鄭延平 席靖

摘 要：運用常見的木板、鉤碼等器材設(shè)計創(chuàng)新實驗，優(yōu)化《應(yīng)用牛頓運動定律解決問題（一）》的教學(xué)情境。應(yīng)用創(chuàng)新實驗創(chuàng)設(shè)的情境更具有趣味性，在操作和觀察的過程中，學(xué)生能將親身體驗與理性思考有機結(jié)合起來，有效地提高應(yīng)用牛頓運動定律解決問題的能力，同時能提升模型建構(gòu)、推理和論證的思維，強化運動觀念和相互作用觀念。

關(guān)鍵詞：創(chuàng)新實驗;情境;優(yōu)化;應(yīng)用牛頓運動定律解決問題

情境對學(xué)生學(xué)習(xí)物理知識和應(yīng)用物理知識解決問題都至關(guān)重要。一方面，物理概念的建立和規(guī)律的得出是為了解釋自然現(xiàn)象或解決實際問題，因此，物理知識在其對應(yīng)的情境中才有意義，物理知識的學(xué)習(xí)也就不能脫離相應(yīng)的情境。最新版的《普通高中物理課程標準》中建議“在教學(xué)設(shè)計和教學(xué)實施過程中要重視情境的創(chuàng)設(shè)，創(chuàng)設(shè)情境進行教學(xué)，對培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)具有關(guān)鍵作用?！绷硪环矫?，學(xué)習(xí)物理不僅要掌握物理知識，更重要的是能用已學(xué)的知識解決實際問題。運用物理知識解決實際問題能力的高低，往往取決于學(xué)生將情境與知識相聯(lián)系的水平。這就要求學(xué)生能把描述情境的文字轉(zhuǎn)化為物理語言，能把實際情境轉(zhuǎn)化為物理情境，即能夠建立物理模型，才能用已學(xué)的知識和規(guī)律靈活地解決問題。因此，具有很強的“生活化”的情境才會促使學(xué)生經(jīng)歷將“實際情境”轉(zhuǎn)化為“物理情境”的思維過程，學(xué)生才能強化閱讀理解情境，從而建立物理模型的思維和推理論證的思維，進而提高運用所學(xué)知識解決實際問題的綜合能力，達成學(xué)以致用的目標?！稇?yīng)用牛頓運動定律解決問題（一）》是應(yīng)用已學(xué)知識解決物理問題的重要課時，是對運動學(xué)規(guī)律、相互作用規(guī)律和牛頓運動定律的綜合應(yīng)用，對學(xué)生提升核心素養(yǎng)十分重要，但是教材中提供的大多例題是已經(jīng)模型化的純科學(xué)問題，學(xué)生直接在已經(jīng)簡化抽象出來的物理情境中解決問題，沒有經(jīng)歷將“實際情境”轉(zhuǎn)化為“物理情境”的建構(gòu)模型的過程，這減慢了學(xué)生模型建構(gòu)、推理和論證等思維的發(fā)展。

創(chuàng)新實驗是創(chuàng)設(shè)情境的有效途徑之一，本文運用木板和鉤碼等常見的器材設(shè)計了一系列創(chuàng)新實驗，創(chuàng)設(shè)了水平面上與斜面上已知受力情況確定運動情況和已知運動情況確定受力情況的兩類基本動力學(xué)問題的游戲情境。應(yīng)用創(chuàng)新實驗創(chuàng)設(shè)的情境更具“生活化”和趣味性，更能激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的興趣，學(xué)生在情境中的親身體驗和感知更加豐富，這更有利于學(xué)生突破難點和思維的發(fā)展。

一、水平面上已知受力情況求解運動情況

1.創(chuàng)新實驗設(shè)計

（1）水平木板制作：如圖1所示，將鋁塑板粘在木板的一面，制成如圖的水平板子，板子表面平整，理想化地認為板子上各處的動摩擦因數(shù)相同。在距左端0.5 m和0.6 m處做好標記。

（2）滑塊制作：如圖2所示，滑塊由50g的鉤碼制成。實驗時鉤碼實心部分在下，保證鉤碼的重心更低，滑動更加穩(wěn)定，操作更加方便。

2.課堂實錄

（1）應(yīng)用創(chuàng)新實驗創(chuàng)設(shè)水平面上的游戲情境

師：同學(xué)們，我們來玩一個游戲，這是一塊木板和滑塊，可認為它的表面粗糙程度處處相同，并且已測得滑塊與木板之間的動摩擦因數(shù)μ=0.2?，F(xiàn)給靜止于木板左端的滑塊一個初速度v0，滑塊在木板上開始滑動，若滑塊能停在距左端x1=0.5 m和x2=0.6 m之間的目標區(qū)域，則游戲成功，就能獲得獎品一份。

（2）學(xué)生先分組體驗，再全班比賽

師：請大家分組合作，開展游戲，先練習(xí)操作，然后每個小組推選出一個代表參加比賽。

生：體驗游戲，并思考如何才能使游戲成功，然后各小組推選出參賽代表。

師：組織參賽代表按順序比賽。

生：參賽代表操作游戲，其他學(xué)生觀察思考。

師：宣布獲勝學(xué)生，頒發(fā)獎品，并評價學(xué)生的表現(xiàn)。

（3）提出問題，引入研究主題

師：在該游戲中，哪個物理量決定了游戲能否成功？

生：滑塊的初速度。

師：如何應(yīng)用現(xiàn)有的已知條件求出能讓游戲成功的初速度的范圍？

（4）引導(dǎo)學(xué)生從運動問題入手，逆向推理論證，思考解決問題

師：該問題的研究對象是什么？

生：滑塊。

師：要求解滑塊的初速度就要從物體的運動情況入手，我們先對物塊的運動情況做一個簡要的分析，通過觀察已經(jīng)知道了物塊的哪些運動學(xué)量？

生：已知運動的位移的最大值和最小值，且末速度為零。

師：要求解初速度，我們還要確定滑塊的運動性質(zhì)，才能應(yīng)用相應(yīng)的規(guī)律解決問題，我們觀察到了滑塊做的是減速運動，那么請同學(xué)們猜想滑塊做的是怎樣的減速運動。

生：勻減速直線運動。

師：如何驗證物塊做勻減速直線運動？

生：求解物塊的加速度，若加速度保持不變，就能驗證物塊做的是勻減速直線運動。

師：用什么規(guī)律求解物塊的加速度？

生：用牛頓第二定律求解物塊的加速度。

師：要用牛頓第二定律求解物塊的加速度，首先要求解哪個關(guān)鍵量？

生：首先求解物塊受到的合力。

師：物塊在這個情境中受到了哪些力？物塊的速度減小是哪個力的作用效果？

生：物塊受到了重力、支持力和滑動摩擦力，物塊的速度減小是摩擦力的作用效果。

（5）引導(dǎo)學(xué)生從受力情況入手，順向推理論證，思考解決問題

師：根據(jù)上面的分析，要解決運動問題，分析物體的受力和求解合力是關(guān)鍵所在，那么請同學(xué)們做出受力示意圖，并求出合力。

生：做出受力示意圖如圖所示，求得合力是：F=Ff=-μmg

師：利用牛頓第二定律求得加速度是多少？

生：由F=Ff=ma求得a=-μg。

師：物塊直線運動的性質(zhì)是什么？

生：物塊的加速度恒定，物塊做的是勻減速直線運動。

師：用什么運動學(xué)規(guī)律求解物塊的初速度？請同學(xué)們求解。

師：展示完整規(guī)范的解答過程，強化解題方法，強調(diào)解題的書寫規(guī)范。

解：對滑塊受力分析可得：

由牛頓第二定律得：

生：掌握規(guī)律的應(yīng)用，學(xué)習(xí)規(guī)范解答過程，糾正和完善解題細節(jié)。

（6）引導(dǎo)學(xué)生感悟解題思路

師：請同學(xué)們先自己感悟求解此類問題的主要思路和方法，并請幾位學(xué)生展示幾種典型的思路和方法。

生：將自己感悟出思路和方法與其他同學(xué)的進行比較反思，并不斷改進。

師：逐步引導(dǎo)學(xué)生感悟以下常用的解題思路和方法。

3.教學(xué)效果評價

（1）與一般常見的乏味的物理情境相比較，應(yīng)用創(chuàng)新實驗創(chuàng)設(shè)的游戲情境更能引起學(xué)生的興趣，激發(fā)學(xué)生主動思考的欲望，在不斷嘗試游戲的過程中，學(xué)生自然而然地會提出問題，相比于課本中例題的直接提問，這種方式更能促生學(xué)生主動學(xué)習(xí)。（2）學(xué)生在參與游戲的過程中有了自身的感知體驗，為后面的思維活動奠定了基礎(chǔ)。（3）學(xué)生在解決問題時，先將滑塊理想化地看作質(zhì)點，再對滑塊的運動情況和受力情況進行分析，最后應(yīng)用牛頓第二定律將運動學(xué)和力學(xué)聯(lián)系起來解決實際問題，學(xué)生經(jīng)歷了把一個“看得見、摸得著”的實際情境轉(zhuǎn)化為“理想化、抽象化”的物理情境，在綜合應(yīng)用所學(xué)規(guī)律解決問題的過程中，能有效提高將實際情境轉(zhuǎn)化為物理情境的模型建構(gòu)思維和推理、論證的思維。（4）學(xué)生經(jīng)過受力分析和運動分析，以及應(yīng)用牛頓第二定律成功求解問題后，在大腦中強化了從受力角度和運動角度分析、解決問題的意識，運動學(xué)知識、相互作用知識和牛頓運動定律在大腦中得到了升華，真正提升了運動觀念和相互作用觀念。（5）在游戲情境中，經(jīng)過從要求解的運動情況到受力情況的逆向推理論證和從受力情況求解運動情況的順向推理論證，更有助于學(xué)生熟練掌握已知受力情況確定運動情況的方法。

二、斜面上已知受力情況求解運動情況

1.創(chuàng)新實驗設(shè)計

如圖3所示，測量計算好斜面的角度和各邊長度，制作成傾角為60°的斜面，將鋁塑板粘在斜面表面。斜面與水平面的拼接處進行圓弧處理，并將鉤碼的周邊打磨圓滑（如圖2所示），目的是鉤碼從斜面上滑下后不與水平面發(fā)生明顯碰撞，理想化地認為鉤碼能平穩(wěn)地滑過接口處。

2.課堂實錄

師：同學(xué)們，為了使游戲更容易成功，現(xiàn)借助一個斜面來調(diào)控滑塊滑上水平面的速度，滑塊與斜面之間的動摩擦因數(shù)也為μ=0.2.為了到達目標區(qū)域，釋放物塊處與斜面底端的距離x應(yīng)是多大？請同學(xué)們操作體驗，并同時思考如何求解。

生：動手體驗，思考問題。

師：該問題的研究對象是什么？

生：滑塊。

師：物塊在斜面上運動的過程中受力情況如何？怎樣求解合力？合力是多大？

生：物塊在斜面上受到了重力、支持力和滑動摩擦力，沿斜面和垂直斜面建立正交軸，將力先按這兩個方向進行正交分解，再求解合力。

師：求出合力后如何求解加速度？

生：應(yīng)用牛頓第二定律。

師：求出加速度后如何求解斜面上的位移？

師：請同學(xué)們按前面的思路自主解決問題。

生：應(yīng)用已學(xué)知識求解問題。（教師巡查學(xué)生的求解情況，并進行啟發(fā)性指導(dǎo)）

師：用投影展示求解過程中的典型錯誤，引導(dǎo)學(xué)生分析錯誤的原因和正確的求解方法。

生：通過典型錯誤的糾正加強掌握斜面上受力分析和求解合力的方法。

師：請同學(xué)們在剛才的基礎(chǔ)上再糾正自己的錯誤，正確完整地求解問題。

生：糾正錯誤，完善解題過程。

師：用投影展示學(xué)生正確規(guī)范的解題過程，強調(diào)解題的書寫規(guī)范，并進行鼓勵和表揚。

解：選滑塊為研究對象，對其受力分析如下所示：

生：對比反思，加深理解解題方法，學(xué)習(xí)解題的書寫規(guī)范。

3.教學(xué)效果評價

（1）應(yīng)用斜面和鉤碼創(chuàng)設(shè)了可以真正體驗的情境，學(xué)生在將實際情境轉(zhuǎn)化為物理情境的過程中，再一次提升了模型建構(gòu)和推理、論證的思維，建立了相互作用觀念和運動觀念。（2）將水平面上的情境變化到了斜面上的情境，雖然受力分析和合力求解更加復(fù)雜，但解決問題的方法依然是應(yīng)用牛頓第二定律將受力情況和運動情況聯(lián)系起來，學(xué)生經(jīng)過強化理解，能更加熟練地解決此類問題。（3）學(xué)生在體驗游戲的過程中，充分地觀察了物塊在斜面上的受力和運動，具備了求解問題的感知經(jīng)驗，有效地幫助學(xué)生正確地分析斜面上的受力情況并求解合力，特別是在課堂上針對學(xué)生的典型錯解進行討論和探索，有效突破了學(xué)生求解斜面問題的頑固易錯點和難點。

三、感悟理解兩類基本動力學(xué)問題的特點和求解方法

師：解決這兩類基本的動力學(xué)問題，首先應(yīng)做什么工作？

生：確定研究對象。

師：確定研究對象后，要解決問題應(yīng)從哪些角度切入分析，要做哪些工作？

生：應(yīng)從相互作用的角度出發(fā)進行受力分析和應(yīng)從運動的角度出發(fā)運動分析。

師：受力分析和運動分析后應(yīng)如何解決問題？有哪些常見的情形？

生：如果是已知受力情況確定運動情況，就先求解合力，再應(yīng)用牛頓第二定律求得加速度，應(yīng)用運動學(xué)規(guī)律確定運動情況;如果是已知運動情況確定受力情況，就先應(yīng)用運動學(xué)規(guī)律求得加速度，再應(yīng)用牛頓第二定律求解合力，再確定受力情況。

師生：教師引導(dǎo)，學(xué)生思考，建立解決兩類基本動力學(xué)問題的一般過程和方法的思維導(dǎo)圖，一是確定研究對象，二是要做好受力分析和運動分析，三是應(yīng)用牛頓第二定律將相互作用的規(guī)律和運動學(xué)規(guī)律聯(lián)系起來，已知受力情況求解運動情況或已知運動情況求解受力情況。但要強調(diào)解決實際問題要靈活應(yīng)用所學(xué)規(guī)律，不應(yīng)死板套用。

四、小結(jié)

情境是教學(xué)活動的載體，學(xué)習(xí)同樣的知識和規(guī)律，不同的教學(xué)情境會產(chǎn)生不同的效果，在實際教學(xué)中，應(yīng)根據(jù)知識和規(guī)律的特點與學(xué)生的實際情況選擇更有效的情境實施教學(xué)。物理學(xué)科有一個很大的特點，那就是研究的問題與生活實際緊密相連，在教學(xué)中盡可能以生活實際為背景創(chuàng)設(shè)有趣的情境，這樣就更能促進學(xué)生提升核心素養(yǎng)，也更能體現(xiàn)物理學(xué)科的價值。

注：本文系甘肅省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2019年度一般規(guī)劃課題“基于創(chuàng)新物理實驗培養(yǎng)核心素養(yǎng)的理論與實踐探索與研究”（課題立項號：GS[2019]GHB0603）的研究成果。