“淺入深出”為解決物理教學(xué)難點鋪設(shè)階梯

張作銘

(浙江省溫州市龍灣中學(xué),浙江溫州 325024)

認知心理學(xué)將認知過程看成一個由信息的獲得、編碼、貯存、提取和使用等一系列連續(xù)的認知操作階段組成的按一定程序進行信息加工的系統(tǒng).但是在教學(xué)過程中有一種現(xiàn)象不容忽視,那就是教師精心設(shè)計,傾力實施的教學(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)過程中主體思維容易受阻,使得學(xué)生對知識的理解由于突然或跨度太大出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象,在知識目標和能力目標的達成上存在著一定的缺陷.一些接受能力較低、較弱的學(xué)生就無法將基本信息進行編碼、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,讓學(xué)生在符合思維邏輯和力所能及的過程中實現(xiàn)知識意義建構(gòu),是教師面臨的重要課題,關(guān)注并思考這一課題,對物理教學(xué)具有一定的現(xiàn)實意義.

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”進行的,所以教師在教學(xué)的過程中,要重視對學(xué)生建模意識的培養(yǎng),使學(xué)生在解決物理問題時能清晰地構(gòu)建出符合情景條件的物理模型,迅速找到解決問題的方法,從而達到培養(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用輕繩連接并跨過滑輪(不計滑輪的質(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?

筆者在平時教學(xué)中發(fā)現(xiàn)學(xué)生對 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,對于高一初學(xué)者而言,這就是臺階過高現(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,教學(xué)效果將會大有不同.

如首先引進連接體的最基礎(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的作用下向左運動,如圖2所示,求當(dāng) P物塊運動h距離時刻的速度為多少?

圖2

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

根據(jù)牛頓第二運動定律可知

由運動學(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,于是本題的求解過程回歸到基本模型中.

根據(jù)牛頓第二運動定律可知

圖4

提升2:整個裝置和條件與提升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距離時刻的速度.

分析:教師強調(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(連接繩拖動滑輪轉(zhuǎn)動方向相反),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)牛頓第二運動定律可知:

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完美對接.

教師能通過類比分析、逐步推進的方式引導(dǎo)到這種程度,一切就水到渠成了,當(dāng)然要把例1的結(jié)果求解出來應(yīng)該不是問題.這種利用“基本模型”淺入,然后慢慢提升條件,最后實現(xiàn)學(xué)會綜合分析“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,還能培養(yǎng)學(xué)生清晰的邏輯思維能力,把所學(xué)知識整合運用、正向遷移,有利于知識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的斜桿上,斜桿與水平方向的夾角 θ=37°,球與桿間的動摩擦因數(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動.若拉力F作用1 s后撤去,問小球運動到最高點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:這是一道典型的運用牛頓運動定律解決加速度變化的多過程問題,在近幾年的高考中頻繁出現(xiàn)在物理部分第一道計算題中,對于剛學(xué)習(xí)必修1的高一學(xué)生來說,是有很大難度的.首先是因為先后兩個過程的加速度不同,且牽涉多條計算公式;其次是因為對力F的分解上存在思維障礙以及拉力F的分力對摩擦力的影響.對于這類問題我們教師如果不給學(xué)生剖析基本模型或者設(shè)置的梯度過大都會造成思維受阻.

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位置向右加速運動,經(jīng)過時間 t物塊到達B位置,拉力撤去,物塊繼續(xù)運動到C點停止,已知物塊與地面的動摩擦因數(shù)為μ.求:物塊從開始運動到最后停止時運動的距離是多少?

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,許多成績較弱的學(xué)生就容易犯一個典型錯誤,把在 AB段求得的摩擦力代入BC段計算,其實,物塊在BC滑動中,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段運動的摩擦力要大.這一環(huán)節(jié)也體現(xiàn)了本文所論述“淺入”的必要性,如果沒有這一臺階,相信許多學(xué)生就會卡在這里,無法做到“深出”了.

圖8

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

分析:從圖7過渡到圖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,對這種改動一般不會有障礙.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動了.

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

2 利用“生活體驗”淺入深出

物理知識源于生活,是對物質(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)系社會實際.學(xué)生知識的獲得是學(xué)習(xí)者通過對舊知識和生活經(jīng)驗進行分析、歸納、總結(jié)、推理得來.因此教師在教學(xué)設(shè)計上需要從學(xué)生認知特點出發(fā),從感性認識入手,為學(xué)生提供真實、生動的情景.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)境中對生活實例進行分析,才能發(fā)現(xiàn)有價值的一般性規(guī)律,才能從原始的感性認識上升到理性認識,實現(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)中就無法靈活地運用這些概念,更談不上對這些知識進行拓展延伸,所以只有從學(xué)生的“生活體驗”淺入,學(xué)生才容易理解,才能激發(fā)起學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性,在此基礎(chǔ)上得到的知識才是“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,出示如下生活情境問題淺入:

思考1:學(xué)生們都有乘坐電梯的生活體驗,請大家回憶一下當(dāng)電梯向上啟動的感覺和即將要停下來的感覺有什么不同?還有這兩種感覺與電梯沒有啟動靜止時又有什么不一樣呢?然后觀看運動的電梯內(nèi)學(xué)生健康稱示數(shù)變化的視頻.(此實驗是由本班同學(xué)親自參與并錄制的,有很強的真實性,學(xué)生感覺特別親切)

思考2:汽車開在顛簸起伏的路面上行使時,汽車突然上升或下降時乘客有什么感覺?這種感覺與乘坐電梯一樣嗎?請兩位有過經(jīng)歷的學(xué)生說說當(dāng)時的感覺.

學(xué)生通過觀察發(fā)現(xiàn)電梯中的體重計示數(shù)在電梯啟動向上、即將停止和靜止不動時都各不相同,那到底是什么原因引起示數(shù)的變化呢?由于問題是來自學(xué)生平時的實際生活,真實而又普遍,所以學(xué)生的求知欲望特別強烈.

分析:電梯向上加速時,人要獲得向上的加速度,所以體重計對人的支持力應(yīng)當(dāng)大于人的重力,而人對體重計的壓力與體重計對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,利用同樣的方法分析可以得到人對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到低層停止呢?要求學(xué)生模仿教師上面的分析,自己通過畫出受力圖示(如圖9)的方法得出結(jié)論.這就是教師牽著學(xué)生知識爬坡的過程,也是學(xué)生對知識意義建構(gòu)的過程.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,與速度方向無關(guān);加速度向上為超重,與速度方向無關(guān)的結(jié)論.具體受力分析過程如圖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淺入,如在紙帶中間部位剪個小缺口,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動,這時紙帶沒有斷;然后向下勻速運動,紙帶依然沒有斷;提著重物向下加速運動,突然停住,紙帶斷裂(如圖10所示).

教師在指導(dǎo)學(xué)生知識的層層推進過程中,要注意兩個基本環(huán)節(jié),一是在變化的情景和條件中不斷梳理強化隱藏的規(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

(這個實驗的設(shè)計簡單而巧妙,做向下加速實驗前,可先讓學(xué)生們猜測.讓人直接體驗了超重,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)下物塊對紙帶的拉力各不相同,同時對照電梯中的情景,學(xué)生對超重與失重的理解就又推進一步了.物體對支持物的壓力(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,將會發(fā)生什么現(xiàn)象?這是結(jié)果外推的過程,引導(dǎo)學(xué)生深層次理解超重與失重.

引出概念:如果一個物體對支持物的壓力(或?qū)覓煳锏睦?為零,稱為完全失重現(xiàn)象.課堂推進到此,學(xué)生應(yīng)該基本理解并接受完全失重知識,但還是很難想象完全失重時的真實情形,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”淺入.

圖11

準備一個側(cè)面靠底部鉆有小孔、里面裝水的可樂瓶,先用手指閉住小孔.

(1)教師松開手指,手拿可樂瓶勻速下降,可看到水從小孔噴出.

推進:

(2)把手松開,讓可樂瓶自由下落,可觀察到下落過程中,水并沒有從小孔噴出.

再推進:

(3)如圖11所示,如果在可樂瓶的底面打一小孔,先用手堵住小孔,然后讓可樂瓶豎直向上拋出,問:此時,水還會不會再從小孔中噴出?(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,增強思維沖突.這一問,還真不敢輕易下結(jié)論!實驗前,可先讓學(xué)生們猜測.)

分析:學(xué)生對可樂瓶自由下落時水不會噴出,已經(jīng)感到很好奇,對可樂瓶向上拋出時,水也不會噴出就感到更驚奇了,如果沒有真實體驗的淺入方式,就很難達到深層次的理解.

上面幾個實例是每個學(xué)生都有過的體驗,如果課堂是從這些最真實的體驗開始淺入,那就完全符合認知心理規(guī)律.這些從實際生活截取的最低層次的經(jīng)驗素材,是學(xué)習(xí)的起點,也是探究物質(zhì)規(guī)律的基石.通過開發(fā)學(xué)生體驗過的生活實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)生生活實際的距離.只有讓學(xué)生充分地分析、討論這些具體問題,才能感知到物理知識在生活中真實存在,體現(xiàn)“從生活走向物理”的要求.