關(guān)于“探究?jī)蓚€(gè)互成角度的力的合成規(guī)律”幾點(diǎn)教學(xué)思考*

任詩(shī)雨

(廣州市鐵一中學(xué) 廣東 廣州 510000)

“探究?jī)蓚€(gè)互成角度的力的合成規(guī)律”這節(jié)課本質(zhì)上是讓學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)尋找矢量合成的規(guī)律,是學(xué)生深化相互作用觀、形成完備矢量觀的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié).實(shí)際教學(xué)中,該節(jié)課的教學(xué)策略主要有兩種:一種是進(jìn)行探究式實(shí)驗(yàn)教學(xué),另一種是采取驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)教學(xué).相較而言,本節(jié)課采用探究式教學(xué)更符合核心素養(yǎng)中“科學(xué)探究”的要求.

1 關(guān)于課堂引入的思考

新課的引入有多種方式,好的引入不僅能提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情,既貼近學(xué)生的已有知識(shí),又能啟發(fā)學(xué)生,引起認(rèn)知沖突,發(fā)現(xiàn)新的問題.課堂引入不宜采用過于復(fù)雜的實(shí)際情景,容易導(dǎo)致課堂教學(xué)脫節(jié).雖然復(fù)雜的實(shí)際情景能起到吸引學(xué)生的作用,但是不一定對(duì)后續(xù)教學(xué)有幫助.

為了引起學(xué)生對(duì)標(biāo)量相加和矢量相加的區(qū)別的思考,可以設(shè)置如下引入問題: 1 N的力加上1 N的力等于2 N嗎?這個(gè)問題會(huì)出現(xiàn)不同的答案,因?yàn)閷W(xué)生根據(jù)自己初中所學(xué)知識(shí)可以知道:當(dāng)兩個(gè)力同向時(shí),等于2 N,當(dāng)兩個(gè)力方向相反時(shí),卻等于零.學(xué)生從課堂的不同回答中,可以初步體驗(yàn)到兩個(gè)力相加的結(jié)果應(yīng)該與兩個(gè)力的方向有關(guān).教師可以順理成章地提出新問題:如果兩個(gè)1 N的力互成角度,那兩個(gè)力還能直接相加嗎?這個(gè)問題是全新的,跟學(xué)生已有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)全都不同,這個(gè)認(rèn)知沖突,可以極大地刺激學(xué)生學(xué)習(xí)和探索的欲望.此時(shí)教師可以引導(dǎo)學(xué)生用兩個(gè)彈簧秤分開一定角度時(shí),共同懸掛一個(gè)鉤碼,看看兩彈簧秤的示數(shù)相加是否等于鉤碼的重力,結(jié)果是兩彈簧秤的示數(shù)之和并不等于鉤碼重力,這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步強(qiáng)化學(xué)生對(duì)“兩個(gè)力相加并不是簡(jiǎn)單的數(shù)值相加”的認(rèn)識(shí),可以促使學(xué)生產(chǎn)生想進(jìn)一步探尋的欲望,教師可以引導(dǎo)學(xué)生基于以上的觀察和實(shí)驗(yàn)提出問題,形成初步猜想和假設(shè),學(xué)生的問題意識(shí)得到發(fā)展.

2 關(guān)于合力 分力概念的思考

等效替代思想是物理研究中常用的思想方法之一,學(xué)生其實(shí)很早就通過“曹沖稱象”的故事接觸過等效替代思想.粵教版和人教版教材都采用一個(gè)成年人和兩個(gè)小孩都可以將同一桶水提起的例子(圖1),來說明一個(gè)成年人對(duì)水桶施加的力和兩個(gè)小孩對(duì)水桶施加的力作用效果相同,可以相互替代,進(jìn)而給出合力與分力的概念.根據(jù)教材的定義,如果兩個(gè)小孩對(duì)水桶施加的力分別為F1、F2,我們可以假設(shè)出一個(gè)力F′,使F′與F1、F2的共同作用效果相同,則F′是F1、F2的合力,顯然F′可以通過矢量合成計(jì)算出來,是人為假想出來的,而F是大人實(shí)際施加在水桶上的力,F是實(shí)際情景中的等效力,真實(shí)存在,F與F′應(yīng)該相等,但二者是有區(qū)別的.

圖1 粵教版一個(gè)大人與兩個(gè)孩子分別提同一桶水圖例

“力的合成”是數(shù)學(xué)領(lǐng)域的矢量運(yùn)算過程,“合力”是矢量運(yùn)算的結(jié)果、是抽象概念．“合力”不是實(shí)在性質(zhì)的力,而是存在于大腦抽象運(yùn)算過程中的“矢量和”,要和現(xiàn)實(shí)存在的“等效力”區(qū)分開[1].教學(xué)過程中教師必須加以區(qū)分,讓學(xué)生明白二者的區(qū)別和聯(lián)系,這樣學(xué)生在受力分析的時(shí)候才不會(huì)多分析出一個(gè)“合力”.學(xué)生在實(shí)驗(yàn)探究過程中,也清楚為什么要將兩個(gè)彈簧秤拉橡皮筋的力F1、F2為鄰邊的平行四邊形所夾的對(duì)角線F′與一個(gè)彈簧秤拉橡皮筋的力F進(jìn)行比較.

3 關(guān)于實(shí)驗(yàn)探究過程引導(dǎo)的思考

新粵教版教材在實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)中設(shè)置了4個(gè)引導(dǎo)問題和4個(gè)實(shí)驗(yàn)步驟,意在引導(dǎo)學(xué)生自己動(dòng)手完成實(shí)驗(yàn),但在實(shí)際操作中,學(xué)生仍然是手忙腳亂,一團(tuán)混亂.為了讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)探究過程中提高效率,順利完成實(shí)驗(yàn),教師可以請(qǐng)部分學(xué)生操作示范給其他同學(xué)看,比如讓學(xué)生示范用一個(gè)彈簧秤拉橡皮筋,如何拉才算是作用效果相同,如何確定節(jié)點(diǎn)位置,如何確定拉力的大小和方向,在這個(gè)過程中,學(xué)生在初次實(shí)驗(yàn)時(shí)基本都會(huì)犯一些錯(cuò),正好利用這樣的機(jī)會(huì),可以將引起實(shí)驗(yàn)誤差的一些錯(cuò)誤操作和不規(guī)范操作展示給學(xué)生看,并加以糾正,這樣可以加深學(xué)生的印象,同時(shí)為后面做誤差分析提供一些素材,通過以上的示范和講解過程,兩個(gè)彈簧秤拉橡皮筋的實(shí)驗(yàn)過程學(xué)生就可以根據(jù)示范講解順利完成了.有部分學(xué)生對(duì)力的圖示作圖還不是很熟練,甚至有很多學(xué)生直接作力的示意圖,所以也有必要給學(xué)生演示用力的圖示把力精確表示出來.當(dāng)然教師也可以提前錄制實(shí)驗(yàn)操作過程的微課,在實(shí)驗(yàn)之前播放給學(xué)生觀看,提升課堂效率.

為了引導(dǎo)學(xué)生朝平行四邊形的方向思考,粵教版教材中提示學(xué)生“觀察這3個(gè)力構(gòu)成的幾何圖形”,舊人教版教材中也“建議用虛線把合力的箭頭端分別與兩個(gè)分力的箭頭端連接”.即使有這些提示,很多學(xué)生仍然很難總結(jié)出平行四邊形定則,主要原因是學(xué)生沒有思維的基礎(chǔ),學(xué)生原來的腦海中只有數(shù)值加減的概念,對(duì)矢量合成一無所知,要學(xué)生朝平行四邊形定則的角度去思考是比較突兀的,而用虛線把合力的箭頭端分別與兩個(gè)分力的箭頭端連接得到的結(jié)果往往是一個(gè)不規(guī)則的四邊形,學(xué)生不容易有思考的方向,所以很多時(shí)候就造成教師直接提示學(xué)生圖形是否像平行四邊形.為了讓學(xué)生有思維的源泉,教師可以提前借助位移的概念做適當(dāng)?shù)匿亯|,如圖2所示.

圖2 位移合成示意圖

一個(gè)人從A走到B,發(fā)生的位移為AB,又從B走到C,發(fā)生的位移為BC,而人在整個(gè)過程中的位移為AC,如果將位移BC平移至左側(cè)虛線處,那么總位移AC剛好是以AB、BC為鄰邊的平行四邊形的對(duì)角線.顯然學(xué)生受到這個(gè)例子的啟發(fā)不難把合力與分力的關(guān)系朝平行四邊形定則的方向去思考,后續(xù)教師只需要讓學(xué)生利用尺規(guī)作圖法,以兩個(gè)分力為鄰邊作平行四邊形,把夾在兩分力之間的對(duì)角線與實(shí)際測(cè)得的合力進(jìn)行對(duì)比分析即可.

4 關(guān)于實(shí)驗(yàn)改進(jìn)與創(chuàng)新的辯證思考

粵教版教材將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方案作了一些優(yōu)化改進(jìn),實(shí)驗(yàn)器材如圖3所示.

圖3 粵教版實(shí)驗(yàn)器材圖

當(dāng)匯力圓環(huán)和作圖紙上的定位圓重合時(shí)表示力的作用效果一樣,此方法在保證力的等效性上比傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方案引起的偶然誤差更小,傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方案中很難保證用兩個(gè)彈簧秤和一個(gè)彈簧秤分別拉伸橡皮筋時(shí),節(jié)點(diǎn)到達(dá)的位置完全重合,但此改進(jìn)方法中,鉤子與匯力圓環(huán)之間可能存在切向摩擦力,會(huì)影響力的測(cè)量;等距同心圓環(huán)紙有助于學(xué)生快速完成作圖,角度圓的設(shè)計(jì),方便學(xué)生取不同夾角進(jìn)行實(shí)驗(yàn),但容易使學(xué)生只局限于在某些特定的夾角進(jìn)行實(shí)驗(yàn),影響了結(jié)果的普適性;為了提升實(shí)驗(yàn)結(jié)果的普適性,在定位圓位置確定時(shí),學(xué)生需在兩細(xì)繩夾角取不同值時(shí)進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn),學(xué)生還需移動(dòng)定位圓的位置,再重復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn).人教版教材采用了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方案,實(shí)驗(yàn)原理如圖4所示,拉橡皮筋的方向可以任意,所以節(jié)點(diǎn)的位置可以任意選取,在驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的普適性方面效率會(huì)更高一些.

圖4 人教版實(shí)驗(yàn)原理圖

教學(xué)用演示實(shí)驗(yàn)或者學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)應(yīng)遵循目標(biāo)明確、原理正確、操作容易、效果明顯、取材便利、設(shè)計(jì)美觀、簡(jiǎn)單輕巧等原則[2].有許多教師對(duì)力的合成實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了很多有意義的改進(jìn),目的都是減小實(shí)驗(yàn)誤差或者提高實(shí)驗(yàn)效率,當(dāng)然也存在一些為了創(chuàng)新而創(chuàng)新的現(xiàn)象,比如有的改進(jìn)方案中采用力傳感器來測(cè)量力的大小,雖然這樣可以使力的大小測(cè)量更準(zhǔn)確,卻不利于學(xué)生掌握傳統(tǒng)彈簧測(cè)力計(jì)的使用方法;還有采用結(jié)合現(xiàn)代信息技術(shù)的“智能力盤”進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的方案,利用力傳感器進(jìn)行測(cè)量,以及電腦作圖的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn),雖然新穎,但不利于培養(yǎng)學(xué)生的作圖能力和動(dòng)手能力.人教版教材仍然采用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方案,這個(gè)實(shí)驗(yàn)方案是經(jīng)過多年的教學(xué)實(shí)踐后一直保留下來的,此方案取材便利、操作簡(jiǎn)單,基本所有的學(xué)校都有條件進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn),對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)是非常有幫助的,比如鞏固彈簧測(cè)力計(jì)的使用方法、提升學(xué)生的作圖能力、留給學(xué)生進(jìn)行改進(jìn)的空間比較大,有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力.

新課標(biāo)中指出科學(xué)探究是指基于觀察和實(shí)驗(yàn)提出物理問題、形成猜想和假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與制定方案、獲取和處理信息、基于證據(jù)得出結(jié)論并作出解釋,以及對(duì)科學(xué)探究過程和結(jié)果進(jìn)行交流、評(píng)估、反思的能力[3].在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過程中,誤差分析是一個(gè)必不可少的環(huán)節(jié),對(duì)培養(yǎng)學(xué)生交流、評(píng)估、反思的能力非常有益,有時(shí)教師為了讓實(shí)驗(yàn)結(jié)果更精確,花了很多心血去改進(jìn)實(shí)驗(yàn),這樣對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的誤差分析能力不一定有利,因?yàn)槟承﹥?yōu)化的措施,會(huì)淡化學(xué)生的誤差分析意識(shí),這些措施原本學(xué)生可以通過交流、評(píng)估和反思得出,因此教師的“好心”反而可能不好,對(duì)培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力不利,所以教師對(duì)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)化要適中,力求讓實(shí)驗(yàn)效果更好的同時(shí),留給學(xué)生一些改進(jìn)空間,充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的自主性,培養(yǎng)學(xué)生的質(zhì)疑能力和創(chuàng)新能力.因此,當(dāng)教師采用傳統(tǒng)的力的合成實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究時(shí),在引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行誤差分析之后,可以讓學(xué)生進(jìn)一步設(shè)計(jì)減小實(shí)驗(yàn)誤差的改進(jìn)方案.

5 關(guān)于如何減小力的方向測(cè)量誤差的思考

引起該實(shí)驗(yàn)誤差的主要原因來源于力的大小和力的方向測(cè)量?jī)蓚€(gè)方面.對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行誤差分析時(shí),教師和學(xué)生往往對(duì)力大小的測(cè)量誤差原因關(guān)注更多,對(duì)力的方向測(cè)量誤差則關(guān)注較少,而力的方向確定不準(zhǔn)引起的誤差非常大,如果實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏離平行四邊形太多,學(xué)生在心理會(huì)產(chǎn)生“被強(qiáng)制接受”的感覺,所以提高力的方向測(cè)量精確度是有必要的.在確定力的方向的時(shí)候,我們通常在離節(jié)點(diǎn)較遠(yuǎn)處,沿著細(xì)繩方向確定另外一點(diǎn),利用兩點(diǎn)確定一條直線的原理,就可以確定力的方向.本實(shí)驗(yàn)需要兩位同學(xué)合作才能順利完成,由于兩位同學(xué)的配合問題、視線誤差等原因,力的方向的確定往往存在誤差.以下是一種減小方向測(cè)量誤差的改進(jìn)方法:如圖5所示,沿著細(xì)繩的方向,在較遠(yuǎn)處于細(xì)繩兩側(cè)多取幾個(gè)點(diǎn),由節(jié)點(diǎn)開始做射線,讓射線穿過盡量多的點(diǎn),不在射線上的點(diǎn)均勻分布在兩邊,這樣確定方向可以減小只取一個(gè)點(diǎn)帶來的偶然誤差.

圖5 確定力方向的改進(jìn)方法示意圖

對(duì)實(shí)驗(yàn)方案的改進(jìn)優(yōu)化固然重要,但教師還需更多研究教材教法,理解教材選材的用意,改進(jìn)教學(xué)策略,提升教學(xué)效果,把核心素養(yǎng)的要求落到實(shí)處.