學(xué)習(xí)進(jìn)階理論指導(dǎo)下的“力的分解”教學(xué)設(shè)計(jì)

(浙江省寧波市北侖明港高級中學(xué)，浙江 寧波 315800)

1 建立“力的分解”學(xué)習(xí)進(jìn)階的必要性

學(xué)習(xí)進(jìn)階是指隨著教學(xué)的深入，學(xué)生對某一學(xué)習(xí)主題的思考和認(rèn)識不斷豐富、精致和深入的過程。學(xué)習(xí)進(jìn)階也稱學(xué)習(xí)進(jìn)程，是對學(xué)生在各學(xué)段學(xué)習(xí)同一主題的概念時(shí)所遵循的連貫的、典型的學(xué)習(xí)路徑的描述，一般呈現(xiàn)為圍繞核心概念展開的一系列由簡單到復(fù)雜、相互關(guān)聯(lián)的概念序列。

“力的分解”是繼力的合成以后，對力的等效替代的進(jìn)一步學(xué)習(xí)，是以后解決力學(xué)問題的一個(gè)重要方法，也是中學(xué)階段其他矢量運(yùn)算的基礎(chǔ)。根據(jù)對教材和所在學(xué)校高一學(xué)生的學(xué)情進(jìn)行分析，筆者認(rèn)為建立“力的分解”的學(xué)習(xí)進(jìn)階有助于學(xué)生對于這一重要知識點(diǎn)的理解，為以后的矢量運(yùn)算以及力學(xué)問題解決打下基礎(chǔ)。

1.1 教材分析

“力的分解”是人教版物理必修1第三章第五節(jié)的內(nèi)容。教材中通過簡單例子的引入，從等效替代角度理解力的分解，通過邏輯推理讓學(xué)生了解力的分解是合成的逆運(yùn)算，之后通過案例分析，指出力的分解是按照實(shí)際效果分解的，最后通過介紹力的分解在生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用知識解決實(shí)際問題的能力。

1.2 學(xué)情分析

在必修1第一章和第二章中學(xué)習(xí)了速度和加速度的概念，對于矢量也有了初步的了解。在學(xué)習(xí)“力的分解”之前，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了力的圖示、力的合成、力的作用效果以及等效替代方法等。

雖然學(xué)生學(xué)習(xí)了力的合成的方法，但對于矢量的運(yùn)算法則還是不太熟悉，再加上力的分解具有無數(shù)種可能，要求學(xué)生判斷出力的實(shí)際作用效果，根據(jù)作用效果進(jìn)行分解，這對于高一學(xué)生來講是一大難點(diǎn)，教師對此難點(diǎn)的學(xué)習(xí)引導(dǎo)就起到了尤其重要的作用。

綜合教材和學(xué)情的分析，教師要多創(chuàng)設(shè)有趣的實(shí)驗(yàn)，引發(fā)學(xué)生的感性認(rèn)識，構(gòu)建“力的分解”的“學(xué)習(xí)進(jìn)階”，使學(xué)生依次進(jìn)階，逐步攻克該節(jié)課的學(xué)習(xí)難點(diǎn)。

2 對“力的分解”的進(jìn)階起點(diǎn)和終點(diǎn)進(jìn)行預(yù)判

基于學(xué)生已掌握的知識和方法，筆者預(yù)判進(jìn)階起點(diǎn)為：合力和分力是等效替代的關(guān)系。關(guān)于“力的分解”的進(jìn)階終點(diǎn)，筆者分析了普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)和教師教學(xué)用書的相關(guān)內(nèi)容，預(yù)判高中階段的進(jìn)階終點(diǎn)為：根據(jù)實(shí)際效果來確定分力的方向進(jìn)行分解。

3 進(jìn)階水平的劃分與核心教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)

根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展，結(jié)合課程標(biāo)準(zhǔn)的要求和自身的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)參考基于學(xué)習(xí)進(jìn)階的教學(xué)設(shè)計(jì)模型，設(shè)計(jì)了具有針對性的教學(xué)過程，引導(dǎo)學(xué)生逐步跨越學(xué)習(xí)臺階，突破力的分解要根據(jù)實(shí)際作用效果進(jìn)行分解這一難點(diǎn)。

臺階1：知道引入原因，通過情景觀察、認(rèn)識力的作用效果，從而知道為什么要學(xué)習(xí)“力的分解”。

對于一個(gè)新的知識點(diǎn)，最好讓學(xué)生知道為什么要學(xué)習(xí)這個(gè)知識點(diǎn)。從生活經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，創(chuàng)設(shè)物理情境，引起學(xué)生的好奇心，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)在動(dòng)力，這是進(jìn)階過程的第一個(gè)“臺階”。

師：同學(xué)們都看過拔河比賽吧，倘若舉行的是一個(gè)女生和兩個(gè)大男生之間的拔河比賽，那我們來猜測一下，是女生贏得比賽還是男生贏得比賽？

生：應(yīng)該是男生吧，男生力氣大。

教師準(zhǔn)備現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，找兩個(gè)很高大的男生和一個(gè)女生，大家都站在一樣的地面上，不過拔河的方式要發(fā)生點(diǎn)變化，繩子繞過滑輪，兩個(gè)男生分別抓住繩子的一端，滑輪另一端綁定一條繩子，具體操作如圖1所示，請同學(xué)們仔細(xì)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

圖1

師：最后誰贏得了比賽？

生：女生。

師：根據(jù)生活經(jīng)驗(yàn)，我們都清楚男生的力氣比女生的大，但在這場比賽中，男生卻輸了，為什么會(huì)出現(xiàn)這種情況呢？

活動(dòng)分析：學(xué)生通過觀察拔河比賽的實(shí)驗(yàn)過程，意識到已有的知識已經(jīng)無法解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象了，需要學(xué)習(xí)新的知識來解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

臺階2：對力的分解產(chǎn)生感性認(rèn)識，理解力的分解是合成的逆過程，同時(shí)能夠進(jìn)一步強(qiáng)化等效替代的物理思想。

在認(rèn)知發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)理論中，布魯納認(rèn)為發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)是學(xué)習(xí)知識的最佳方式。發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)就是指利用教材或教師提供的條件自己獨(dú)立思考，自主建構(gòu)知識的意義，掌握原理和規(guī)律，從而使學(xué)生對學(xué)習(xí)產(chǎn)生濃厚的興趣。由此，通過實(shí)驗(yàn)理解力的分解是合成的逆運(yùn)算，強(qiáng)化等效替代的物理思想成為學(xué)習(xí)進(jìn)階的第二個(gè)“臺階”。

師：如圖2所示，用一根彈簧將結(jié)點(diǎn)拉到O點(diǎn)，同時(shí)做下記號，現(xiàn)在請同學(xué)來演示一下，用兩根彈簧拉結(jié)點(diǎn)到相同的位置。

學(xué)生將結(jié)點(diǎn)拉到O點(diǎn)，改變兩根彈簧的方向和大小，發(fā)現(xiàn)只要大小和方向合適，結(jié)點(diǎn)處在位置O不變。

圖2

師：說明什么問題？

生：兩根彈簧的作用效果和一根彈簧的作用效果相同，兩根彈簧產(chǎn)生的力是一根彈簧產(chǎn)生力的分力。

師：求幾個(gè)力的合力的過程稱為力的合成，那么求一個(gè)力的分力的過程稱為力的分解。從剛才的實(shí)驗(yàn)過程發(fā)現(xiàn)力的合成與分解具有什么聯(lián)系？

生：分解是合成的逆運(yùn)算，兩者都遵循平行四邊形定則。

師：你們還有沒有發(fā)現(xiàn)不同點(diǎn)?

生：已知分力求合力時(shí)結(jié)果是確定的，而已知合力求分力時(shí)是不確定的，有無數(shù)種結(jié)果。

師：那我們在實(shí)際過程中應(yīng)如何對力進(jìn)行分解?

活動(dòng)分析：通過實(shí)際場景，切身體會(huì)實(shí)驗(yàn)過程能有效強(qiáng)化等效替代的物理思想，學(xué)生通過分析，總結(jié)得到力的分解是合成的逆運(yùn)算，加深了對平行四邊形定則的認(rèn)識。力的分解具有無數(shù)種結(jié)果，讓學(xué)生意識到如何進(jìn)行分解的必要性，然后引導(dǎo)學(xué)生邁向第三個(gè)臺階。

臺階3：進(jìn)行定量計(jì)算，能根據(jù)實(shí)際效果確定分力的方向，并能計(jì)算出分力的大小。

對于學(xué)生來講，從感性認(rèn)識到理性認(rèn)識的過程，是量變到質(zhì)變的過程，需要教師從已有的知識來引導(dǎo)學(xué)生，從“低臺階”跨上“高臺階”。學(xué)生在學(xué)習(xí)力的分解之前，已經(jīng)知道了力的作用效果是改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或發(fā)生形變，故在確定分力的方向時(shí)可以引導(dǎo)學(xué)生從作用效果出發(fā)，觀察作用效果來確定分力的方向，此后根據(jù)分解遵循平行四邊形定則引導(dǎo)學(xué)生分解力，由幾何知識得到分力的大小。

師：演示圖3和圖4這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，并仔細(xì)觀察，你們發(fā)現(xiàn)什么現(xiàn)象沒有?

圖3

圖4

生：在圖3所示實(shí)驗(yàn)中，臺秤的示數(shù)減小，同時(shí)站在臺秤上的人有向右傾倒的趨勢。在圖4所示的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)重物在下滑，同時(shí)尺子彎曲了。

師：說明圖3中的拉力有什么效果？圖4中重物的重力產(chǎn)生了什么效果？

生：圖3中的拉力有往上拉和水平向右拉的效果，圖4中的重力產(chǎn)生了使物體沿斜面向下滑動(dòng)和使尺子發(fā)生形變的效果。

師：如何將圖3中的拉力和圖4中的重力進(jìn)行分解?

生：將圖3中拉力沿豎直向上和水平向右分解，將圖4中重力沿斜面向下和垂直于斜面進(jìn)行分解。

師：現(xiàn)在請同學(xué)們根據(jù)剛才實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)論來分析一個(gè)題目：把一個(gè)重力大小為G的物體放在傾角為的斜面上，重力的兩個(gè)分力分別是什么?

生：沿斜面向下的分力，垂直于斜面向下的分力。

師：思考一下，為什么高大的橋梁都要建很長的引橋？

生：建設(shè)很長的引橋是為了減小傾角，從而使上橋容易，下橋安全。

活動(dòng)分析：利用已學(xué)過的知識，通過實(shí)際場景讓學(xué)生感受作用效果，進(jìn)一步加深對等效替代思想和平行四邊形定則的理解。學(xué)生自己分解和運(yùn)算，可以實(shí)現(xiàn)從感性認(rèn)識到定量計(jì)算的跨越。

臺階4：打破思維定勢，力的分解并不都是沿相互垂直的方向進(jìn)行分解。

思維定勢就是按照積累的思維活動(dòng)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)和已有的思維規(guī)律，在反復(fù)使用過程中形成的比較穩(wěn)定的且定型化了思維路線、方式、程序、模式。在剛才的兩個(gè)例子當(dāng)中，力的分解都是沿著互相垂直的方向分解的，學(xué)生可能會(huì)理所當(dāng)然地認(rèn)為分解都是沿著相互垂直的方向分解的，此時(shí)教師要引導(dǎo)學(xué)生打破這種思維定勢，讓學(xué)生意識到并不是所有的分力都是互相垂直的。

師：每個(gè)人的課桌上都放著“三角架”實(shí)驗(yàn)器材，現(xiàn)在請同學(xué)們親身感受一下支架的作用效果(如圖5)，之后將重力進(jìn)行分解。

圖5

生：由感受可知此時(shí)重錘的重力產(chǎn)生的分力沿著繩子斜向下和沿著牙簽方向，通過運(yùn)算可得到沿細(xì)繩向下的分力、沿牙簽方向的分力大小。

師：結(jié)合數(shù)學(xué)知識，比較一下合力與分力的大小，能得到什么結(jié)論？

生：分力可以大于合力。

活動(dòng)分析：在實(shí)際教學(xué)過程中，教師要時(shí)刻關(guān)注學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展過程，引導(dǎo)學(xué)生避免進(jìn)入思維定勢的誤區(qū)，這對培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維有積極作用。

4 結(jié)語

依據(jù)學(xué)習(xí)進(jìn)階設(shè)置的“力的分解”的教學(xué)設(shè)計(jì)在實(shí)踐中取得了良好的效果，對于學(xué)生是否達(dá)到某一進(jìn)階水平，可以根據(jù)學(xué)生的課堂表現(xiàn)和測試等方式進(jìn)行判斷。在物理教學(xué)中，教師要站在學(xué)生的角度，結(jié)合學(xué)生已有的知識和認(rèn)識，設(shè)置合理的學(xué)習(xí)進(jìn)階，逐步引導(dǎo)學(xué)生掌握新的知識，實(shí)現(xiàn)對知識的深度理解。