運(yùn)用“思維圖象法”開展高中物理《動(dòng)能定理應(yīng)用》的教學(xué)

摘 要：如何提高學(xué)生抽象思維能力的研究延續(xù)至今，然而學(xué)生之間的差異性使得部分學(xué)生無法達(dá)到較高的抽象思維水平.根據(jù)數(shù)學(xué)教父薩爾曼？可汗的可視化教學(xué)理念，嘗試如果能夠把物理教學(xué)從抽象變?yōu)樾蜗?，即達(dá)到物理思維過程的可視化，就可以實(shí)現(xiàn)所有學(xué)生都能學(xué)好物理的夢(mèng)想，這種方法稱為“思維圖象法”.本文借助《動(dòng)能定理應(yīng)用》這節(jié)課展示思維圖象法的教學(xué)過程，分析這種方法的優(yōu)缺點(diǎn).

關(guān)鍵詞：物理教學(xué)；思維圖象法；可視化；啟發(fā)

作者簡(jiǎn)介：張萱（1982-），男，碩士研究生，中學(xué)一級(jí)，研究方向物理教育教學(xué)及競(jìng)賽輔導(dǎo).

如今很多學(xué)生對(duì)高中物理望而生畏，主要原因是學(xué)好物理需要有較強(qiáng)的抽象思維能力，而抽象思維能力是隨著人的年齡增長(zhǎng)逐步形成的.如果我們教師一味要求學(xué)生提高抽象思維能力，的確可以培養(yǎng)一些物理方面的優(yōu)秀人才，同時(shí)也會(huì)讓另一些學(xué)生感到望塵莫及.既然不能讓所有學(xué)生都具有較好的抽象思維力，教師不如對(duì)物理課堂教學(xué)進(jìn)行改善.

美國數(shù)學(xué)教父薩爾曼·可汗給了我們啟示，可汗以電腦為平臺(tái)，憑記憶制作出大部分?jǐn)?shù)學(xué)輔導(dǎo)視頻，他的教學(xué)形象生動(dòng)，由淺入深，學(xué)生可以輕松地看可汗老師如何講，如何寫，如何做，進(jìn)而能夠理解其如何想，從而達(dá)到非常好的教學(xué)效果.截至目前，已有5600萬人次觀看他的“教學(xué)錄像”.美國有2萬多所學(xué)校，數(shù)學(xué)課老師不再講課，讓學(xué)生觀看薩爾曼的視頻，老師只負(fù)責(zé)答疑.受薩爾曼·可汗啟發(fā)，我們也可以通過細(xì)致地講解使物理規(guī)律變得形象，通過規(guī)范的板書讓物理思維過程可視化，努力讓物理教學(xué)從模糊到清晰，從復(fù)雜到簡(jiǎn)單.這樣就既能完成物理教學(xué)任務(wù)，長(zhǎng)期以往也能讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中進(jìn)一步提高科學(xué)素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)習(xí)物理的興趣.力爭(zhēng)做到思維過程可視化，我們稱為“思維圖象法”，就要求物理教師在講解物理問題時(shí)做到講解，引導(dǎo)，板書，說明同步進(jìn)行.讓學(xué)生實(shí)實(shí)在在地看到教師是如何按部就班地解決問題.學(xué)生在可視化的指導(dǎo)下做到從模仿到領(lǐng)悟，從嘗試到熟練.本文以高中物理教科版《動(dòng)能定理應(yīng)用》這一課為例，談?wù)勅绾伍_展思維圖象法教學(xué).

1 案例

本節(jié)內(nèi)容是高中物理教科版《必修2》第四章第四節(jié)內(nèi)容，動(dòng)能定理是本章的重點(diǎn)之一，也是整個(gè)力學(xué)的重點(diǎn)之一，對(duì)學(xué)生以后的學(xué)習(xí)有著舉足輕重的地位.本節(jié)課的重點(diǎn)是掌握動(dòng)能定理解題的思路和一般步驟和認(rèn)識(shí)利用動(dòng)能定理解題的優(yōu)越性.圍繞這個(gè)重點(diǎn)，本節(jié)課在復(fù)習(xí)了動(dòng)能定理的相關(guān)知識(shí)后，展開了三道例題的分析.

例1 如圖1所示，質(zhì)量為m的鋼珠從高出地面h處由靜止自由下落（不計(jì)空氣阻力），落到地面進(jìn)入沙坑s停止，求：

（1）鋼珠在沙坑中克服阻力做功Wf；

（2）鋼珠在沙坑中所受平均阻力.

師：本題研究對(duì)象？物體做什么運(yùn)動(dòng)？物體各階段受到哪些作用力？

（教師邊說邊把這些要問的問題寫在黑板上或用PPT展示，要可視化）

生1：研究對(duì)象是鋼珠；鋼珠先做自由落體運(yùn)動(dòng)，后進(jìn)入沙坑做減速直線運(yùn)動(dòng)；自由落體階段只受重力，進(jìn)入沙坑后受重力和阻力.

（在學(xué)生說的過程中，教師要畫出受力分析或用PPT展示，實(shí)現(xiàn)可視化.雖然很多教者為節(jié)約時(shí)間，反對(duì)教師過多地浪費(fèi)板書的時(shí)間，但是不這樣做，無法做到可視化.夸美紐斯一直提倡直觀性原則，而“看”是所有感觀中最直觀的.）

師：本題如果采用動(dòng)能定理，應(yīng)該選取哪兩個(gè)狀態(tài)？

生2：選擇高度為h的初始時(shí)刻為初態(tài)1，靜止到沙坑里為末態(tài)2.

師：這一過程中哪些力做功，做什么功？

學(xué)生3板演：以鋼球?yàn)檠芯繉?duì)象，從開始下落到停在沙坑過程中，重力做正功WG，沙坑的阻力做負(fù)功Wf.由動(dòng)能定理有

WG+Wf=E2—E1

Wf =—WG=—mg（h+s）.

所以，鋼珠在沙坑中克服阻力做功mg（h+s）.

（很多教師會(huì)在阻力做功求解后，告訴學(xué)生克服阻力做功要去掉負(fù)號(hào).但通過實(shí)踐，教師邊說邊寫，學(xué)生印象更深刻，效果更好）

設(shè)平均阻力為f由W=Fs，得

Wf=mg（h+s）=fs

f=mg（h+s）/s.

教師總結(jié)：分析研究對(duì)象做怎樣的運(yùn)動(dòng)，分析運(yùn)動(dòng)過程中的受力情況，明確各力做功情況，即是否做功，是正功還是負(fù)功.找出研究過程中物體的初、末狀態(tài)的動(dòng)能（或動(dòng)能的變化量）.

總結(jié)思路：（學(xué)生歸納總結(jié)，教師在黑板板書，必須讓所有學(xué)生做好記錄）

（1）選擇研究對(duì)象，選擇運(yùn)動(dòng)過程.

（2）對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行受力分析、運(yùn)動(dòng)分析和做功分析.

（3）選擇恰當(dāng)?shù)倪\(yùn)動(dòng)過程，并確定始末狀態(tài)的動(dòng)能E1和E2.

（4）列出動(dòng)能定理表達(dá)式W合= E2- E1，并求解.

師：本題能否用牛頓第二定律解答，如果能，應(yīng)怎樣選取過程？每個(gè)過程首先求什么？

生4：可以，必須分兩段，每段都必須受力分析得到加速度.

師：請(qǐng)大家抓緊時(shí)間利用牛頓定律求解.

生5板演.

學(xué)生小組討論后，得出結(jié)論：動(dòng)能定理能夠求解多個(gè)不同狀態(tài)的過程，更為簡(jiǎn)便.

例2 一個(gè)質(zhì)量為m的物體，從傾角為θ，高為h的斜面上端A點(diǎn)由靜止開始下滑到B點(diǎn)時(shí)的速度為v；然后又在水平面上滑行s的位移后停止在C點(diǎn).（假設(shè)從斜面到水平面速度大小不變）如圖2所示.設(shè)物體在斜面上和在水平面上的動(dòng)摩擦因數(shù)相同，求全過程物體克服摩擦力做的功.

師：請(qǐng)按剛才總結(jié)的思路進(jìn)行分析.

生6：研究對(duì)象為質(zhì)量為m的物體；研究過程為全過程.物體運(yùn)動(dòng)分斜面勻加速下滑和平面勻減速滑行.

師：請(qǐng)學(xué)生自己畫出各階段受力情況.

（在學(xué)生畫圖的同時(shí)，教師在黑板上展示正確規(guī)范的受力情況.以便學(xué)生自己完成后核對(duì)，加深印象，并“看”教師的規(guī)范解法.這個(gè)過程部分教師有兩個(gè)誤區(qū)：一是簡(jiǎn)單口頭描述一遍后讓學(xué)生訂正；二是拿有問題的學(xué)生進(jìn)行投影糾正.無論哪種都不及用自己結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)答案對(duì)比來得直接有效.尤其是學(xué)生還沒有達(dá)到熟練的程度）

師：請(qǐng)學(xué)生分析各個(gè)過程各個(gè)力做功情況.（如圖3）

生7：物體從A—B勻加速下滑，重力做正功，摩擦力做負(fù)功，彈力不做功.

物體從B—C勻減速運(yùn)動(dòng)，摩擦力做負(fù)功，重力、彈力不做功.

整個(gè)過程，重力做正功，摩擦力做負(fù)功，彈力不做功.

師：請(qǐng)兩位同學(xué)上黑板列式.

生8：根據(jù)動(dòng)能定理有 mgh+Wf=0-0

則 Wf=-mgh

所以克服摩擦力做功為mgh.

（即使之前有所強(qiáng)調(diào)，但最后一句話教師必須認(rèn)真地書寫在黑板上.好的習(xí)慣要重復(fù)多次，缺少嚴(yán)格寫在黑板上，學(xué)生往往印象不深刻）

此題也有學(xué)生會(huì)采用分段處理，甚至用牛頓第二定律.可以讓學(xué)生小組討論，分析動(dòng)能定理的優(yōu)缺點(diǎn).

教師總結(jié)：用牛頓第二定律解答，過程要求細(xì)致，較復(fù)雜；用動(dòng)能定理解答，由于不涉及到中間細(xì)致過程，解題簡(jiǎn)單，當(dāng)物理過程越復(fù)雜，其優(yōu)越性越突出.

（同樣要寫在黑板上或用PPT展示，這么長(zhǎng)的話，只說不寫，只教師展示，學(xué)生不記錄，可能效果為0.這是第二次對(duì)比動(dòng)能定理方法和牛頓第二定律方法，而且這次總結(jié)得更全面.）

例3 一個(gè)質(zhì)量為m的物體，從傾角為θ，高為h的斜面上端A點(diǎn)由靜止開始下滑到B點(diǎn)時(shí)的速度為v（AB段為圓弧的四分之一）；然后又在水平面上滑行s的位移后停止在C點(diǎn).（假設(shè)從斜面到水平面速度大小不變）如圖4所示.設(shè)物體在斜面上和在水平面上的動(dòng)摩擦因數(shù)相同，求：

（1）物體在AB軌道上克服摩擦力做功Wf；

（2）全過程克服摩擦力做功Wf.

師：請(qǐng)按剛才總結(jié)的思路進(jìn)行分析.

生9：研究對(duì)象為質(zhì)量為m的物體，物體運(yùn)動(dòng)分曲線加速下滑和平面勻減速滑行，受力情況如圖5所示.

師：請(qǐng)學(xué)生分析各個(gè)過程各個(gè)力做功情況.

生10：物體從A—B沿曲線加速下滑，重力做正功，摩擦力做負(fù)功，彈力不做功.

物體從B—C勻減速運(yùn)動(dòng)，摩擦力做負(fù)功，重力、彈力不做功.

整個(gè)過程，重力做正功，摩擦力做負(fù)功，彈力不做功.

師：請(qǐng)學(xué)生板演整個(gè)過程.

生11板演：

研究對(duì)象：質(zhì)量為m的物體.

研究過程：（1）物體在AB軌道上運(yùn)動(dòng)

物體受力：重力mg、彈力N1、阻力f1；其中重力做正功，彈力總是垂直軌道不做功，摩擦力做負(fù)功.

根據(jù)動(dòng)能定理有 mgh+Wf =12mv2-0

Wf=12mv2-mgh

所以，物體在AB軌道上克服摩擦力做功為

W=mgh-12mv2.

（2）全過程客服摩擦力做功Wf總

物體受力：重力mg、彈力N1、阻力f1；其中重力做正功，彈力總是垂直軌道不做功，摩擦力做負(fù)功.

根據(jù)動(dòng)能定理 mgh+Wf總=0-0

Wf總=-mgh

全過程克服摩擦力做功mgh.

教師總結(jié)：牛頓定律不易解決變力做功問題，很多情況牛頓定律無法解決.動(dòng)能定理不考慮中間過程，所以能適用范圍更廣，而且過程簡(jiǎn)單.因此解決力學(xué)問題應(yīng)首選動(dòng)能定理.

（在表達(dá)同時(shí)也要自己板書，讓學(xué)生自己把這句記下來.這是本課第三次分析動(dòng)能定理方法的優(yōu)越性，相信教師一遍遍書寫定能讓學(xué)生深刻認(rèn)識(shí)到該方法的優(yōu)點(diǎn)）

2 結(jié)束語

采用思維圖象法能夠減輕學(xué)生抽象思維的壓力，讓學(xué)生看到教師的“思維過程”，從而達(dá)到更好的學(xué)習(xí)效果.

2.1 思維圖象法緊扣夸美紐斯的直觀性原則

常言道：“耳聞不如一見”.傳統(tǒng)物理教學(xué)看似在引導(dǎo)學(xué)生思考，實(shí)則學(xué)生以聽居多[1].學(xué)生聽講過程中，難免會(huì)丟失或誤解教師所講的內(nèi)容，造成學(xué)習(xí)效果不佳.思維圖象法的出發(fā)點(diǎn)就是要讓學(xué)生“看”教師過程，看懂之后自己寫，再“看”自己的思路，對(duì)比自己與教師的不足[2]，從而達(dá)到知識(shí)技能的強(qiáng)化.

2.2 了解學(xué)生實(shí)際

教育家葉圣陶說：“教材只能作為教課的依據(jù)，使學(xué)生受益，還要靠教師善于運(yùn)用，這就要求教師備課時(shí)首先要了解學(xué)生實(shí)際情況.”物理教師備課時(shí)常常感嘆部分學(xué)生的思維能力跟不上自己的教學(xué)節(jié)奏.既然我們教師知道學(xué)生的思維能力不統(tǒng)一，那就應(yīng)該思考所有學(xué)生都具備的能力是什么.“看”是幾乎所有學(xué)生都能夠做到的，所以我們教師就更應(yīng)該抓住這一點(diǎn).讓學(xué)生在“看”中了解，在“看”中學(xué)習(xí)，在“看”中領(lǐng)悟.

2.3 思維圖象法迎合了目前流行的“問題引領(lǐng)”教學(xué)模式

很多學(xué)者如盧梭、福祿貝爾、斯賓塞等都強(qiáng)調(diào)問題引導(dǎo)有利于學(xué)生學(xué)習(xí)與研究[3].思維圖象法不僅僅是教師展示自己的思維過程.從上面的教學(xué)設(shè)計(jì)中可以看出，每一個(gè)大問題都有很多小問題，在一個(gè)接一個(gè)小問題被解決后，大問題也就解決了[4].在問題引領(lǐng)下，教師邊講邊展示才會(huì)收到更好的效果，才會(huì)在潛移默化中讓學(xué)生掌握知識(shí)與技能.

當(dāng)然思維圖象法也對(duì)教師提出了巨大的挑戰(zhàn).教師必須在緊張的教學(xué)時(shí)間中耐心展示自己的思維過程.教師還必須熟練掌握多媒體操作，才能實(shí)現(xiàn)這一過程，僅用一支粉筆幾乎無法實(shí)現(xiàn)思維圖象法的教學(xué).教師更不能因?yàn)槭亲约赫故?，就帶有隨意性，必須要把自己的架子放下，把自己看成是學(xué)生，該作答時(shí)就作答，該用尺時(shí)就用尺，該打草稿時(shí)就打草稿，一步一步地演示給學(xué)生看.在思維圖象法引導(dǎo)下的課堂教學(xué)，教師書寫的規(guī)范程度直接決定的學(xué)生的學(xué)習(xí)效果.相信經(jīng)過以后不斷努力和完善，思維圖象法能夠讓更多的學(xué)生學(xué)好物理，更好地培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)興趣和素養(yǎng).

參考文獻(xiàn)：

[1]張誠志. 物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)注重直觀性[J]. 中學(xué)物理教學(xué)參考. 2015.12.

[2]殷英. 一種簡(jiǎn)便直觀分析測(cè)試信息的方法——S-P線圖形信息分析[J]. 中學(xué)物理教學(xué)參考. 2014.14.

[3]金玉芳. 思維導(dǎo)圖在物理概念教學(xué)中的應(yīng)用[J].中學(xué)物理. 2014.07.

[4]鮑淑潔. 一種形象直觀理解“能量守恒定律”的方法[J]. 物理教師. 2014.01.