季志鋒

(江蘇省西亭高級(jí)中學(xué)，江蘇 南通 226301)

問(wèn)題引入:雖然動(dòng)力學(xué)知識(shí)是學(xué)生進(jìn)入高中階段首先學(xué)習(xí)的物理知識(shí),這部分知識(shí)也接近學(xué)生生活利于學(xué)生理解和接受,同時(shí)這部分內(nèi)容也是其他知識(shí)的基礎(chǔ),相對(duì)而言學(xué)生掌握情況較好.但是,筆者在高三動(dòng)力學(xué)模塊的復(fù)習(xí)中發(fā)現(xiàn)學(xué)生掌握的牢固程度并非想象的那么好.例如,給學(xué)生練習(xí)的2018年江蘇卷第7題全班有22%的學(xué)生錯(cuò)選(B)選項(xiàng).

圖1

(2018年江蘇卷第7題)如圖1所示,輕質(zhì)彈簧一端固定,另一端連接一小物塊,O點(diǎn)為彈簧在原長(zhǎng)時(shí)物塊的位置.物塊由A點(diǎn)靜止釋放,沿粗糙程度相同的水平面向右運(yùn)動(dòng),最遠(yuǎn)到達(dá)B點(diǎn).在從A到B的過(guò)程中,物塊

(A) 加速度先減小后增大.

(B) 經(jīng)過(guò)O點(diǎn)時(shí)的速度最大.

(C) 所受彈簧彈力始終做正功.

(D) 所受彈簧彈力做的功等于克服摩擦力做的功.

在糾錯(cuò)后,筆者將本題變式增加了一項(xiàng)判斷“若物塊接著從B點(diǎn)再向A點(diǎn)運(yùn)動(dòng),速度最大的位置與從A向B運(yùn)動(dòng)速度最大的位置相同”,全班竟然有近40%的學(xué)生不能第一時(shí)間辨別正誤.究其原因,一方面學(xué)生沒(méi)有根據(jù)題意建立正確的物理情境,原題中彈簧從壓縮狀態(tài)開(kāi)始恢復(fù),而變式中彈簧從伸長(zhǎng)狀態(tài)開(kāi)始恢復(fù);另一方面學(xué)生也沒(méi)有根據(jù)物理情境進(jìn)行完整的受力分析并寫(xiě)出加速度方程式kx-μmg=ma,得出物塊做的是加速度減小的加速運(yùn)動(dòng),即當(dāng)加速度為0時(shí)速度最大;再一方面部分教師在講評(píng)這類問(wèn)題時(shí)自認(rèn)為是常見(jiàn)模型,往往從平衡位置運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)的角度一帶而過(guò),即物體經(jīng)過(guò)平衡位置時(shí)速度最大,很少再?gòu)奈矬w的受力、加速度和運(yùn)動(dòng)的角度詳細(xì)講評(píng).久而久之,學(xué)生腦海里只留下了固化的平衡位置的概念,而何為平衡位置,如何確定平衡位置,以及物體經(jīng)過(guò)平衡位置時(shí)有什么特點(diǎn),學(xué)生更是混淆不清.學(xué)生對(duì)平衡位置這一概念只停留在表象的記憶,不知其內(nèi)涵更沒(méi)有形成相應(yīng)的物理觀念.其實(shí),江蘇高考2015年第9題、2017年第9題、2018年第7題都涉及物體最大速度的位置,從題號(hào)的順序來(lái)看,這些題目的設(shè)置還是處于中上難度水平,從考試的頻率來(lái)看,筆者判定歷屆學(xué)生在高考中此類習(xí)題的得分率并不高.筆者為了學(xué)生能廓清“平衡位置”概念,以及能更好的理解與應(yīng)用這一概念,嘗試指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行一次“云課堂”微研究教學(xué),以便其他概念教學(xué)或復(fù)習(xí)時(shí)借鑒.

1 “云課堂”微研究教學(xué)概念的界定

“云”的理念之一體現(xiàn)在服務(wù)的按需性,狹義的云計(jì)算指IT基礎(chǔ)設(shè)施的交付和使用模式,在遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)中心,大量電腦和服務(wù)器連成一片,按照各自的需求進(jìn)行存儲(chǔ)和運(yùn)算,即通過(guò)網(wǎng)絡(luò)以按需、易擴(kuò)展的方式獲得所需的資源.[1]延伸到教育教學(xué)上,則是教師根據(jù)學(xué)生的實(shí)際水平、現(xiàn)有技能、興趣愛(ài)好和求知的內(nèi)驅(qū)力,提供文獻(xiàn)資源、網(wǎng)絡(luò)資源或是實(shí)驗(yàn)器材等,創(chuàng)設(shè)可以滿足學(xué)生多重選擇的“云”資源庫(kù),形成廣泛意義上可供學(xué)生學(xué)習(xí)的空間——“云課堂”.學(xué)生則根據(jù)自身需求,借助“云課堂”中的資源庫(kù)自主收集、整理相關(guān)素材,經(jīng)過(guò)比較、分析形成清晰的物理概念和規(guī)律,并深刻理解這些物理概念和規(guī)律.

“云課堂”微研究教學(xué)是教師根據(jù)教學(xué)內(nèi)容創(chuàng)設(shè)可供學(xué)生多重選擇的“云課堂”學(xué)習(xí)空間,學(xué)生根據(jù)自身興趣愛(ài)好、能力基礎(chǔ)和在教師激發(fā)下而形成的迫切需求,在云資源庫(kù)里完成一次自主研習(xí)實(shí)踐并獲得較為系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)、理解知識(shí)的過(guò)程.

2 “云課堂”微研究教學(xué)實(shí)施過(guò)程

2.1 追“本”溯源

教科書(shū)是云資源庫(kù)的重要資料,“平衡位置” 的概念在高中課本中多次出現(xiàn),筆者指導(dǎo)學(xué)生從書(shū)本中查找出相關(guān)概念并摘抄放置在一起做出比較性分析.現(xiàn)舉例說(shuō)明.

出處1:物理必修1在共點(diǎn)力的平衡條件中講到平衡狀態(tài):桌上的書(shū)、屋頂?shù)臒?雖然都受到力的作用,但仍保持靜止.火車車廂雖然受到重力、支持力、牽引力、阻力作用,但仍可能做勻速直線運(yùn)動(dòng).如果一個(gè)物體在力的作用下保持靜止或者勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài),我們就說(shuō)這個(gè)物體處于平衡狀態(tài).[2]

出處2:物理選修3-4在彈簧振子中講到平衡位置:如圖2所示,把一個(gè)有孔的小球裝在彈簧的一端,彈簧的另一端固定,小球穿在光滑的桿上,能夠自由滑動(dòng),兩者之間的摩擦可以忽略,彈簧的質(zhì)量與小球相比也可以忽略.把小球拉向右方,然后放開(kāi),它就左右運(yùn)動(dòng)起來(lái).小球原來(lái)靜止時(shí)的位置叫做平衡位置.[3]

圖2

圖3

出處3:物理選修3-4在單擺中講到平衡位置:如圖3所示,擺球靜止在O點(diǎn)時(shí),懸線豎直下垂,擺球受到的重力G與懸線的拉力F平衡.小球受的合力為0,可以保持靜止,所以O(shè)點(diǎn)是單擺的平衡位置.[3]

物理必修1書(shū)本,給出物體在力的作用下保持靜止或者勻速直線運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)即是平衡狀態(tài)的定義,亦可理解物體處于平衡狀態(tài)的位置即平衡位置.物理選修3-4書(shū)本,關(guān)于“平衡位置”概念的呈現(xiàn)也都是對(duì)應(yīng)一個(gè)特定的物理情境.這些物理情境也就賦予這個(gè)“平衡位置”的特殊意義.概念不是憑空產(chǎn)生的,它是借助于表象的,但表象亦不是概念.正如佐藤正夫所說(shuō),概念是借助抽象的、概括化的、推論性的思維形成起來(lái)的,是反映事物與現(xiàn)象一般本質(zhì)特征的觀念.所謂形成概念,就是憑借思維,從一定事物與現(xiàn)象中抽離出本質(zhì)特征,加以總結(jié),并用語(yǔ)言加以界定.

2.2 思“變”清源

“平衡位置”的概念是孕育在物理情境之中,那么,在同一模型、不同的物理情境中,平衡位置是否不變、是否唯一?例如,在圖1情境中,如果根據(jù)小物塊靜止的位置來(lái)確定平衡位置,那就是一個(gè)區(qū)域范圍,即小物塊受到靜摩擦力與彈簧彈力相平衡的位置.因?yàn)殪o摩擦力可以在0到最大靜摩擦力之間變化,所以彈簧彈力也就有一個(gè)變化的區(qū)間,故小物塊的位置也就出現(xiàn)了一個(gè)區(qū)域范圍.如果小物塊從A向B運(yùn)動(dòng),當(dāng)彈簧彈力等于滑動(dòng)摩擦力時(shí)的位置是平衡位置,有且只有一個(gè)位置,并在O點(diǎn)的左側(cè).這時(shí)彈簧處于壓縮狀態(tài).如果小物塊從B向A運(yùn)動(dòng),當(dāng)彈簧拉力等于滑動(dòng)摩擦力時(shí)的位置是平衡位置,有且也只有一個(gè)位置,并在O點(diǎn)的右側(cè),這時(shí)彈簧處于伸長(zhǎng)狀態(tài).不同的情境則可以有不同的“平衡位置”,但本質(zhì)都是共點(diǎn)力平衡合力為0的位置.

2.3 悟“錯(cuò)”正源

物理必修1中定義了平衡狀態(tài),處于平衡狀態(tài)的位置亦可理解為平衡位置,而物體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中經(jīng)過(guò)平衡位置時(shí),是否真的處于平衡狀態(tài)?反思在單擺中平衡位置的確定,是利用懸線豎直下垂,擺球靜止在O點(diǎn)的位置來(lái)定義的,即原先靜止時(shí)的位置.其實(shí),當(dāng)擺球運(yùn)動(dòng)后經(jīng)過(guò)O點(diǎn)時(shí),擺球做圓周運(yùn)動(dòng),存在向心加速度,需要向心力,即合力不為0,不是真正意義上的“平衡位置”,存在法線方向的合力.如果從擺球運(yùn)動(dòng)的切線方向考慮,切線方向的合力在改變小球的速度大小,由牛頓運(yùn)動(dòng)定律可以分析出擺球從最高點(diǎn)向O點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)切向加速度減小而速度增加,小球在經(jīng)過(guò)O點(diǎn)時(shí),切線方向(沿速度方向)的合力為0,速度最大,該“平衡位置”亦可認(rèn)為擺球運(yùn)動(dòng)時(shí)切線方向或是在改變速度大小方向上的平衡位置,即是回復(fù)力的平衡位置.

2.4 辯“偽”還源

圖4

在涉及連接體時(shí),一個(gè)物體處于平衡狀態(tài),而另一個(gè)物體是否處于平衡狀態(tài)?一個(gè)物體經(jīng)過(guò)平衡位置時(shí)另一個(gè)物體是否也在平衡位置?如圖4所示,A、B兩物塊用不可伸長(zhǎng)的輕繩連接,輕繩跨過(guò)光滑輕質(zhì)小滑輪,物塊B放在固定的光滑斜面上,B與滑輪間的輕繩與斜面平行.彈簧的上端連接在B上,下端固定在斜面上.用力作用在A上,使輕繩剛好伸直且繩中的張力為0,A、B處于靜止?fàn)顟B(tài).現(xiàn)撤去外力讓A沿豎直方向向下運(yùn)動(dòng)(A不會(huì)碰到地面),則B向上運(yùn)動(dòng)速度最大時(shí),A的速度也最大嗎?

圖5

如圖5所示,足夠長(zhǎng)的光滑直桿傾斜固定,桿上套有質(zhì)量為m的小滑塊A,用足夠長(zhǎng)、不可伸長(zhǎng)的輕繩將A與另一質(zhì)量為2m的小物塊B繞過(guò)光滑的定滑輪相連接,A位于O點(diǎn),此時(shí)滑輪左側(cè)輕繩恰好水平.現(xiàn)將A從O點(diǎn)由靜止釋放,B在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不觸碰滑輪和直桿,則物塊B向下運(yùn)動(dòng)速度最大時(shí),滑塊A的速度也最大嗎?

圖4情境中,A、B物塊的速度、加速度均沿輕繩的方向,當(dāng)B的加速度為0時(shí),A的加速度也為0,也就是B在平衡位置時(shí),A也在平衡位置,即B的速度最大時(shí)A的速度也最大.

圖5的情境中,滑塊A與物塊B的速度、加速度均不沿輕繩的方向,分析時(shí)可以作一條過(guò)滑輪邊緣垂直于直桿的輔助線,垂足M點(diǎn).分析滑塊A的運(yùn)動(dòng)可以從A的受力的角度入手,在OM的范圍內(nèi),A一定受到沿桿向下且不為0的合力,A的平衡位置也必在M點(diǎn)的下方某位置.物塊B則需要從運(yùn)動(dòng)的角度進(jìn)行分析,滑塊A在M點(diǎn)時(shí),B則在最低點(diǎn),即B從靜止開(kāi)始運(yùn)動(dòng)至最低點(diǎn)的過(guò)程中肯定要經(jīng)歷加速和減速兩個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程,合力為0的位置即平衡位置在此過(guò)程中的某個(gè)位置,即物塊B向下運(yùn)動(dòng)速度最大時(shí),滑塊A還處在加速狀態(tài).

2.5 探“本”歸源

“平衡位置”只是給物體在某個(gè)力學(xué)特征下特定位置的一個(gè)名稱,對(duì)物體受力分析是本源,即物體所受合力為0的位置,或是物體運(yùn)動(dòng)中沿速度方向的合力為0的位置.通過(guò)前面的比較分析,在研究物體經(jīng)過(guò)平衡位置時(shí)具有最大速度的特點(diǎn),應(yīng)該從牛頓運(yùn)動(dòng)定律這一根本的方法入手,通過(guò)對(duì)物體受力分析,建立加速度方程式,分析出物體運(yùn)動(dòng)的速度與加速度的關(guān)系,由物體做加速度減小的加速運(yùn)動(dòng)——這一運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)得出物體加速度為零時(shí)速度最大.

2.6 追“遠(yuǎn)”溯源

學(xué)生經(jīng)歷“平衡位置”的探源、溯源、辨?zhèn)尾⒗迩迤胶馕恢玫亩x、特質(zhì)和運(yùn)動(dòng)學(xué)特點(diǎn)的研學(xué)過(guò)程,可以在頭腦中提煉和升華物理概念,提升“物理觀念”,同時(shí)可以對(duì)“平衡位置”的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律從物理學(xué)的視角進(jìn)一步加深理解和認(rèn)識(shí),錘煉了“物理思維”.教師進(jìn)一步指導(dǎo)學(xué)生利用網(wǎng)絡(luò)百度百科,再次對(duì)概念進(jìn)行廣泛的甄別,同時(shí)指導(dǎo)學(xué)生搜索全國(guó)各地高考中涉及“平衡位置”模型的真題和高考模擬試題,讓學(xué)生根據(jù)自己的新認(rèn)識(shí)分析命題立意、命題情境,甄別試題的科學(xué)性,進(jìn)而從信息的獲取與處理、物理問(wèn)題的論證與解釋等角度培養(yǎng)學(xué)生“科學(xué)探究”的方法.例如,在圖5中,給出光滑直桿與豎直方向的夾角,指導(dǎo)學(xué)生從動(dòng)力學(xué)和功能關(guān)系的角度分析滑塊A在M點(diǎn)下方運(yùn)動(dòng)時(shí)能否出現(xiàn)速度最大的位置與A、B質(zhì)量的有無(wú)關(guān)系,以及A、B是否能同時(shí)達(dá)到最大速度.

3 “云課堂”微研究教學(xué)的意蘊(yùn)

“云課堂”微研究教學(xué)是基于學(xué)生自需,教師指導(dǎo)學(xué)生研究、引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的一種教學(xué)方式.“云課堂”微研究教學(xué)是教學(xué)方式的一種創(chuàng)新,其旨在通過(guò)創(chuàng)設(shè)學(xué)生積極參與、樂(lè)于探究、善于實(shí)驗(yàn)、勤于思考的學(xué)習(xí)情境,培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力.教學(xué)方式多樣化是新課程標(biāo)準(zhǔn)提出培養(yǎng)新型人才的需求.高中物理新課程提倡通過(guò)多樣化的教學(xué)方式,利用現(xiàn)代信息技術(shù),引導(dǎo)學(xué)生理解物理學(xué)的本質(zhì),整體認(rèn)識(shí)自然界,形成科學(xué)思維習(xí)慣,增強(qiáng)科學(xué)探究能力和解決實(shí)際問(wèn)題的能力.[4]

“云課堂”微研究教學(xué)是基于學(xué)生有一定知識(shí)、能力基礎(chǔ)和興趣愛(ài)好的一種單元整體教學(xué)實(shí)踐.學(xué)生需要通過(guò)多個(gè)情境,利用多種知識(shí)分析理解同一概念或規(guī)律,通過(guò)去偽留真、辨析緣由以達(dá)到對(duì)概念和規(guī)律的自我認(rèn)識(shí).正如佐藤正夫所說(shuō)只有當(dāng)學(xué)生自己去獲得概念時(shí),即概念的個(gè)別特質(zhì)是通過(guò)學(xué)生個(gè)人主動(dòng)地進(jìn)行思維,加以掌握時(shí),概念才能實(shí)際成為學(xué)生自身的東西.學(xué)生以這種方式,從無(wú)知到知,從不準(zhǔn)確、不完全的知到更準(zhǔn)確、更完全的知,在基本的科學(xué)概念獲得有次序、有系統(tǒng)的發(fā)展時(shí),得以掌握知識(shí).[5]

“云課堂”微研究教學(xué)是立足于云數(shù)據(jù)和資源,學(xué)生根據(jù)興趣自主研究的一種學(xué)習(xí)方式.就學(xué)習(xí)方式上而言更是側(cè)重于學(xué)生個(gè)體的自主研習(xí).從學(xué)習(xí)本質(zhì)上說(shuō),個(gè)別學(xué)習(xí)必須依靠學(xué)習(xí)者自己去獨(dú)立解決問(wèn)題、完成課題、獨(dú)立思考和行動(dòng).從教育學(xué)的角度正確地插入符合目的的個(gè)別學(xué)習(xí),對(duì)于自我教育態(tài)度與能力的培養(yǎng)具有特別的意義.[5]從科學(xué)素養(yǎng)的落實(shí)上來(lái)說(shuō),學(xué)生自主研學(xué)可以保留其學(xué)習(xí)和研究物理的好奇心與追求欲,可以使其主動(dòng)與他人合作,尊重他人,能基于證據(jù)和邏輯發(fā)表自己的見(jiàn)解,實(shí)事求是,不迷信權(quán)威,[8]形成科學(xué)的探究意識(shí)和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任.