張作銘

(浙江省溫州市龍灣中學(xué),浙江溫州 325024)

認(rèn)知心理學(xué)將認(rèn)知過(guò)程看成一個(gè)由信息的獲得、編碼、貯存、提取和使用等一系列連續(xù)的認(rèn)知操作階段組成的按一定程序進(jìn)行信息加工的系統(tǒng).但是在教學(xué)過(guò)程中有一種現(xiàn)象不容忽視,那就是教師精心設(shè)計(jì),傾力實(shí)施的教學(xué)內(nèi)容,由于某些環(huán)節(jié)缺少適度、合理的階梯,缺少學(xué)生容易接受的基本信息,在學(xué)習(xí)過(guò)程中主體思維容易受阻,使得學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解由于突然或跨度太大出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象,在知識(shí)目標(biāo)和能力目標(biāo)的達(dá)成上存在著一定的缺陷.一些接受能力較低、較弱的學(xué)生就無(wú)法將基本信息進(jìn)行編碼、貯存,更談不上提取和使用了,所以在物理課堂該怎樣搭建階梯,軟化教學(xué)難點(diǎn),讓學(xué)生在符合思維邏輯和力所能及的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)知識(shí)意義建構(gòu),是教師面臨的重要課題,關(guān)注并思考這一課題,對(duì)物理教學(xué)具有一定的現(xiàn)實(shí)意義.

1 利用“基本模型”淺入深出

大多較難物理試題的編寫是按照一定“模型”進(jìn)行的,所以教師在教學(xué)的過(guò)程中,要重視對(duì)學(xué)生建模意識(shí)的培養(yǎng),使學(xué)生在解決物理問(wèn)題時(shí)能清晰地構(gòu)建出符合情景條件的物理模型,迅速找到解決問(wèn)題的方法,從而達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生靈活思變、創(chuàng)造性思維的能力.

圖1

例1.如圖1所示,表面粗糙的固定斜面與水平地面夾角為θ,斜面頂端安裝滑輪,兩物塊P、Q用輕繩連接并跨過(guò)滑輪(不計(jì)滑輪的質(zhì)量和摩擦),P懸于空中,離地面高度為h,Q放在斜面上.其中物塊 P的質(zhì)量為M,物塊 Q的質(zhì)量為m,斜面與物塊Q的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ,求:當(dāng)物塊P由靜止釋放后著地瞬間的速度是多少?

筆者在平時(shí)教學(xué)中發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì) P物塊的重力和Q物塊的摩擦力及重力沿斜面向下分力的作用效果很難理解,由于這些力不是在一條直線上的,對(duì)于高一初學(xué)者而言,這就是臺(tái)階過(guò)高現(xiàn)象.那如果在教學(xué)中從基本模型入手,引導(dǎo)學(xué)生慢慢提升逐步推進(jìn),教學(xué)效果將會(huì)大有不同.

如首先引進(jìn)連接體的最基礎(chǔ)模型.基本模型中質(zhì)量分別為 M、m的兩物塊P、Q用輕繩連接放在光滑水平面上,在拉力 F的作用下向左運(yùn)動(dòng),如圖2所示,求當(dāng) P物塊運(yùn)動(dòng)h距離時(shí)刻的速度為多少?

圖2

分析:教師指出只要把 P、Q、輕繩看成一個(gè)整體,相當(dāng)于力F拉著單個(gè)物塊向左加速運(yùn)動(dòng),那么要求出結(jié)果就非常容易了.

根據(jù)牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律可知

由運(yùn)動(dòng)學(xué)公式

可得

所以

圖3

提升1:如果在原模型的基礎(chǔ)上加以修改,其他條件不變,只是把拉力撤去,讓物塊P掛在空中,如圖3所示,又該怎樣求解物塊P從靜止開始下落h距離時(shí)刻的速度呢?

分析:在基本模型中物塊P的重力與水平面的支持力平衡,但在這種情況下,物塊P的重力效果是拉著物塊Q一起向下加速,所以可以把物塊P的重力理解成基本模型中的拉力F,拉著整體一起加速,于是本題的求解過(guò)程回歸到基本模型中.

根據(jù)牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律可知

圖4

提升2:整個(gè)裝置和條件與提升1保持不變,只是把物塊 Q與水平面改成不光滑,動(dòng)摩擦因數(shù)為μ,再次要求學(xué)生求解物塊P從靜止開始下落h距離時(shí)刻的速度.

分析:教師強(qiáng)調(diào)指出物塊P的重力的作用效果和物塊Q所受摩擦力的作用效果相反(連接繩拖動(dòng)滑輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反),所以整體受力效果相當(dāng)于受向下方向大小為 Mg-f的拉力作用,求解方法再次回歸到基本模型中.

根據(jù)牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律可知:

提升3:若把提升2的物塊Q放置的水平面改成斜面,就與例1完美對(duì)接.

教師能通過(guò)類比分析、逐步推進(jìn)的方式引導(dǎo)到這種程度,一切就水到渠成了,當(dāng)然要把例1的結(jié)果求解出來(lái)應(yīng)該不是問(wèn)題.這種利用“基本模型”淺入,然后慢慢提升條件,最后實(shí)現(xiàn)學(xué)會(huì)綜合分析“深出”的教學(xué)模式,不僅能使學(xué)生獲取靈活的系統(tǒng)知識(shí),還能培養(yǎng)學(xué)生清晰的邏輯思維能力,把所學(xué)知識(shí)整合運(yùn)用、正向遷移,有利于知識(shí)的深層次理解和意義建構(gòu).

圖5

例2.如圖 5所示,質(zhì)量 M=0.1 kg的有孔小球穿在固定的足夠長(zhǎng)的斜桿上,斜桿與水平方向的夾角 θ=37°,球與桿間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ=0.5.小球受到豎直向上的恒定拉力F=1.2 N后,由底端靜止開始沿桿斜向上做勻加速直線運(yùn)動(dòng).若拉力F作用1 s后撤去,問(wèn)小球運(yùn)動(dòng)到最高點(diǎn)處與底端的距離是多少?(sin37°=0.6,cos37°=0.8,重力加速度 g 取 10 m/s2)

分析:這是一道典型的運(yùn)用牛頓運(yùn)動(dòng)定律解決加速度變化的多過(guò)程問(wèn)題,在近幾年的高考中頻繁出現(xiàn)在物理部分第一道計(jì)算題中,對(duì)于剛學(xué)習(xí)必修1的高一學(xué)生來(lái)說(shuō),是有很大難度的.首先是因?yàn)橄群髢蓚€(gè)過(guò)程的加速度不同,且牽涉多條計(jì)算公式;其次是因?yàn)閷?duì)力F的分解上存在思維障礙以及拉力F的分力對(duì)摩擦力的影響.對(duì)于這類問(wèn)題我們教師如果不給學(xué)生剖析基本模型或者設(shè)置的梯度過(guò)大都會(huì)造成思維受阻.

本題同樣可以這樣淺入:

基本模型:如圖6所示,質(zhì)量為 m的物塊受到一水平拉力F作用從A位置向右加速運(yùn)動(dòng),經(jīng)過(guò)時(shí)間 t物塊到達(dá)B位置,拉力撤去,物塊繼續(xù)運(yùn)動(dòng)到C點(diǎn)停止,已知物塊與地面的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ.求:物塊從開始運(yùn)動(dòng)到最后停止時(shí)運(yùn)動(dòng)的距離是多少?

圖6

圖7

分析:這是在力學(xué)中常見的基本模型,教師只要指出AB段和BC段由于合力的變化加速度也發(fā)生變化,那么學(xué)生很快就可以求得答案.在此基礎(chǔ)上,教師就可以逐步推進(jìn)了.

提升1:其他條件不變,把拉力方向改變,如圖7所示.

在教學(xué)中,教師發(fā)現(xiàn)拉力這樣改動(dòng),許多成績(jī)較弱的學(xué)生就容易犯一個(gè)典型錯(cuò)誤,把在 AB段求得的摩擦力代入BC段計(jì)算,其實(shí),物塊在BC滑動(dòng)中,由于拉力向上的分力消失,所以物塊在BC段的摩擦力比在AB段運(yùn)動(dòng)的摩擦力要大.這一環(huán)節(jié)也體現(xiàn)了本文所論述“淺入”的必要性,如果沒(méi)有這一臺(tái)階,相信許多學(xué)生就會(huì)卡在這里,無(wú)法做到“深出”了.

圖8

提升2:給學(xué)生再添加一個(gè)臺(tái)階,把物塊放置在斜面上,拉力沿著斜面向上拉物塊,其他過(guò)程和條件均不變,如圖8所示.

分析:從圖7過(guò)渡到圖8坡度設(shè)置很小,所以相信學(xué)生在理解圖7的基礎(chǔ)上,對(duì)這種改動(dòng)一般不會(huì)有障礙.教師只要向?qū)W生指出若把重力沿斜面向下方向的分力想象成摩擦力,那么本題又回歸到基本模型的水平運(yùn)動(dòng)了.

提升3:在圖8的基礎(chǔ)上,把拉力方向改成與斜面有一個(gè)夾角,那么基本模型就真正與例2對(duì)接.

2 利用“生活體驗(yàn)”淺入深出

物理知識(shí)源于生活,是對(duì)物質(zhì)世界規(guī)律的提煉,所以物理教學(xué)應(yīng)當(dāng)貼近學(xué)生生活,聯(lián)系社會(huì)實(shí)際.學(xué)生知識(shí)的獲得是學(xué)習(xí)者通過(guò)對(duì)舊知識(shí)和生活經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分析、歸納、總結(jié)、推理得來(lái).因此教師在教學(xué)設(shè)計(jì)上需要從學(xué)生認(rèn)知特點(diǎn)出發(fā),從感性認(rèn)識(shí)入手,為學(xué)生提供真實(shí)、生動(dòng)的情景.創(chuàng)設(shè)一些與學(xué)生生活緊密相連的物理教學(xué)情境,引導(dǎo)學(xué)生在身臨其境的環(huán)境中對(duì)生活實(shí)例進(jìn)行分析,才能發(fā)現(xiàn)有價(jià)值的一般性規(guī)律,才能從原始的感性認(rèn)識(shí)上升到理性認(rèn)識(shí),實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)的第一次飛躍.物理中許多的概念和理論都比較抽象,如果教師采用“注入式”教學(xué)直接把概念或理論輸灌給學(xué)生,使得學(xué)生對(duì)這些概念的掌握是死板的、片面的、膚淺的,缺乏伸縮性,在以后的學(xué)習(xí)中就無(wú)法靈活地運(yùn)用這些概念,更談不上對(duì)這些知識(shí)進(jìn)行拓展延伸,所以只有從學(xué)生的“生活體驗(yàn)”淺入,學(xué)生才容易理解,才能激發(fā)起學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性,在此基礎(chǔ)上得到的知識(shí)才是“鮮活”的、有張力的.

如在學(xué)習(xí)人教版必修1“超重與失重”的內(nèi)容時(shí),出示如下生活情境問(wèn)題淺入:

思考1:學(xué)生們都有乘坐電梯的生活體驗(yàn),請(qǐng)大家回憶一下當(dāng)電梯向上啟動(dòng)的感覺(jué)和即將要停下來(lái)的感覺(jué)有什么不同?還有這兩種感覺(jué)與電梯沒(méi)有啟動(dòng)靜止時(shí)又有什么不一樣呢?然后觀看運(yùn)動(dòng)的電梯內(nèi)學(xué)生健康稱示數(shù)變化的視頻.(此實(shí)驗(yàn)是由本班同學(xué)親自參與并錄制的,有很強(qiáng)的真實(shí)性,學(xué)生感覺(jué)特別親切)

思考2:汽車開在顛簸起伏的路面上行使時(shí),汽車突然上升或下降時(shí)乘客有什么感覺(jué)?這種感覺(jué)與乘坐電梯一樣嗎?請(qǐng)兩位有過(guò)經(jīng)歷的學(xué)生說(shuō)說(shuō)當(dāng)時(shí)的感覺(jué).

學(xué)生通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)電梯中的體重計(jì)示數(shù)在電梯啟動(dòng)向上、即將停止和靜止不動(dòng)時(shí)都各不相同,那到底是什么原因引起示數(shù)的變化呢?由于問(wèn)題是來(lái)自學(xué)生平時(shí)的實(shí)際生活,真實(shí)而又普遍,所以學(xué)生的求知欲望特別強(qiáng)烈.

分析:電梯向上加速時(shí),人要獲得向上的加速度,所以體重計(jì)對(duì)人的支持力應(yīng)當(dāng)大于人的重力,而人對(duì)體重計(jì)的壓力與體重計(jì)對(duì)人的支持力是作用力與反作用力,所以兩者大小相等,于是得到人對(duì)支持物的壓力大于人自身的重力的結(jié)論,在物理中把這種現(xiàn)象稱為超重.

當(dāng)電梯即將停止時(shí),利用同樣的方法分析可以得到人對(duì)支持物的壓力小于人自身的重力的結(jié)論,在物理中把這種現(xiàn)象稱為失重.

提升1:如果電梯是從高樓層向下啟動(dòng)到低層停止呢?要求學(xué)生模仿教師上面的分析,自己通過(guò)畫出受力圖示(如圖9)的方法得出結(jié)論.這就是教師牽著學(xué)生知識(shí)爬坡的過(guò)程,也是學(xué)生對(duì)知識(shí)意義建構(gòu)的過(guò)程.由于這里的坡度設(shè)置合理,相信只要有適當(dāng)?shù)闹笇?dǎo)就可以得到加速度向下為失重,與速度方向無(wú)關(guān);加速度向上為超重,與速度方向無(wú)關(guān)的結(jié)論.具體受力分析過(guò)程如圖9.

圖9

提升2:如果把物體放在地面改成懸掛在空中,再繼續(xù)研究超重與失重現(xiàn)象.教師又可以從生活體驗(yàn)淺入,如在紙帶中間部位剪個(gè)小缺口,紙帶的一端牽掛一重物,重物另一端用手托住,提起重物向上勻速運(yùn)動(dòng),這時(shí)紙帶沒(méi)有斷;然后向下勻速運(yùn)動(dòng),紙帶依然沒(méi)有斷;提著重物向下加速運(yùn)動(dòng),突然停住,紙帶斷裂(如圖10所示).

教師在指導(dǎo)學(xué)生知識(shí)的層層推進(jìn)過(guò)程中,要注意兩個(gè)基本環(huán)節(jié),一是在變化的情景和條件中不斷梳理強(qiáng)化隱藏的規(guī)律,如本例中加速度的方向與超重、失重的關(guān)系;二是梯度設(shè)置合理并符合學(xué)生的邏輯思維,否則容易造成的“學(xué)生主體性發(fā)揮受阻”現(xiàn)象.

圖10

(這個(gè)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單而巧妙,做向下加速實(shí)驗(yàn)前,可先讓學(xué)生們猜測(cè).讓人直接體驗(yàn)了超重,又有些意料不到.)

分析:指導(dǎo)學(xué)生根據(jù)加速度的方向?qū)ξ飰K受力分析,感悟三種狀態(tài)下物塊對(duì)紙帶的拉力各不相同,同時(shí)對(duì)照電梯中的情景,學(xué)生對(duì)超重與失重的理解就又推進(jìn)一步了.物體對(duì)支持物的壓力(或?qū)覓煳锏睦?,大于物體的重力的現(xiàn)象,稱為超重現(xiàn)象.

物體對(duì)支持物的壓力(或?qū)覓煳锏睦?,小于物體的重力的現(xiàn)象,稱為失重現(xiàn)象.

提升3:物體在失重的情況下,加速度等于重力加速度時(shí),將會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象?這是結(jié)果外推的過(guò)程,引導(dǎo)學(xué)生深層次理解超重與失重.

引出概念:如果一個(gè)物體對(duì)支持物的壓力(或?qū)覓煳锏睦?為零,稱為完全失重現(xiàn)象.課堂推進(jìn)到此,學(xué)生應(yīng)該基本理解并接受完全失重知識(shí),但還是很難想象完全失重時(shí)的真實(shí)情形,要想把這些抽象的理論在學(xué)生大腦中物化,又得從“生活體驗(yàn)”淺入.

圖11

準(zhǔn)備一個(gè)側(cè)面靠底部鉆有小孔、里面裝水的可樂(lè)瓶,先用手指閉住小孔.

(1)教師松開手指,手拿可樂(lè)瓶勻速下降,可看到水從小孔噴出.

推進(jìn):

(2)把手松開,讓可樂(lè)瓶自由下落,可觀察到下落過(guò)程中,水并沒(méi)有從小孔噴出.

再推進(jìn):

(3)如圖11所示,如果在可樂(lè)瓶的底面打一小孔,先用手堵住小孔,然后讓可樂(lè)瓶豎直向上拋出,問(wèn):此時(shí),水還會(huì)不會(huì)再?gòu)男】字袊姵?(也可以師生共同做拋接水瓶游戲)

(將孔開在底部和做豎直拋起,增強(qiáng)思維沖突.這一問(wèn),還真不敢輕易下結(jié)論!實(shí)驗(yàn)前,可先讓學(xué)生們猜測(cè).)

分析:學(xué)生對(duì)可樂(lè)瓶自由下落時(shí)水不會(huì)噴出,已經(jīng)感到很好奇,對(duì)可樂(lè)瓶向上拋出時(shí),水也不會(huì)噴出就感到更驚奇了,如果沒(méi)有真實(shí)體驗(yàn)的淺入方式,就很難達(dá)到深層次的理解.

上面幾個(gè)實(shí)例是每個(gè)學(xué)生都有過(guò)的體驗(yàn),如果課堂是從這些最真實(shí)的體驗(yàn)開始淺入,那就完全符合認(rèn)知心理規(guī)律.這些從實(shí)際生活截取的最低層次的經(jīng)驗(yàn)素材,是學(xué)習(xí)的起點(diǎn),也是探究物質(zhì)規(guī)律的基石.通過(guò)開發(fā)學(xué)生體驗(yàn)過(guò)的生活實(shí)際為課程資源不僅激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性,而且拉近了課堂教學(xué)與學(xué)生生活實(shí)際的距離.只有讓學(xué)生充分地分析、討論這些具體問(wèn)題,才能感知到物理知識(shí)在生活中真實(shí)存在,體現(xiàn)“從生活走向物理”的要求.