從高中物理核心素養(yǎng)視角盤點“力的分解”教學

陸峙秋 周新雅 周行 曾凡焱

摘 ?要：著眼于物理學科核心素養(yǎng)的視角，針對“力的分解”分別從2010年人教版教材與課標的修訂、傳統(tǒng)教學過程的反觀、教學目標的解讀以及利用幾何畫板有效輔助教學四個方面進行探討，以求達到更加全面、準確的認識，更好地把握物理觀念的科學建立。

關鍵詞：核心素養(yǎng);物理觀念;力的分解

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ?文章編號：1003-6148（2019）5-0015-4

著眼于物理學科可知，在以前的某些知識的教學過程中，更多的是讓學生學習一個個零散的知識點，且更注重這些知識點采用什么形式來考查，能夠衍生出哪幾種題型。這樣的教學常常導致知識在學生頭腦中是零碎的，而非一脈相承、觸類旁通的。基于提升核心素養(yǎng)的視角，在物理教學過程中，一線教師應該從整個學科知識體系的宏觀方面來認識各個知識點所擁有的功能，以及它在整個知識脈絡中的地位，弄清它的本質內容，掌握它的教學要求。這樣才能有效地將核心素養(yǎng)不斷融入到教學中去，幫助學生從更高的角度認識知識的全貌，構建知識體系。

下面以“力的分解”教學過程為例，淺談在核心素養(yǎng)視角下如何認識這一節(jié)內容。

1 ? ?課程標準和人教版教材修訂后突出的改變

2007年人教版教材的內容片段[1]：“【例1】 把一個物體放在傾角為θ的斜面上。物體受到豎直向下的重力，但它并不能豎直下落。從力的作用效果看，應該怎樣將重力分解？兩個分力的大小與斜面的傾角有什么關系？分析：物體要沿著斜面下滑，同時會使斜面受到壓力。這時重力產(chǎn)生兩個效果，使物體沿斜面下滑，并使物體緊壓斜面。因此重力G應該分解為這樣兩個分力，平行于斜面，使物體下滑的分力F1，垂直于斜面使物體緊壓斜面的分力 F2 ，力的分解圖如圖1所示?！?/p>

物體所受重力使它下滑，同時緊壓斜面，要根據(jù)這兩個效果把力進行分解。

修訂后2010年人教版教材的內容片段[2]：“【例2】 把一個物體放在傾角為θ的斜面上。物體受到重力，大小為G，方向豎直向下，如圖2（a）所示（物體還受到其他力的作用，圖中沒有畫出）?，F(xiàn)在需要沿平行于斜面的方向和垂直于斜面的方向對物體的運動分別進行研究，為此建立直角坐標系如圖2（b）所示?，F(xiàn)在把重力G 沿兩個坐標軸的方向分解為F1和F2，求兩個分力的大小?！?/p>

按照圖中給定的坐標軸，把重力G分解為F1和F2。

在2007年人教版的教材中是“根據(jù)力的作用效果”來進行力的分解，但在修訂后的2010年人教版的教材中，則刪除了“根據(jù)力的作用效果”來進行力的分解，而是強調“根據(jù)研究的需要”進行力的分解;教材作出的這一修改，需要教師從“運動與相互作用觀”這一宏觀角度重新審視“力的分解”這一節(jié)知識在物理觀念中的地位，重新認識它的功能。

在普通高中物理課程標準中，對這一節(jié)的內容要求也發(fā)生了相應的改變。2003年版《普通高中物理課程標準》中對這一節(jié)知識的內容要求是“通過實驗理解力的合成與分解，知道共點力的平衡條件，能區(qū)分矢量與標量。能用力的合成與分解分析日常生活中的問題?！痹?007年版《普通高中物理課程標準》中則進行了修改，把“能用力的合成與分解分析日常生活中的問題”改為“能用共點力的平衡條件分析生產(chǎn)生活中的問題”，明顯突出了“運動與相互作用的關系”，強調了共點力的平衡才是解決一系列實際受力平衡問題的核心知識，而“力的分解”則更強調它在解決這一問題過程中的工具性作用。

2 ? ?基于核心素養(yǎng)視角下的教學目標解讀

教學“力的分解”究竟應達到怎樣的教學目標是一個無法回避的問題，由上述修改后的教材例題和課標的改動可知，其目標是“學生是否會用力的分解求兩個分力，分力的方向已知，那么分力的大小如何來確定？”而非“根據(jù)力的作用效果來求解分力”?！傲Φ姆纸狻笔歉鶕?jù)解決問題的需要，根據(jù)需要可把力分解在任意兩個方向上，其目的就是“為了解決某個問題”。

在教學目標的設計上不要求學生把力的分解直接用來求解物體的受力情況，而是通過力的分解讓學生學會“等效替換”的思想;讓學生會用平行四邊形（或三角形）定則求解有確定解的兩個分力。

2010年人教版教材中，其例題和課后練習中都沒有再提及“用力的分解來求解物體的受力”。例題中是已知兩個分力的方向求兩個分力的大小;在課后練習中的另一種題型是已知一個分力的大小和方向，求解另一個分力的大小和方向。其難點在于矢量三角形與實物三角形的幾何關系、邊角關系。

反思這樣的安排可知，教材就是要擺正“力的分解”在整個“力與相互作用觀”中的地位，把“力的分解”作為牛頓運動定律解決問題的一個環(huán)節(jié)來處理，它是牛頓運動定律解決問題過程中的一個大鏈條中的小環(huán)節(jié)。在用牛頓運動定律解決問題時，通常是先選擇研究對象，再進行受力分析，由F=ma列出物體受力與加速度等關系的方程，在列平衡方程時，如果有兩個力不在同一條直線上，那么運用“力的分解”把力根據(jù)需要進行分解。這樣捋清主干，會使學生的解題思維更加清晰。正確把握這一節(jié)內容的教學目標大大減輕了這一節(jié)教學的難度和學生的學習負擔;同時也促進了知識在學生頭腦中更加系統(tǒng)的、組塊化的建構。

3 ? ?值得商榷的傳統(tǒng)“力的分解”教學過程

在物理教學過程中，要把物理核心素養(yǎng)貫穿到教材中，也就是把物理觀念、科學思維、科學探究、科學態(tài)度與責任四個方面有機融入到教學中，就要從整個大的框架結構中來認識各個知識的功能、地位和它的要求與內容。

傳統(tǒng)的“力的分解”教學過程是用力的分解來求解物體的受力問題，首先“根據(jù)力的作用效果”來判定分力的方向，然后用平行四邊形定則根據(jù)之前判斷的分力方向進行力的分解以求分力的大小。但這樣的講解過程值得商榷。

例如，豎直墻壁上用細繩懸吊著的一個小球處于靜止狀態(tài)，試將球所受到的重力G進行分解（如圖3）。

如果按照“力的作用效果”對懸吊的球所受的重力G進行分解，那么懸吊的球由于重力作用產(chǎn)生了兩個效果，一個是拉繩子的效果，另一個是擠壓墻面的效果。因此，可以把重力按“力的作用效果”分解為沿繩子向下的拉力T和垂直墻面的壓力N。

那么，這將帶來以下疑問：

首先是力的合成中合力與分力的定義：當一個物體受到幾個力的共同作用時，常?？梢郧蟪鲞@樣一個力，這個力產(chǎn)生的效果跟原來幾個力共同作用的效果相同，這個力就叫做那幾個力的合力，原來的幾個力叫這個力的分力。定義中特別強調兩次作用是作用在同一物體上產(chǎn)生的效果，第一次作用在這個物體上，第二次仍然作用在這個物體上，只有兩次都作用在同一物體上，才可以判斷其作用效果是否相同。然而，此處“根據(jù)力的作用效果”將重力分解為兩個分力，一個是拉繩子的力T作用在繩子上，另一個是擠壓墻面的力N作用在墻面上，而重力G是作用在球上的。分力和合力是指同一個物體上兩次受力的等效替換，但T、N和G并不作用在同一個物體上。那么，一個力分解成兩個力，這兩個分力可以分別作用在其他物體上么？如果可以，那么這與上述合力與分力的概念相左;如果不可以，那么顯然這樣的分析錯了。

且根據(jù)力的性質可知：G是引力，T和N是彈力;一個引力可以分解為兩個彈力嗎？這又是一個值得討論的問題。

由上述例子可知，用“力的合成與分解分析物體的受力問題”在知識的前后邏輯上是存在矛盾的，教材的修改意圖是值得教師仔細研讀、推敲的。力的合成與分解作為一個有機的整體，在知識結構上體現(xiàn)為統(tǒng)一性，即一種“等效替換”的思想;從內容邏輯上看，教材編寫“力的分解”在“力的合成”之后，體現(xiàn)了分解是合成的逆過程，二者是辯證統(tǒng)一的[3]。但“根據(jù)力的作用效果”對力進行分解是對這種“等效替換”關系的異化與錯誤認識。筆者查閱了“力的分解”相關文獻的教學設計，仍有不少教師在講授過程中沿用“根據(jù)力的作用效果對力進行分解”的方法[4]。那么，為什么會造成這種知識表述和理解上的錯誤？且這種對力的錯誤認識仍在沿用呢？其根本原因就是在教師的頭腦中沒有物理觀念這樣一種清晰的認識;教師對“力的分解”這一節(jié)內容在整個教材中的地位把握模糊。

從高中物理課程標準和人教版教材的相關修訂可以看出：“力的分解”這一內容，它不是用來求解某個物體的受力的一種方法，而是基于整個“運動與相互作用觀”下解決問題過程中的一個環(huán)節(jié)，突出的是它的工具性作用。求解物體的受力，求繩子的拉力T和墻面的壓力N等，它不是“力的分解”這一節(jié)的教學任務，而是“共點力平衡”和“牛頓第二定律”中的教學任務，在講共點力平衡時，才需要根據(jù)正交分解法來求解上述例子中的問題。

教師在講授“力的分解”時，將這類例題作為這節(jié)內容的課后作業(yè)，說明教師將“力的分解”作為“運動與相互作用觀”下解決問題的主線，這種處理顯然是不合理的。

4 ? ?利用幾何畫板輔助“力的分解”教學

“力的分解”遵循平行四邊形定則。若沒有其他條件限制，一個合力可以分解為無數(shù)對大小、方向不同的分力。通常我們在教學中討論的都是有一定條件限制的合力分解有定解的情況。簡單地說就是代表合力的對角線與給定的代表分力的有向線段是否能構成平行四邊形（或三角形）的問題。傳統(tǒng)教學中采用粉筆板畫對這一內容進行講解，教師常常需要根據(jù)條件的不同，在同一個圖中不同的位置準確作圖。這勢必會造成多條圖線相互干擾，在講解過程中費時費力。

幾何畫板是一款易學易用、數(shù)理性極強，能為廣大數(shù)學教師和物理教師提供通用的數(shù)學、物理學習環(huán)境的袖珍軟件，它的突出特點之一就是能夠即時演示動態(tài)的幾何關系，同時還具有“矢量圖”的體積小、清晰度高、易拆分和組合、組建圖形庫資源等優(yōu)點[5]。此時，如果能夠充分利用幾何畫板的動態(tài)顯現(xiàn)和矢量性功能，則能夠在教學中充分為學生創(chuàng)設情境且準確地表達各物理量間的幾何關系，起到事半功倍的效果。

下面就力的分解中常見的四種情況，通過幾何畫板制作課件輔助教學進行簡單介紹。

（1）已知合力F和兩個分力F1、F2的方向，求F1、F2的大小。此時有唯一解（如圖4）。

（2）已知合力F和一個分力F1的大小和方向，求另一個分力F2的大小和方向。此時有唯一解（如圖5）。

（3）已知合力F和兩個分力F1、F2的大小，求F1、F2的方向。此時有兩解（如圖6）。

（4）已知合力F和分力F1的方向、分力F2的大小，求分力F1的大小和分力F2的方向（如圖7）。當F2=Fsinθ時，有臨界值;當F2<Fsinθ時，無解;當Fsinθ<F2<F時，有兩解;當F2≥力的作用效果時，有唯一解。

可見，通過幾何畫板制作課件輔助“力的分解”的教學，能夠有機地結合理論分析，為學生呈現(xiàn)清晰、標準的矢量圖形，同時能夠將解題過程動態(tài)顯現(xiàn)出來，也大大節(jié)約了有限的課堂時間，提高了效率。

5 ? ?結 ?語

由以上“力的分解”教學可以洞見，如何把核心素養(yǎng)真正貫穿于教學，真正滲透到課堂中去，需要廣大一線教師重新出發(fā)，站在更高的角度仔細研讀教材，領會教材修改的意圖，正確把握高中物理核心素養(yǎng)基本理念，才能切實地從物理學科的本質出發(fā)，培養(yǎng)學生的物理核心素養(yǎng)，滿足學生終身發(fā)展的需求。

參考文獻：

[1]張大昌.普通高中課程標準實驗教科書物理（必修1）[M].北京：人民教育出版社，2007：7.

[2]張大昌.普通高中課程標準實驗教科書物理（必修1）[M].北京：人民教育出版社，2010：6.

[3]鐘傳播.“力按效果分解”的深度探析[J].湖南中學物理，2015（8）：91-93.

[4]宋麗飛.立足學生實驗探究，提升物理核心素養(yǎng)——以“力的分解”為例[J].中學物理教學參考，2018，47（6）：25-26.

[5]周新雅，王惠玲，周行.用幾何畫板創(chuàng)設“光的反射”教學情境[J].物理通報，2018（9）：100-103.

（欄目編輯 ? ?趙保鋼）