑中整体的、概括的反映。所以，强化知识应用，在问题解决中培育物理观念素养是重要手段和途径。
通过实验探究测量的数据，师生一起分析归纳得出结论：mv和mv2都有可能是要找寻的不变量。然后引导学生继续分组实验，研究两种情况：弹性碰撞和非弹性碰撞。实验结果表明：弹性碰撞中，mv和mv2都是要找寻的不变量；而非弹性碰撞中，只有mv是要找寻的不变量。进而得到，在所有碰撞中，mv是不变量，即mv是守恒的，为后面守恒定律的建立奠定了实验基础，同时也进一步完善了学生的守恒观，除了能量、电量、质量守恒外，还有动量守恒。
（四）渗透情感教育，树立科学态度与责任感
探究是不断地追求真理和修正错误，不断地创新的过程。教学中，实验探究的定位不仅仅是获取结论，更是让学生通过探究过程中的感受和体验，理解和把握科学方法、科学精神和科学的价值。
吴老师在用实验数据验证猜想时，介绍了相对误差及其计算公式，要求学生计算出对应每个猜想中碰前与碰后的相对误差，并在相对误差允许的范围内总结出实验结论，体现了实验的真实性和得出结论的严谨性，潜移默化地锻炼了学生的科学态度。
课尾总结中，通过展示发现的“不变量”规律在社会生活中的应用，让学生感受到科学与生活、科学与社会发展需要的紧密联系，意识到自己应承担一定的社会责任。通过物理学史的介绍，让学生认识到任何物理规律的获得都需要反复严格的验证和论证，人类对自然规律的认识是一个逐步完善的过程，领悟到科学态度的核心是求真、实证、创新。
“实验：探究碰撞中的不变量”是人教版高中物理选修3-5第十六章《动量守恒定律》第一节的内容。本节教材沿着物理学的发展历程，基于探究碰撞中“不变量”的实验，得出碰撞前后质量和速度的乘积保持不变，从而发现质量和速度的乘积是一个特殊的量——动量。这符合人类的认知逻辑，能够让学生清晰地认识动量的来龙去脉和在碰撞过程中具有的重要特性——守恒。教材中蕴含着丰富的培育学生物理核心素养的内容，包括：形成物理观念，即相互作用观和守恒观——动量守恒和能量守恒；培养科学探究意识，即通过对碰撞过程的实验探究，亲历科学探究过程，学会对探究的过程和结果进行交流、评估和反思；培养科学思维能力，即根据实际情境，建立弹性碰撞和非弹性碰撞模型，利用“实验事实+逻辑推理”的科学方法分析处理问题，得出碰撞中存在“不变量”的结论；树立科学态度与责任感，养成严谨认真、实事求是和持之以恒的探索精神以及独立思考、敢于质疑和善于反思的创新精神。
碰撞现象是思维起点，学生由现象揭示其中的“不变量”，体现了科学思维的作用，这反映了实验探究的特质。得到的实验结论是知识内核，学生在其中表现出的学习态度、价值取向则是维系整个学习过程的动力，从而让核心素养的培养在实验探究中落地。
基于上述分析，本节课的教学思路是：以学生的实验探究活动为主线，首先指出观察、分析常见的碰撞现象对科学研究、日常生活、工农业生产的重要影响，研究碰撞中的规律的重要现实意义，让学生认识到“为什么研究（包含研究谁）”；然后引导学生提出研究的问题，猜想可能的结论，设计实验方案来证实猜想，并亲自动手实验，体验探寻碰撞中“不变量”的过程，得到实验的结论，从而体会到“如何研究”；最后介绍相关物理学史，使学生认识到任何物理规律的获得都需要反复严格的验证和论证，人类对自然规律的认识是一个逐步完善的过程，提升他们的科学态度与责任感。
二、教学过程
（一）课题引入
师 前面我们从运动学和动力学的角度研究过单个物体的运动，然而自然界中更多的是相互作用的多个物体的运动。今天我们就一起来学习生活中非常常见的一种现象——碰撞。碰撞的作用时间非常短暂，而过程又比较复杂。我们要研究它的规律，通过什么样的切入点最为合适？德国著名物理学家劳厄說过这样一段话，或许会给我们一些启发：“物理学的任务是发现普遍的自然规律。该规律最简单的形式之一表现为某种物理量的不变性，所以对不变量的追求，不仅是合理的，也是极为重要的研究方向。”在多变的世界中寻找不变量是物理学家常用的思维方式。我们以前也已经认识了一些不变量的情况，请举例说明。
生 化学反应前后总质量不变；自然界中各种形式的能量转化与转移过程中，能量总量不变；电荷转移过程中，电荷总量不变……
师 非常好！寻找不变量不仅必要，而且可行。本节课，我们用实验探究的方法来研究碰撞中的不变量。
[设计意图：开宗明义，让学生认识到研究不变量的必要性和可行性（为什么研究），同时提升学生的学科意识。]
（二）建立模型
师 我们将按照研究问题的一般思路，即建立模型、观察猜想、实验验证，来开展今天的探究活动。我们先研究最简单的碰撞情形——两个物体碰撞前沿同一条直线运动，碰撞后仍沿这一条直线运动。（Flash展示多种一维碰撞情境）我们研究的对象是相互碰撞的两个物体组成的系统，研究的过程是从碰撞前一瞬间到碰撞后一瞬间。在这种最简单的情形下，与碰撞有关的物理量有什么？
生 速度、质量。
师 系统总质量变吗？
生 不变。
师 那质量是我们今天要找寻的不变量吗？
生 不是。
师 系统速度之和变吗？
生 不能确定。
师 当猜想不能确定时，我们应当怎么办？
生 用实验证实或证伪。
[设计意图：通过模型的建立，清晰研究对象，简化研究过程，进一步明确研究的问题，加深学生对实验探究的一般流程（如何研究）的认识。再通过问题唤起学生对探究的主要要素的回忆，提升学生科学探究的意识。]
（三）观察猜想
师 现在让我们用一个简单的实验来验证。（出示图1）两条等长的细线悬挂相同的小球1和2，静止时两球心在同一水平线上。（出示图2）将小球2拉到某一高度处（水平虚线标记）由静止释放，则到最低点时将会出现什么现象？请大家猜猜看。
师 （演示实验）碰撞发生在瞬间。小球2停下来了，小球1水平向左运动。
碰撞前后两个球的速度大小相等吗？
生 相等。
师 为什么？
生
小球1向左运动能到达与小球2初始时相同的高度。
师 从我们对现象的分析来看，两小球组成的系统碰撞前后的不变量可能是什么？
（学生组内相互讨论。）
生 速度。速度发生了交换，速度交换实际上就意味着系统碰撞前后速度之和不变。
师 如果写成等式，应该是？
生 v1+v2=v′1+v′2。
师 刚才是质量相等的两个小球，我们再试试质量不等的两个小球之间的碰撞。将上面实验中的两个小球改为乒乓球和大钢球，将乒乓球拉起一定的角度，由静止释放，观察现象。
（演示实验：乒乓球在最低点和大钢球碰撞后反弹，大钢球几乎不动。）
师 实验中乒乓球碰撞前后的速度方向如何？
（师生共同讨论后否定上述猜想。）
师 碰撞中的不变量既不是质量m，也不是速度v。而这个不变量又与这二者有关，所以
这个不变量只能是这二者的某种组合。质量m和速度v最简单的组合形式有哪些？ 生 mv。
师 这个不变量可能是质量和速度的乘积，还可能是什么？
生 相加。
师 把我的体重和你的身高相加，可以吗？
生 不可以。单位不同。
师 同学们，还有其他可能吗？
生 vm、mv2等等。
师 如果mv是我们要找寻的不变量，那么要验证的表达式是什么？
生 m1v1+m2v2=m1v′1+m2v′2。
师 其他猜想的表达式呢？
生 v1m1+v2m2=v′1m1+v′2m2。
生 m1v21+m2v22=m1v′21+m2v′22。
[设计意图：猜想是发现的开始，提出合理的猜想是探究中最关键的一步。通过引导学生观察碰撞现象，提出猜想，验证猜想，在不断观察、猜想、验证的循环中提升科学研究的意识和能力。]
（四）方案设计
师 分析各个表达式，要验证上述猜想，需要对碰撞物体的质量和碰撞前后的速度进行测量。质量测量比较简单，老师为大家提供了方便快捷的电子天平。我们也学过不少测量速度的方法，比如——
生 打点计时器、频闪照相、光电门……
师 其中最容易直接得到数据的是什么？
生 光电门和数字计时器。
师 而光电门常常需配合什么使用？
生 气垫导轨。
师 下面我们就用这些便捷的现代实验器材进行实验探究。（出示器材）气垫导轨上放置了质量一大一小的两个滑块，它们之间的碰撞可能有哪几种情形呢？同学们桌上都有和老师相同的实验器材，想不想亲自动手试一试？我们先尝试让小滑块不动，大滑块去碰它。注意观察！（教师示范操作，学生同步实验。）
师 碰撞后两个滑块的运动方向怎样？速度大小相等吗？
（学生交流讨论。）
师 可以概括为：大碰小，碰后分开、同向。我们还可以怎么做？
生 用小滑块去碰大滑块。
（教师示范操作，学生同步实验。）
师 碰撞后两个滑块的运动方向怎样？如何概括？
生 小碰大，碰后分开、反向。
师 有的同学注意到了两个滑块的旁边各有一个尼龙粘扣，利用它，我們可以让两个滑块发生什么样的碰撞情形？
生 碰撞后粘在一起。
师 可见碰撞的形式有很多种，下面我们就一起来分别研究它们。
[设计意图：探究课中的环节多，结果难预料，需要教师巧设主线，对科学规律的意义建构减少一些偶然性；巧设问题，快速遴选实验器材；进行示范操作和总结概括，明确碰撞的分类。]
（五）分组实验验证
师 我们先来研究第一种碰撞情形：碰后分开、同向。
（学生分组实验：分别测出两个滑块的质量；让滑块1碰撞静止的滑块2，碰撞处安有弹簧圈，碰后分开，但速度方向相同，如图3所示；将实验数据填入表1中。）
师 （出示表2）请利用表1中的测量数据，计算完成表2中碰前、碰后的数据，并观察哪种猜想是正确的。碰撞前后的值相差越小，就越可能是不变量吗？
生 应该是相对不变。
师 对。其中，相对误差=碰前-碰后碰前×100%。
（学生完成填表。）
师 对比表2中计算的结果，可得出结论：mv和mv2都有可能是我们要找寻的不变量。我们继续来研究第二种碰撞情形：碰后粘在一起。
（学生分组实验：让滑块1碰撞静止的滑块2，碰撞处安有尼龙粘扣，碰后两个滑块粘在一起，如图4所示；记录实验数据，并计算验证。）
师 对比各组计算的结果，得出结论：只有mv是我们要找寻的不变量。我们再来看第三种碰撞情形。
（学生分组实验：让滑块1碰撞静止的滑块2，碰撞处安有弹簧圈，碰后分开，速度方向相反，如图5所示；记录实验数据，并计算验证。）
师 对比表2中计算的结果，发现碰前和碰后的mv的和相差较大。难道mv也不是我们要找寻的不变量？是不是有什么因素我们没有考虑到？
生 速度是矢量。
师 对！应当是矢量式。
[设计意图：三个有层次性的实验设计，让学生的思维发生了两次飞跃。这样的过程可以有效驱动学生在课堂中的学习，激发学生探求知识的欲望，使学生的认知在比较与矛盾中不断地进行同化与顺应。由此，学生经历了一个基于事实证据和科学推理对不同观点和结论提出质疑、批判，进而提出创造性见解的比较完整的科学研究过程，培养了科学思维素养。]
（六）研究的应用
师 在大量实验研究后发现，在一维碰撞中，有一个物理量是不变的，即质量和速度的乘积的矢量和不变。其实，这个规律不仅适用于碰撞前后速度方向共线的情形，也适用于碰撞前后
速度方向不共线的情况；不仅适用于宏观世界，也适用于微观世界。正是运用这个规律，康普顿成功地解释了微观粒子的散射现象，从此开启了微观世界的大门。也正是运用这个规律，科学家们找到了最合适的核反应堆的中子缓冲剂。这说明，我们人类有这样的潜力，去发现表观现象中隐藏的规律，并且有能力应用这些规律，从而推动文明的发展，为子孙后代造福。其实，这样一个物理规律的获得绝不是在一节课的时间内就能完成的，历史上几代科学家都曾经探索和争论过这个问题。今天，我们只是循着科学家探寻规律的足迹，经历了其中最关键的几次跨越。
许多科学家，包括伽利略，都曾经尝试寻找碰撞的规律，然而并没有成功。最早建立碰撞理论的是笛卡儿，他在《哲学原理》一书中总结了七条碰撞规律，但只有两条是正确的。笛卡儿关于碰撞在物理学方面的研究虽不深入，但从哲学上为物理学开辟了道路，对当时和后来的物理学发展都有着深远的影响。此后，惠更斯对碰撞问题进行了更为全面和深入的研究。牛顿，正如他自己所说，更是 “站在巨人的肩膀上”，使碰撞的相关理论更加丰满……
[设计意图：把发现的“不变量”规律在一社会生活中的应用展示给学生，让学生感受到科学与生活、科学与社会发展紧密联系。通过回顾碰撞规律的物理学史，让学生明白科学探究的艰辛与坚持。深度挖掘物理学科的人文价值，提升学生的学科意识、良好的思维习惯和积极的品格。]
三、教学评析
本节课给我们留下的最深的印象是：通过高效的实验探究教学，将物理观念、科学思维、实验探究、科学态度与责任等物理核心素养要素的培养落地。
（一）亲历实验体验，学会实验探究
实验探究是指在真实情境中提出物理问题，形成猜测和假设，利用科学方法获取和处理信息，形成结论，以及对实验探究过程和结果进行交流、评估、反思。吴老师抓住实验探究中的问题、证据、解释、交流等要素，引导学生经历寻找碰撞中不变量的过程，让学生领会实验探究的基本思路，提升探究意识，培养实验技能，特别是对于碰撞中的实验数据处理，更体现出吴老师良好的实验素养。
（二）引导思考过程，提升科学思维
科学思维在物理学中的突出体现是理想化思维，其内涵是从物理学视角对客观事物本质属性、内在规律及相互关系的认识方式，即从对象客体（原型）抽象出来的理想模型，借以揭示对象客体的本质与规律。本节课中，吴老师从生活中常见的碰撞现象中构建了一维碰撞模型，进而提出研究的问题“碰撞前后是否有物理量保持不变”，接着通过讨论，明晰“为什么研究”“如何研究”，為学生指明思维的方向。
学生对一维碰撞情境的认知大多是碰撞前后的速度大小之和不变或碰撞前后的速度存在某种数学关系，难以提出物体的质量与速度的乘积是不变量的猜想。吴老师通过设计情境、问题、实验进行引导，搭建了由浅入深、符合学生认知水平的逻辑猜想台阶，帮助学生展开科学思维。随后，进行类比和归纳，验证猜想，层层深入，独具匠心，使学生的思维发生了两次跨越，不断完善自己的认知。学生经历了基于实验证据和科学推理，对不同猜想和结论提出质疑、批判的训练，进而培养了科学思维素养。
（三）借助问题解决，培育物理观念
物理观念是学生在反思体验和实践应用中将蕴含于具体知识中的物理思想、观点、方法等抽象概括出来的观念性认识，是物理学科的研究对象、过程、方法和结果在学生头脑中整体的、概括的反映。所以，强化知识应用，在问题解决中培育物理观念素养是重要手段和途径。
通过实验探究测量的数据，师生一起分析归纳得出结论：mv和mv2都有可能是要找寻的不变量。然后引导学生继续分组实验，研究两种情况：弹性碰撞和非弹性碰撞。实验结果表明：弹性碰撞中，mv和mv2都是要找寻的不变量；而非弹性碰撞中，只有mv是要找寻的不变量。进而得到，在所有碰撞中，mv是不变量，即mv是守恒的，为后面守恒定律的建立奠定了实验基础，同时也进一步完善了学生的守恒观，除了能量、电量、质量守恒外，还有动量守恒。
（四）渗透情感教育，树立科学态度与责任感
探究是不断地追求真理和修正错误，不断地创新的过程。教学中，实验探究的定位不仅仅是获取结论，更是让学生通过探究过程中的感受和体验，理解和把握科学方法、科学精神和科学的价值。
吴老师在用实验数据验证猜想时，介绍了相对误差及其计算公式，要求学生计算出对应每个猜想中碰前与碰后的相对误差，并在相对误差允许的范围内总结出实验结论，体现了实验的真实性和得出结论的严谨性，潜移默化地锻炼了学生的科学态度。
课尾总结中，通过展示发现的“不变量”规律在社会生活中的应用，让学生感受到科学与生活、科学与社会发展需要的紧密联系，意识到自己应承担一定的社会责任。通过物理学史的介绍，让学生认识到任何物理规律的获得都需要反复严格的验证和论证，人类对自然规律的认识是一个逐步完善的过程，领悟到科学态度的核心是求真、实证、创新。