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        用變式訓(xùn)練專題提升學(xué)生受力分析能力

        2022-11-16 08:09:54孫春成
        物理教學(xué)探討 2022年10期
        關(guān)鍵詞:題組彈力變式

        孫春成

        江陰市教師發(fā)展中心,江蘇 江陰 214401

        受力分析是高中物理教學(xué)的重要內(nèi)容,對學(xué)生后續(xù)物理學(xué)習(xí)有著奠基作用,同時該內(nèi)容也是高中物理教學(xué)的難點,往往使得教師難教、學(xué)生難學(xué)。為了研究受力分析難教的癥結(jié)所在,找到破解之策,為學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)物理掃清障礙,本文采用小專題變式教學(xué)的方式降低教學(xué)起點,讓學(xué)生從簡單情境開始,逐漸推進到復(fù)雜情境和綜合性問題。小專題變式教學(xué)可以夯實學(xué)生的物理基礎(chǔ)、破除錯誤前概念、掌握受力分析細節(jié)、有效銜接初高中受力分析內(nèi)容、提升學(xué)生思維品質(zhì),從而提升受力分析教學(xué)的效率,更好地讓學(xué)生掌握必備知識、習(xí)得關(guān)鍵能力。

        1 受力分析在高中物理教學(xué)中具有重要地位

        1.1 受力分析是后續(xù)物理學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)

        雖然教材沒有專門章節(jié)提及受力分析,課標也沒有提出明確具體要求,但受力分析貫穿整個物理教學(xué)始終,可以說是物理教學(xué)的重要基礎(chǔ)和關(guān)鍵內(nèi)容。只有真正具有受力分析能力,學(xué)生才能順利完成后續(xù)力與運動、共點力的平衡、牛頓運動定律、動量、功能關(guān)系、電學(xué)、熱學(xué)(氣體壓強、熱力學(xué)定律)等主干知識的學(xué)習(xí)。

        1.2 受力分析是解決物理問題的重要基礎(chǔ)

        解決物理問題尤其是綜合性問題,往往需要確定研究對象后對其進行受力分析,研究其運動狀態(tài)、物理過程,而后運用物理規(guī)律進行求解。受力分析是問題解決的前提,也是重要基礎(chǔ),如果受力分析出錯,那么對運動狀態(tài)、物理過程的分析就會出錯,從而無法正確解決問題。

        1.3 受力分析是培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要載體

        新課標凝練了物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任等學(xué)科核心素養(yǎng)。受力分析與物理觀念和科學(xué)思維這兩個維度的核心素養(yǎng)聯(lián)系密切。首先,受力分析研究的是物體間的相互作用,通過受力分析可以培養(yǎng)學(xué)生相互作用觀念;其次,受力分析往往綜合性較強,各種約束條件、各個物體之間存在相互聯(lián)系和相互制約關(guān)系,受力分析對學(xué)生邏輯思維、求異思維、思維深刻性的發(fā)展都有重要促進作用。

        2 受力分析是高中物理教學(xué)的難點

        2.1 學(xué)生錯誤前概念的阻礙

        受力分析難教、難學(xué)是由多方面的因素造成的,其中一個重要因素是學(xué)生學(xué)習(xí)受力分析之前已經(jīng)有了不少“錯誤”的前概念,阻礙了新知識的建構(gòu)。受力分析時,彈力、摩擦力的有無及方向的判斷是關(guān)鍵、是基礎(chǔ),但是學(xué)生由于錯誤前概念導(dǎo)致其對彈力、摩擦力的學(xué)習(xí)存在缺陷,從而影響了受力分析的正確性。比如,“只有運動的物體才能受到滑動摩擦力”“只有靜止的物體才能受到靜摩擦力”“滑動摩擦力總是阻力,總是做負功”等錯誤前概念。這些錯誤使學(xué)生混淆了運動與相對滑動,混淆了靜止與相對靜止等概念。

        2.2 初高中受力分析臺階較高

        初中階段學(xué)生遇到的問題基本上是一條直線上的力,且力的數(shù)量不多。到了高中階段,研究對象受到力的數(shù)量突然增多,力的方向也由一條直線上變成多條直線上,且高中階段學(xué)生一接觸受力分析就會遇到力的方向不在相互垂直的方向上的情境。這樣學(xué)生逐個分析力的有無、方向,以及探究不同力之間相互關(guān)系的難度都大幅提升,對學(xué)生基礎(chǔ)和思維能力都要求較高,較高的臺階成為學(xué)生學(xué)習(xí)的障礙,使得不少學(xué)生不能正確分析和處理受力。

        2.3 受力分析思維鏈條較長

        受力分析,首先需要依據(jù)研究的問題選取研究對象(涉及整體法、隔離法的選擇),然后用“條件判斷”、假設(shè)法等判斷各個力有無和方向,并畫圖表征各個力,最后將物理語言轉(zhuǎn)化成數(shù)學(xué)語言,利用三角函數(shù)或勾股定理等數(shù)學(xué)知識確定各個力的大小。這一操作過程,對已經(jīng)千錘百煉的物理教師而言很簡單,但對剛上高一的學(xué)生來說,思維過程稍長,具有較大的挑戰(zhàn)性。高一學(xué)生思維處在快速發(fā)展期,思維鏈條越長則學(xué)習(xí)難度越大,目標達成度越低,較長的思維鏈條已成為學(xué)生學(xué)習(xí)受力分析的主要障礙之一。

        3 受力分析變式教學(xué)案例簡述

        3.1 受力分析變式教學(xué)時機

        建議受力分析變式教學(xué)專題安排在學(xué)生學(xué)習(xí)完彈力、摩擦力、牛頓第三定律等內(nèi)容之后,放在力的合成與分解教學(xué)之前。因為,此時學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了重力、彈力、摩擦力等力學(xué)中常見幾種性質(zhì)的力,也學(xué)了力的圖示和力的示意圖,具備進行受力分析的基礎(chǔ),且學(xué)生對牛頓第三定律的掌握有助于其在復(fù)雜情境中轉(zhuǎn)化研究對象,判斷摩擦力、彈力的有無及方向。其次,通過本專題的學(xué)習(xí),提升了學(xué)生的作圖能力和受力分析能力,為其后續(xù)學(xué)習(xí)力的合成與分解、共點力平衡奠定基礎(chǔ)。因此,考慮學(xué)生學(xué)習(xí)基礎(chǔ),本著循序漸進的原則,可以依次開展彈力變式、摩擦力變式、綜合受力變式等內(nèi)容的教學(xué)。

        3.2 受力分析變式教學(xué)題組及分析

        3.2.1 彈力為主的變式題組

        彈力變式題組由8個圖構(gòu)建的情境組成,如表1所示,從第1行到第2行依次稱之為圖(1)到圖(8)。表1中各圖接觸面均光滑,要求學(xué)生畫出小球的受力分析示意圖。

        表1 彈力變式題組

        設(shè)計意圖:本題組是為了夯實彈力有無判斷和彈力方向的確定,為后面綜合性強、更為復(fù)雜情境中物體受力分析奠定基礎(chǔ)。初學(xué)時,學(xué)生在圖(1)、圖(7)完成受力分析后幾乎陷入思維定式,導(dǎo)致在圖(2)、圖(4)、圖(8)所展示的情境中,學(xué)生容易判斷錯誤,他們會認為這幾幅圖的情境中接觸物和小球之間一定有擠壓,存在彈力,相關(guān)學(xué)習(xí)可以有效破除學(xué)生的思維定式。思維定式的破除可以讓學(xué)生更好地掌握必備知識,發(fā)展科學(xué)思維能力。

        3.2.2 摩擦力為主的變式題組

        以摩擦力為主的變式題組,由3個小題組組成,表2中每一行為一個單獨的小題組,每一小題組由4幅圖組成,從左向右依次稱為圖(1)、圖(2)、圖(3)、圖(4),各圖中所有接觸面均粗糙,讓學(xué)生對物體進行受力分析。

        表2 摩擦力變式題組

        設(shè)計意圖:

        題組1,圖(1)中物體放在水平面上,向右滑動,夯實滑動摩擦力在基礎(chǔ)情境中的判斷。圖(2)中物體在外力作用下靜止,鞏固靜摩擦力有無的判斷,確定摩擦力的方向和大小。圖(3)中物體在外力F作用下向右運動,與圖(1)形異質(zhì)同,可以在受力分析結(jié)束后追問學(xué)生圖(1)中物體做何種運動,圖(3)中物體做何種運動。目的在于加深學(xué)生的印象,培養(yǎng)學(xué)生分類討論的能力。圖(4)在圖(3)的基礎(chǔ)上將運動方向改為向左,外力F與運動方向不同,受外力F的干擾,不少學(xué)生會將滑動摩擦力方向判斷錯誤,本情境的引入可以突破學(xué)生的思維定式,強化滑動摩擦力方向與相對滑動方向相反這一基本知識。

        題組2,本題組可以讓學(xué)生區(qū)分清楚“運動方向”與“相對滑動方向”,為破除錯誤前概念奠定基礎(chǔ)。物體剛放上傳送帶時的情境分析[圖(1)、圖(3)],可以破除“相對滑動方向就是運動方向”的錯誤認知,相對滑動是以摩擦力的施力物體為參考系,運動一般是以地面為參考系,二者未必方向一致,這兩個情境中物體相對于傳送帶向左(或沿傳送帶向下)滑動,而相對地面的運動方向是向右(或沿傳送帶向上),二者相反。圖(2)所示情境中,判斷滑動摩擦力的有無,可滲透假設(shè)法、運動狀態(tài)法,為分析圖(4)奠定基礎(chǔ)。圖(4)中,物塊受到的靜摩擦力是動力,做正功,學(xué)生對圖(4)與圖(1)情境判斷可以破除其如下錯誤前概念:滑動摩擦力總做負功;靜止的物體才會受到靜摩擦力;靜摩擦力不做功。

        題組3,本題組是在題組1的基礎(chǔ)上變化而來,目的是將物體置于斜面上后受力分析變得復(fù)雜,這是學(xué)生今后經(jīng)常遇到的情境,通過本題組可以強化學(xué)生對滑動摩擦力和靜摩擦力的判斷,訓(xùn)練學(xué)生的思維能力,提升分析問題的能力,還可以通過圖(4)訓(xùn)練學(xué)生分類討論的能力。

        3.2.3 綜合性受力分析變式題組

        在夯實彈力、摩擦力的基礎(chǔ)后,為了提升學(xué)生在復(fù)雜情境中受力分析的能力,筆者設(shè)計了表3中的題組。本題組由表3中的8幅圖、兩個小題組構(gòu)成,每一行中4幅圖為一個獨立的題組,從左向右依次稱為圖(1)、圖(2)、圖(3)、圖(4)。題組1中各圖中物體A、B、C、D的質(zhì)量均為m,在力F作用下處于靜止狀態(tài),讓學(xué)生分別畫出物體A、B、C、D的受力分析示意圖,并標出各接觸面靜摩擦力的大小。題組2為疊放體問題,物體A、B疊放在一起,各接觸面均粗糙,讓學(xué)生畫出物體A、B各自的受力分析示意圖,并標注摩擦力的大小。

        表3 綜合性受力分析變式題組

        設(shè)計意圖:

        題組1,研究對象逐漸增多,受力分析難度逐漸增加,對學(xué)生要求越來越高,學(xué)生需要不停變換研究對象,不斷切換整體法和隔離法。通過本題組可以進一步夯實彈力、靜摩擦力的知識,強化整體法和隔離法以及假設(shè)法和運動狀態(tài)法的應(yīng)用,對學(xué)生掌握知識本質(zhì)、領(lǐng)悟方法,提升思維水平有重要作用。

        題組2,物體A、B疊放在一起置于水平面上,力F作用在不同的物體上、處于不同狀態(tài)時,所受摩擦力的類型、大小、方向都會隨之變化,通過4幅圖所展示的相似度極高的情境,可以更進一步促進學(xué)生掌握知識,提升思維水平。

        以上各題組,都要求學(xué)生規(guī)范、認真畫出研究對象的受力分析示意圖。通過讓學(xué)生畫圖,訓(xùn)練學(xué)生良好的作圖習(xí)慣,并在講解過程中規(guī)范作圖,強調(diào)作圖的細節(jié),包括作用點的位置、箭頭的標識、線段長短大致合乎比例、線段方向要準確等。通過訓(xùn)練和細節(jié)的強調(diào),培養(yǎng)學(xué)生的作圖意識,提升學(xué)生的作圖能力和作圖素養(yǎng)。

        4 受力分析變式訓(xùn)練效果分析

        4.1 有利于鞏固物理基礎(chǔ),掌握必備知識

        “必備知識與關(guān)鍵能力一樣,是學(xué)科素養(yǎng)的基礎(chǔ)支撐”。掌握必備知識,在學(xué)生頭腦中形成關(guān)于相互作用的物理觀念,才能“從物理學(xué)視角分析客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系”,從而實現(xiàn)對學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng)。小專題變式教學(xué)起點低,各個小題組都從學(xué)生熟悉的簡單情境開始,可以照顧到各種能力水平的學(xué)生,有利于保護學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性,與此同時,逐步推進也可以讓學(xué)生能夠更好地鞏固基礎(chǔ)知識、基本概念。此外,還有利于破除學(xué)生的錯誤前概念,為學(xué)生掌握必備知識奠定基礎(chǔ)。小專題變式教學(xué)為學(xué)生構(gòu)建了不同的物理情境,這些情境有些形同質(zhì)異、有些形異質(zhì)同,有些與學(xué)生原有經(jīng)驗吻合,有些則與學(xué)生原有認知矛盾,通過對這些情境中的物體受力分析,有利于學(xué)生去偽存真,構(gòu)建正確認知,破除錯誤前概念。“在物理教學(xué)中采用變式教學(xué)有利于厘清、把握物理學(xué)科的本質(zhì)屬性,從而以科學(xué)概念取代錯誤前概念?!?/p>

        4.2 有利于學(xué)生掌握受力分析細節(jié),習(xí)得關(guān)鍵能力

        通過受力分析的細節(jié)可以透視學(xué)生知識掌握情況、思維水平、方法掌握情況等。夯實細節(jié),不僅能促進學(xué)生掌握知識,更能夠提升學(xué)生的作圖能力、信息轉(zhuǎn)化能力、語言表達能力、抽象思維能力、演繹推理能力等。采用小專題變式教學(xué),可以強化學(xué)生在受力分析時對方法的選擇、復(fù)雜情境中轉(zhuǎn)化研究對象、提升作圖精確度等能力,也可以強化學(xué)生在受力分析時按照重力、彈力、摩擦力、其他力的順序依次開展,避免漏力和添力。教學(xué)中,知識難點的教學(xué)應(yīng)將過程細小化,從細處入手,小步子推進,逐漸達成目標,如此將有利于學(xué)生掌握知識、習(xí)得能力、領(lǐng)悟方法。

        4.3 有利于促進學(xué)生深度學(xué)習(xí),落實學(xué)科素養(yǎng)培養(yǎng)

        學(xué)科素養(yǎng)包括學(xué)習(xí)掌握、實踐探索、思維方法3個一級指標。首先,小專題變式教學(xué)有利于讓學(xué)生掌握思維方法。小專題變式教學(xué),在分析一些關(guān)聯(lián)度較高的形同質(zhì)異或形異質(zhì)同的情境時,對學(xué)生思維嚴密性、深刻性、靈活性等方面有較高的要求,需要學(xué)生深入分析,去偽存真,掌握方法,剖析本質(zhì),分析過程對學(xué)生的思維品質(zhì)提升起到很好的促進作用。學(xué)生掌握了基礎(chǔ)知識,掌握了分析問題的方法,思維品質(zhì)提升后,更易解決思維鏈條較長的復(fù)雜的綜合性物理問題。其次,小專題變式教學(xué)讓受力分析教學(xué)系統(tǒng)化,有利于促進學(xué)生整合知識。以往受力分析的教學(xué),多采用見縫插針式教學(xué),在遇到具體問題時,在習(xí)題教學(xué)中碎片式滲透教學(xué)。這會導(dǎo)致學(xué)生在思想上對受力分析重視不夠,即使教師反復(fù)強調(diào)其重要性,但實際教學(xué)中學(xué)生卻沒有真切的感受。此外,教學(xué)內(nèi)容零散,不利于學(xué)生系統(tǒng)掌握受力分析的技巧、方法,不利于學(xué)生融會貫通。以小專題形式開展變式教學(xué),可以促進學(xué)生在思想上重視受力分析的學(xué)習(xí),更能夠讓學(xué)生高度聚焦學(xué)習(xí)內(nèi)容,由淺入深逐步推進,能夠更系統(tǒng)地掌握受力分析的方法,提升自己受力分析的能力。

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