巧設(shè)進階追問 培養(yǎng)科學(xué)思維

李慧玲

摘? ?要：培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力是物理學(xué)科教學(xué)的重要任務(wù)，在教學(xué)中應(yīng)該根據(jù)學(xué)生的實際情況選擇合適的教學(xué)方式進行授課。板塊模型是高考的熱點，綜合考查動力學(xué)、動量和能量等相關(guān)知識，同時考查學(xué)生的推理分析和模型建構(gòu)等關(guān)鍵能力，對學(xué)生的物理素養(yǎng)要求很高。筆者針對學(xué)生常見的思維誤區(qū)，選擇了進階追問的教學(xué)方式進行嘗試，取得了不錯的效果，在指導(dǎo)學(xué)生突破板塊模型問題的同時也提升了學(xué)生的思維能力。

關(guān)鍵詞：板塊模型;進階追問;科學(xué)思維

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2021）11-0060-4

1? ? 緣? ?起

1.1? ? 培養(yǎng)科學(xué)思維是新課標教學(xué)和中國高考評價體系考查的要求

要培養(yǎng)德智體美勞全面發(fā)展的人才，科學(xué)思維的培養(yǎng)必不可少。對物理學(xué)科而言，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維方法一直是教學(xué)中的重要任務(wù)。2020年1月，教育部考試中心出版了《中國高考評價體系》[1]和《中國高考評價體系說明》[2]，該體系對科學(xué)思維做了特別的說明：采用嚴謹求實、實證性的邏輯思維方式應(yīng)對各種問題。能夠根據(jù)對問題情景的分析，運用實證數(shù)據(jù)分析事物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和問題的內(nèi)在聯(lián)系，以抽象的概念來反映客觀事物的本質(zhì)特征和內(nèi)在聯(lián)系。運用抽象與聯(lián)想、歸納和概括、推演與計算模型、建模等思維方法來組織、調(diào)動相關(guān)的知識與能力，解決生活實踐或?qū)W習(xí)探索情景中的各種問題。

1.2? ? 板塊模型是高考的熱點

縱看近幾年的理綜物理高考題，板塊模型出現(xiàn)的頻率很高，且大多作為選擇題或計算題的壓軸題出現(xiàn)。板塊模型是典型的多物體多過程的問題，可以綜合考查動力學(xué)、動量和能量等相關(guān)知識，同時考查學(xué)生的分析能力、綜合能力和物理素養(yǎng)。題目往往通過創(chuàng)設(shè)遞進式問題情境的方式將難度逐步提高，能很好地完成區(qū)分選拔的任務(wù)，備受命題者的青睞。

1.3? ? 板塊模型是教學(xué)中的重難點

板塊模型綜合性強，學(xué)生的知識必須全面，并且要有嚴謹?shù)姆治瞿芰?、很好的建模能力和運算能力，因此很多學(xué)生對板塊模型有著畏懼的心理。筆者根據(jù)教學(xué)中學(xué)生反映的情況，將學(xué)生常見的思維誤區(qū)整理如下：

（1）研究對象或研究過程不清晰;

（2）受力分析不全面，摩擦力相關(guān)知識不過關(guān)，如：摩擦力的有無，摩擦力的方向，摩擦力的種類（靜摩擦力和滑動摩擦力），摩擦力的大小等;

（3）牛頓第二定律F=ma中三個物理量的一一對應(yīng)關(guān)系容易混淆;

（4）臨界狀態(tài)的特點把握不準;

（5）分不清板和塊的運動情況和相對運動情況;

（6）無法構(gòu)建板塊間的速度關(guān)系和位移關(guān)系。

2? ? 巧設(shè)進階追問，培養(yǎng)科學(xué)思維的實例分析

學(xué)生如果能夠突破以上思維障礙，板塊模型將“手到擒來”，科學(xué)思維能力也會得到提升。那么，作為學(xué)生的指導(dǎo)者，老師們又該如何幫助學(xué)生突破上述思維誤區(qū)呢？筆者嘗試用進階追問的方法設(shè)計了一節(jié)課，循序漸進地引導(dǎo)學(xué)生逐步突破各個障礙，增強了學(xué)生的信心，收到了不錯的效果。

【母題】 如圖1所示，滑塊A和木板B靜止疊放在水平地面上， A、B的質(zhì)量分別為m和2 m， A、B間的動摩擦因數(shù)為μ，水平面光滑，現(xiàn)欲施加一水平拉力F，使A、B以同一加速度運動，求拉力F的最大值。（設(shè)最大靜摩擦力等于滑動摩擦力）

【進階追問一】 理清基本概念、規(guī)律及解題方法

（1）A、B間的最大靜摩擦力是多少？

（2）當A、B以同一加速度運動，A、B間是什么摩擦力？大小、方向如何？

（3）當A、B以同一加速度運動且拉力F最大時，A、B間是什么摩擦力？方向如何？

（4）分別對A、B、AB進行受力分析。

設(shè)計意圖：

問題（1）、問題（2）突破摩擦力的誤區(qū)：最大靜摩擦力是兩個接觸物體處于要滑動而尚未滑動的臨界狀態(tài)時所產(chǎn)生的摩擦力，根據(jù)題意可知最大靜摩擦力等于滑動摩擦力，fmax≈μN，且題中N=mg（注意，fmax≈μmg不一定成立）。而靜摩擦力指的是當兩個相互接觸的物體保持相對靜止，但有相對滑動的趨勢時，接觸面間產(chǎn)生的阻礙相對滑動趨勢的力。靜摩擦力的大小范圍：0<f<fmax，方向與相對運動趨勢方向相反;當兩個相互接觸的物體發(fā)生相對滑動，接觸面間產(chǎn)生的阻礙相對滑動的力為滑動摩擦力，滑動摩擦力大小為f=μN（注意N=mg不一定成立），方向與相對運動方向相反。

問題（3）突破臨界狀態(tài)的特點：當A、B以同一加速度運動且拉力F最大時，A、B間的摩擦力為最大靜摩擦力，且A、B的加速度相同。

問題（4）突破受力分析、整體法和隔離法的難點，由于A、B的加速度相同，既可以隔離A或B進行受力分析，也可以對AB整體進行受力分析。

【進階追問二】 改變物理量，創(chuàng)設(shè)新情景

（1）若地面光滑，拉力F作用在A上;

（2）若B與地面間的動摩擦因數(shù)為■μ，拉力F作用在B上;

（3）若B與地面間的動摩擦因數(shù)為■μ，拉力F作用在A上;

（4）若B與地面間的動摩擦因數(shù)為■μ，拉力F作用在B上;

（5）若B與地面間的動摩擦因數(shù)為■μ，拉力F作用在A上。

設(shè)計意圖：問題（1）和母題的地面光滑，先給學(xué)生展現(xiàn)一個簡單的情景，若力作用在B上，根據(jù)牛頓第二定律，對A有：μmg=ma;對B有：F-μmg=2ma;對AB有：F=（m+2m）a。

若力作用在A上，根據(jù)牛頓第二定律，對A有：F-μmg=ma;對B有：μmg=2ma;對AB有：F=（m+2m）a。

通過比較引導(dǎo)學(xué)生靈活選擇對象進行解題，突破對象的選擇和整體法、隔離法的運用。很明顯，在母題中選擇A和AB為研究對象解題比較容易，在問題（1）中選擇B和AB為研究對象解題比較容易。

加強學(xué)生的受力分析和運動分析能力，對摩擦力和相對運動、運動的關(guān)系有更深入的理解。

引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會用嚴謹?shù)倪壿嬎季S方式分析問題，準確靈活地選擇研究對象、突破摩擦力的障礙，理清臨界狀態(tài)的特點，做好受力分析，準確列式求解，并且進行概括和歸納，為下面的學(xué)習(xí)作鋪墊。

【進階追問三】 發(fā)散思維，全方位鞏固

如圖2，拉力F作用在A上，A、B的質(zhì)量分別為mA=3 kg，mB=2 kg，A、B之間的動摩擦因數(shù)為μ1=0.5，B與地面間的動摩擦因數(shù)為μ2=0.2，重力加速度g=10 m/s2。

（1）A、B都相對地面靜止，求力F的范圍;

（2）A、B相對地面一起運動，求力F的范圍;

（3）A、B發(fā)生相對滑動，求力F的范圍。

思考：滑塊A和木板B的加速度有何關(guān)系？

設(shè)計意圖：（1）A、B之間的最大靜摩擦力為：

fABmax=μ1mAg=0.5×3×10 N=15 N;

B與地面間的最大靜摩擦力為：

fmax=μ2（mA+mB）g=0.2×（3+2）×10 N=10 N;

對A、B 進行受力分析可知，F(xiàn)≤fmax=10 N時，A、B都相對地面靜止。

（2）F>fmax=10 N時，A、B都相對地面運動，由于A、B相對靜止，A、B間的摩擦力fAB是靜摩擦力。當A、B間摩擦力為最大靜摩擦力fABmax時，對應(yīng)的力F為A、B一起運動的最大值。對B有：

fABmax-μ2（mA+mB）g=mBa，對整體有：f-μ2（mA+mB）g=（mA+mB）a，聯(lián)立兩式解得：F=22.5 N，即 10 N<F≤22.5 N時，A、B相對地面一起運動。

（3）當F>22.5 N，A、B發(fā)生相對滑動。

本題是前面兩個階段的深化和升華，引導(dǎo)學(xué)生對板塊模型進行全面的受力分析和運動分析，進行推演與計算，進一步提升思維能力。思考題的設(shè)計是運動分析的補充，學(xué)生若能分析出A、B相對地面靜止時，加速度a=0;A、B相對地面一起運動時加速度a相同;A、B發(fā)生相對滑動時，aA>aB，就能掌握板塊模型的主動和被動的關(guān)系。

【進階追問四】 拓展應(yīng)用，提升思維深度和廣度

【拓展1】 若木板厚度不計，二者處于靜止狀態(tài)。現(xiàn)對木板施加一水平向右的恒力F，已知各個接觸面均粗糙，且最大靜摩擦力等于滑動摩擦力。圖3中關(guān)于滑塊和木板運動的v-t圖像中可能正確的是（實線、虛線分別代表木板和滑塊的v-t圖像）（ ）

設(shè)計意圖：由于滑塊與木板之間有摩擦力，所以當木板做加速運動時，滑塊不可能保持靜止，A選項錯誤;當F較小時，滑塊與木板一起做加速度相等的勻加速直線運動，故B選項正確;當F較大時，滑塊相對木板滑動，滑塊與木板都做加速運動，但木板的加速度大;二者分離后，滑塊在地面上滑動，將做減速運動;木板的加速度將增大，故C選項錯誤，D選項正確。

本題將板塊模型和圖像結(jié)合起來，從圖像的角度引導(dǎo)學(xué)生分析運動。分別考核了A、B一起運動和相對滑動兩種情況，C、D選項再次展現(xiàn)了板塊的主動和被動關(guān)系，由于是木板帶動滑塊，木板的加速度必定大于滑塊的加速度;同時也考核了滑塊從木板上掉下來的情況，滑塊受到地面的摩擦力作用繼續(xù)減速，而木板由于滑塊的離開，合力更大，加速度更大，學(xué)生的思維再一次得到提升，而且對物體的運動分析更加全面長遠。

【拓展2】 如圖4，木板B放在光滑水平地面上，給其施加一個水平向右的恒力F=8.0 N，當向右的速度達到v=1.5 m/s時，有一滑塊以水平向左的初速度v0=1.0 m/s滑上木板的右端?；瑝KA的質(zhì)量m=2.0 kg，木板B的質(zhì)量M=8.0 kg，A、B之間的動摩擦因數(shù)為μ=0.2，設(shè)木板足夠長，滑塊A可看作質(zhì)點，重力加速度g=10 m/s2。求：

（1）滑塊A從滑上木板B開始，經(jīng)過多長時間速度減小為零;

（2）滑塊在木板上相對滑動的過程中，滑塊相對地面的位移;

（3）滑塊和木板的相對位移。

設(shè)計意圖：本題主要是引導(dǎo)學(xué)生突破板塊間的速度關(guān)系和位移關(guān)系，分清板和塊的運動情況和相對運動情況?；瑝K受到木板施加的滑動摩擦力向左做勻減速直線運動直到速度減到0，第1問簡單考核此過程的運動時間，涉及滑塊的（對地）運動情況;滑塊向左勻減速到0后由于受到木板施加的滑動摩擦力，反向向右做勻加速直線運動，直到滑塊和木板共速后一起做勻速直線運動，第2問中考核滑塊從開始到與木板共速過程中的（對地）運動情況;第3問考核滑塊和木板的相對位移，應(yīng)該分析滑塊和木板的運動情況，畫出運動過程圖幫助解題，綜合提升學(xué)生抽象與聯(lián)想、歸納和概括、推演與計算模型、建模等思維方法。

3? ? 策略探討

3.1? ? 挖掘適切問題情景，一題多變，提高課堂效率

本節(jié)課通過在母題的基礎(chǔ)上進行一題多變的方式來實現(xiàn)進階追問，大大降低了難度，單一的物理情景更容易讓學(xué)生接受，節(jié)省了模型的分析時間，提高了課堂的效率，為其他知識技能的學(xué)習(xí)騰出了時間。所以，在平時的教學(xué)中，要注重題目的分析和收集分類，根據(jù)課堂的需要挖掘適切的問題情景，將相關(guān)的題目和追問目標匹配起來進行設(shè)計，一步一步地實現(xiàn)課堂目標。

3.2? ? 根據(jù)課堂教學(xué)任務(wù)和學(xué)生的實際情況將目標細分，設(shè)問難度逐步提高，梯度要合理

本節(jié)課追問的設(shè)計層層遞進，一環(huán)扣一環(huán)，學(xué)生一個階梯一個階梯地往上走，不知不覺間思維能力得到了提升，不會感覺到特別吃力，減緩了學(xué)生對板塊模型的畏懼感，學(xué)生每完成一個小任務(wù)也能獲得成就感和滿足感，自信心也得到了加強。所以，在教學(xué)中我們可以按照教學(xué)任務(wù)把目標進行細分，每個小任務(wù)都要符合學(xué)生的能力水平，設(shè)計問題引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會分析、學(xué)會思考，在解決問題的過程中逐步掌握知識和提升能力。

3.3? ? 改變條件設(shè)計追問，引導(dǎo)學(xué)生審題、分析、建模

本節(jié)課從母題開始，每個追問的條件都發(fā)生變化，且難度越來越大，先是地面光滑，再是地面有不同的動摩擦因數(shù)，再到兩物體各種相對運動和圖像問題等，條件不同，情景就發(fā)生變化，解題的切入點和解題方法也隨之變化，這個變化過程讓學(xué)生體會到審題、分析、建模的重要性。設(shè)計多變的條件讓學(xué)生學(xué)會深入挖掘其中的異同，找到關(guān)鍵點，尋找突破口，同時，也讓部分盲目背題的學(xué)生明白，物理題應(yīng)該注重分析和理解，不能死記硬背，一個小小的數(shù)據(jù)發(fā)生改變，整個題目就發(fā)生了翻天覆地的變化。

4? ? 小? 結(jié)

課堂實例通過進階設(shè)問的方法重點解決受力分析和運動分析的問題，突破了摩擦力、整體法、隔離法、牛頓第二定律、運動學(xué)公式在板塊模型中的運用，學(xué)生在一環(huán)扣一環(huán)的問題指引下循序漸進地學(xué)習(xí)，知識得到了鞏固，科學(xué)思維能力也得到了提升，同時收獲了滿足感和自信心，此方法在教學(xué)中值得推廣。

參考文獻：

[1]教育部考試中心.中國高考評價體系[M].北京：人民教育出版社，2019.

[2]教育部考試中心.中國高考評價體系說明[M].北京：人民教育出版社，2019.

[3]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

（欄目編輯? ? 羅琬華）