高中物理有效思維課堂的構(gòu)建——以《力的合成》教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施過(guò)程為例

楊　帆

高中物理有效思維課堂的構(gòu)建——以《力的合成》教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施過(guò)程為例

楊帆

（延邊第二中學(xué)，吉林 延吉 133000）

《力的合成》是高中物理的重要基礎(chǔ)內(nèi)容，本課教學(xué)重點(diǎn)在理解“等效替代”的物理思想，學(xué)生通過(guò)生活實(shí)例理解分力、合力和共點(diǎn)力的概念，形成物理觀念。通過(guò)自主探究共點(diǎn)力的合成方法，經(jīng)歷科學(xué)思維和科學(xué)探究過(guò)程，增強(qiáng)了科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。

高中物理教學(xué)；力的合成；教學(xué)設(shè)計(jì)

構(gòu)建有效思維課堂，提高學(xué)生的物理核心素養(yǎng)是物理課堂的主線(xiàn)和追求的目標(biāo)。本文以《力的合成》為例，在教學(xué)中通過(guò)生活實(shí)例使學(xué)生理解物理概念，形成物理觀念；通過(guò)自主實(shí)驗(yàn)探究，經(jīng)歷科學(xué)思維和科學(xué)探究過(guò)程，增強(qiáng)科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。

一、對(duì)教材的整合與借鑒

考試大綱對(duì)“力的合成”是二類(lèi)要求，新課標(biāo)要求通過(guò)實(shí)驗(yàn)，探究求合力的方法。在課堂實(shí)施中，可以以教材為基礎(chǔ)但不拘泥于教材，結(jié)合學(xué)生的邏輯思路稍作調(diào)整。人教版必修一教材《力的合成》利用“一個(gè)成年人用的力與兩個(gè)孩子用的力”提水效果相同的生活實(shí)例，使學(xué)生體會(huì)等效替代的思想，引入合力與分力的概念，利用橡皮筋兩次拉伸相同效果來(lái)“探究求合力的方法”，得出力的合成滿(mǎn)足平行四邊形定則，最后提出“共點(diǎn)力”的概念。但按照邏輯思路，應(yīng)該首先理解共點(diǎn)力概念，然后探究求共點(diǎn)力的合力方法。所以可以對(duì)教材進(jìn)行簡(jiǎn)單調(diào)整，形成知識(shí)線(xiàn)：分力、合力→共點(diǎn)力→平行四邊形定則。

教學(xué)中，可借鑒美國(guó)高中物理教材《Physics——Principles and Problems》Chapter 5——Forces in Two Dimensions，在探究求互成角度的共點(diǎn)力合成方法時(shí)，利用兩個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)和砝碼進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，猜想合力和兩個(gè)分力的大小關(guān)系，是否滿(mǎn)足F1+F2=F，通過(guò)起步實(shí)驗(yàn)引發(fā)學(xué)生對(duì)原有認(rèn)識(shí)的沖擊。

二、有效思維課堂的設(shè)計(jì)和實(shí)施

1.精心設(shè)計(jì)導(dǎo)入環(huán)節(jié)，與學(xué)生共同參與并體驗(yàn)物理的神奇力量

課前教師可與學(xué)生合作進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：人拉車(chē)。一輛轎車(chē)?yán)镒似邆€(gè)人，當(dāng)三名女生沿著繩伸直的方向使勁拉車(chē)時(shí)車(chē)很難被拉動(dòng)，當(dāng)一名女生沿垂直繩拉動(dòng)時(shí)，很輕松地即可把車(chē)?yán)瓌?dòng)。學(xué)生經(jīng)歷親身體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程，感受物理在生活中的神奇力量，探索的欲望被激發(fā)出來(lái)。

2.尋找生活本源，理解等效替代的物理思想，形成物理觀念

由于分力和合力的等效替代關(guān)系在物理思想中比較抽象，課堂上可以通過(guò)兩名女生提重物和一名男生提重物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。從效果上來(lái)看，一個(gè)男生提水的力和兩個(gè)女生提水的力是相同的，所以可以用一個(gè)力來(lái)代替這兩個(gè)力，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生說(shuō)出這一個(gè)力和兩個(gè)力具有“等效替代”的關(guān)系。從生活常見(jiàn)的實(shí)例出發(fā)加深學(xué)生對(duì)“等效替代”物理思想的認(rèn)識(shí)，理解合力和分力之間的等效替代關(guān)系，為本節(jié)課重點(diǎn)探究求互成角度的兩個(gè)力的合成方法做好鋪墊。從貼近學(xué)生的學(xué)習(xí)實(shí)例和原有認(rèn)知中提出分力、合力、共點(diǎn)力以及力的合成等相關(guān)概念，不僅形象生動(dòng)地解釋了相關(guān)概念，也為探究求合力的方法提供了思路。

3.引導(dǎo)學(xué)生突破直線(xiàn)思維到形成平面思維的轉(zhuǎn)化，經(jīng)歷科學(xué)思維

學(xué)生在探究求合力的方法時(shí)，先解決同一直線(xiàn)上合力與分力的關(guān)系，學(xué)生在初中學(xué)習(xí)二力平衡，對(duì)于共線(xiàn)情況可以很容易根據(jù)代數(shù)運(yùn)算得出，這屬于認(rèn)知中的直線(xiàn)思維，完成從代數(shù)運(yùn)算到同一直線(xiàn)的矢量運(yùn)算過(guò)程。不過(guò)這種順理成章的思維對(duì)學(xué)生接觸矢量運(yùn)算造成很大干擾和障礙，所以突破這種直線(xiàn)思維，形成平面思維是這節(jié)課的一個(gè)重點(diǎn)。

在探究互成角度的力的合成方法時(shí)，由于矢量運(yùn)算比較抽象，可以先類(lèi)比速度的矢量運(yùn)算，使學(xué)生有一個(gè)初步的感知，然后在實(shí)驗(yàn)探究中依據(jù)合力和分力的等效替代思想完成從同一直線(xiàn)思維到平面思維的轉(zhuǎn)化和突破，經(jīng)歷科學(xué)思維過(guò)程。

4.設(shè)疑猜想，引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突

為了有效地將直線(xiàn)思維過(guò)渡到平面思維，在課上可以采用演示實(shí)驗(yàn)的方式。由于合力和分力具有等效替代的關(guān)系，猜想是否F1+F2=F，然后分別用一根彈簧測(cè)力計(jì)和兩根彈簧測(cè)力計(jì)拉鉤碼，保證兩次效果相同。這時(shí)學(xué)生通過(guò)讀彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與我們的猜想發(fā)生矛盾，形成認(rèn)知沖突并激發(fā)認(rèn)知驅(qū)動(dòng)，激起學(xué)生進(jìn)一步探究互成角度的力的合成方法的熱情，環(huán)環(huán)相扣，層層遞進(jìn)。

通過(guò)這個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生經(jīng)歷探究式學(xué)習(xí)的六個(gè)過(guò)程：提出問(wèn)題（是否F1+F2=F）、猜想（F1+F2=F）、制定實(shí)驗(yàn)計(jì)劃、實(shí)驗(yàn)操作、得出結(jié)論、交流與評(píng)價(jià)并制定進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)方案。學(xué)生在經(jīng)歷物理實(shí)驗(yàn)的科學(xué)探究過(guò)程中，提高了思考問(wèn)題、制定方案解決問(wèn)題以及自主探究的能力，養(yǎng)成了良好的物理思維。借助這個(gè)實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生感受矢量運(yùn)算不同于之前學(xué)習(xí)的代數(shù)運(yùn)算，打破思路的堡壘，為進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)探究互成角度的力的合成方法做好鋪墊和學(xué)習(xí)準(zhǔn)備。

5.優(yōu)化物理實(shí)驗(yàn)探究，經(jīng)歷有效科學(xué)思維過(guò)程，提高物理核心素養(yǎng)

本節(jié)課的重點(diǎn)和難點(diǎn)——設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，可以通過(guò)探究互成角度的兩個(gè)力的合成方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。首先設(shè)計(jì)思考環(huán)節(jié)，隨著問(wèn)題的遞進(jìn)，學(xué)生經(jīng)歷深入的科學(xué)思維過(guò)程，形成了本節(jié)課探究實(shí)驗(yàn)的主線(xiàn)。

討論的核心問(wèn)題：怎樣利用手中的器材找到兩個(gè)分力和與之對(duì)應(yīng)的合力？怎樣記錄分力和合力的大小和方向？怎樣準(zhǔn)確地把兩個(gè)分力和合力的大小、方向表示出來(lái)？怎樣表述合力的大小、方向與分力的大小、方向的關(guān)系？這幾個(gè)思考問(wèn)題貫穿了本節(jié)課探究互成角度的兩個(gè)力的合力方法的主線(xiàn)，將難點(diǎn)逐一攻破。學(xué)生在思考過(guò)程中需要深刻理解等效替代的物理思想，理解力的矢量性，所以要保證橡皮筋產(chǎn)生相同的效果需要將橡皮筋沿著同一方向拉伸到相同的長(zhǎng)度，這一過(guò)程能夠突出本節(jié)課的重點(diǎn)——等效替代思想。在記錄力的方向時(shí)為減小實(shí)驗(yàn)誤差，采用描點(diǎn)法記錄方向。設(shè)定問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生畫(huà)力的圖示將分力和合力表示出來(lái)，為了減小由于操作帶來(lái)的誤差，學(xué)生應(yīng)明確注意事項(xiàng)，認(rèn)真進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

6.尋找合力與分力的關(guān)系，多維度分析幾何特點(diǎn)，經(jīng)歷科學(xué)探究過(guò)程

探究求互成角度的力的合成方法——平行四邊形定則是本節(jié)課的教學(xué)難點(diǎn)，利用拉伸橡皮筋產(chǎn)生相同的效果得到合力和分力，并用力的圖示表示出來(lái)。可采用開(kāi)放式的問(wèn)題探究模式引導(dǎo)學(xué)生尋找它們之間的關(guān)系，啟發(fā)學(xué)生從多個(gè)角度去觀察分析，從大小、角度、圖形、幾何關(guān)系等多個(gè)角度去分析，讓學(xué)生根據(jù)自己的實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出一些猜想，尋找共同點(diǎn)，而不是直接將平行四邊形結(jié)論給出。高一學(xué)生具備了較強(qiáng)的觀察和分析能力，可以利用數(shù)學(xué)幾何中做輔助線(xiàn)的方法得到一些新圖形和發(fā)現(xiàn)，引導(dǎo)學(xué)生嘗試把合力的分力的箭頭端連在一起，通過(guò)視頻展臺(tái)把學(xué)生有代表性的力的圖示進(jìn)行展示，分析圖示的形狀、特點(diǎn)和一般規(guī)律，初步得出力的平行四邊形定則。通過(guò)學(xué)生自主探究實(shí)驗(yàn)得出平行四邊形的結(jié)論，體會(huì)科學(xué)探究精神，讓學(xué)生體驗(yàn)探索實(shí)驗(yàn)帶來(lái)的驚喜，比如有的小組得到菱形、矩形等，但它們都具有相同點(diǎn)：都是平行四邊形。

7.利用力的傳感器，體驗(yàn)現(xiàn)代科技的魅力

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，除了設(shè)計(jì)合理的實(shí)驗(yàn)方案，還要進(jìn)一步分析實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可能出現(xiàn)的誤差，如進(jìn)行力的圖示時(shí)作圖出現(xiàn)的誤差、橡皮筋拉伸效果產(chǎn)生的誤差、描點(diǎn)法記錄力的方向的誤差、細(xì)線(xiàn)和彈簧測(cè)力計(jì)與板面是否平行的誤差等。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中要精確操作，使學(xué)生形成嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)精神和科學(xué)態(tài)度。

為提高實(shí)驗(yàn)精確度，課堂上可以利用力的傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，準(zhǔn)確讀出力的大小并傳輸?shù)诫娔X，通過(guò)軟件進(jìn)行合成。從實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)臺(tái)的搭建、軟件的調(diào)試到實(shí)驗(yàn)操作，經(jīng)歷了多次的推翻嘗試過(guò)程最終呈現(xiàn)出來(lái)，一是學(xué)生體會(huì)“偶然誤差”和“系統(tǒng)誤差”存在的情況，二是學(xué)生通過(guò)力的傳感器體驗(yàn)科技給物理課堂帶來(lái)的趣味和魅力，在今后的學(xué)習(xí)中可以用傳感器進(jìn)行比傳統(tǒng)教具更精確的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，如最大靜摩擦力與滑動(dòng)摩擦力的大小關(guān)系，牛頓第三定律，光電門(mén)測(cè)速度等。

8.自制教具操作實(shí)驗(yàn)，體驗(yàn)隨處可尋的物理妙招

在得出平行四邊形結(jié)論之后，思考當(dāng)分力大小不變，合力隨夾角變化的規(guī)律時(shí)，為了更直觀地展現(xiàn)變化規(guī)律，自制簡(jiǎn)單的小教具，用三張白紙卷成紙棒，分別表示兩個(gè)分力和合力，很容易發(fā)現(xiàn)當(dāng)分力大小不變時(shí)，分力夾角越大合力越小。這一過(guò)程不僅加深了學(xué)生對(duì)平行四邊形定則的理解和應(yīng)用，還可以使學(xué)生意識(shí)到在生活周?chē)幪幎际强梢渣c(diǎn)石成金的寶物，都可以作為學(xué)習(xí)物理的工具和解決問(wèn)題的突破口。

9.創(chuàng)設(shè)生活情境，感受物理與人類(lèi)生活的關(guān)系，形成科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

通過(guò)學(xué)習(xí)，嘗試解釋“神奇的力量”——人拉車(chē)的現(xiàn)象，首尾呼應(yīng)。一是學(xué)生在這個(gè)過(guò)程中學(xué)以致用，體驗(yàn)物理給生活帶來(lái)的魅力，二是通過(guò)學(xué)習(xí)拓展思維，思考生活中還有哪些現(xiàn)象可以用力的合成知識(shí)解釋?zhuān)热缭鯓幼鲆w向上更省力？為什么小七孔橋建成拱形？在這一過(guò)程認(rèn)識(shí)科學(xué)本質(zhì)，感受物理與人類(lèi)生活的關(guān)系，逐漸形成認(rèn)識(shí)人類(lèi)生活、探索自然的內(nèi)在動(dòng)力，形成務(wù)實(shí)嚴(yán)謹(jǐn)、勇于探索、嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真、實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度。三是通過(guò)思維拓展，為下一節(jié)《力的分解》做好鋪墊和過(guò)渡。

綜上，因?yàn)楸竟?jié)課的教學(xué)重難點(diǎn)都在于探究求互成角度的兩個(gè)分力的合成方法，旨在學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究過(guò)程，通過(guò)小組實(shí)驗(yàn)、交流討論得出結(jié)論，單單一次實(shí)驗(yàn)并不能夠完全說(shuō)明結(jié)論的正確性，所以在教學(xué)中，教師應(yīng)該把學(xué)生分多組并進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分享，從共性中找出個(gè)性規(guī)律。

2020—02—20

G633.7

A

1673-4564（2020）03-0235-03