談高中物理有效思維課堂構(gòu)建
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摘要：《力的合成》是高中物理的重要基礎(chǔ)內(nèi)容，本課教學(xué)重點在理解“等效替代”的物理思想，學(xué)生通過生活實例理解分力、合力和共點力的概念，形成物理觀念。通過自主探究共點力的合成方法，經(jīng)歷科學(xué)思維和科學(xué)探究過程，增強(qiáng)了科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。
關(guān)鍵詞：高中物理教學(xué)；力的合成；教學(xué)設(shè)計
構(gòu)建有效思維課堂，提高學(xué)生的物理核心素養(yǎng)是物理課堂的主線和追求的目標(biāo)。本文以《力的合成》為例，在教學(xué)中通過生活實例使學(xué)生理解物理概念，形成物理觀念；通過自主實驗探究，經(jīng)歷科學(xué)思維和科學(xué)探究過程，增強(qiáng)科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。
一、對教材的整合與借鑒
考試大綱對“力的合成”是二類要求，新課標(biāo)要求通過實驗，探究求合力的方法。在課堂實施中，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“一個成年人用的力與兩個孩子用的力”提水效果相同的生活實例，使學(xué)生體會等效替代的思想，引入合力與分力的概念，利用橡皮筋兩次拉伸相同效果來“探究求合力的方法”，得出力的合成滿足平行四邊形定則，最后提出“共點力”的概念。但按照邏輯思路，應(yīng)該首先理解共點力概念，然后探究求共點力的合力方法。所以可以對教材進(jìn)行簡單調(diào)整，形成知識線：分力、合力→共點力→平行四邊形定則。教學(xué)中，可借鑒美國高中物理教材《Physics——PrinciplesandProblems》Chapter5——ForcesinTwoDimensions，在探究求互成角度的共點力合成方法時，利用兩個彈簧測力計和砝碼進(jìn)行實驗，猜想合力和兩個分力的大小關(guān)系，是否滿足F1+F2=F，通過起步實驗引發(fā)學(xué)生對原有認(rèn)識的沖擊。
二、有效思維課堂的設(shè)計和實施
1.精心設(shè)計導(dǎo)入環(huán)節(jié)，與學(xué)生共同參與并體驗物理的神奇力量
課前教師可與學(xué)生合作進(jìn)行實驗：人拉車。一輛轎車?yán)镒似邆€人，當(dāng)三名女生沿著繩伸直的方向使勁拉車時車很難被拉動，當(dāng)一名女生沿垂直繩拉動時，很輕松地即可把車?yán)瓌?。學(xué)生經(jīng)歷親身體驗實驗的過程，感受物理在生活中的神奇力量，探索的欲望被激發(fā)出來。
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，課堂上可以通過兩名女生提重物和一名男生提重物進(jìn)行實驗。從效果上來看，一個男生提水的力和兩個女生提水的力是相同的，所以可以用一個力來代替這兩個力，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生說出這一個力和兩個力具有“等效替代”的關(guān)系。從生活常見的實例出發(fā)加深學(xué)生對“等效替代”物理思想的認(rèn)識，理解合力和分力之間的等效替代關(guān)系，為本節(jié)課重點探究求互成角度的兩個力的合成方法做好鋪墊。從貼近學(xué)生的學(xué)習(xí)實例和原有認(rèn)知中提出分力、合力、共點力以及力的合成等相關(guān)概念，不僅形象生動地解釋了相關(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，先解決同一直線上合力與分力的關(guān)系，學(xué)生在初中學(xué)力平衡，對于共線情況可以很容易根據(jù)代數(shù)運(yùn)算得出，這屬于認(rèn)知中的直線思維，完成從代數(shù)運(yùn)算到同一直線的矢量運(yùn)算過程。不過這種順理成章的思維對學(xué)生接觸矢量運(yùn)算造成很大干擾和障礙，所以突破這種直線思維，形成平面思維是這節(jié)課的一個重點。在探究互成角度的力的合成方法時，由于矢量運(yùn)算比較抽象，可以先類比速度的矢量運(yùn)算，使學(xué)生有一個初步的感知，然后在實驗探究中依據(jù)合力和分力的等效替代思想完成從同一直線思維到平面思維的轉(zhuǎn)化和突破，經(jīng)歷科學(xué)思維過程。
4.設(shè)疑猜想，引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突
為了有效地將直線思維過渡到平面思維，在課上可以采用演示實驗的方式。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力計和兩根彈簧測力計拉鉤碼，保證兩次效果相同。這時學(xué)生通過讀彈簧測力計的示數(shù)發(fā)現(xiàn)實驗結(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，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)。通過這個簡單的實驗，使學(xué)生經(jīng)歷探究式學(xué)習(xí)的六個過程：提出問題（是否F1+F2=F）、猜想（F1+F2=F）、制定實驗計劃、實驗操作、得出結(jié)論、交流與評價并制定進(jìn)一步實驗方案。學(xué)生在經(jīng)歷物理實驗的科學(xué)探究過程中，提高了思考問題、制定方案解決問題以及自主探究的能力，養(yǎng)成了良好的物理思維。借助這個實驗，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)一步實驗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)化物理實驗探究，經(jīng)歷有效科學(xué)思維過程，提高物理核心素養(yǎng)
本節(jié)課的重點和難點——設(shè)計實驗，可以通過探究互成角度的兩個力的合成方法來實現(xiàn)。首先設(shè)計思考環(huán)節(jié)，隨著問題的遞進(jìn)，學(xué)生經(jīng)歷深入的科學(xué)思維過程，形成了本節(jié)課探究實驗的主線。討論的核心問題：怎樣利用手中的器材找到兩個分力和與之對應(yīng)的合力？怎樣記錄分力和合力的大小和方向？怎樣準(zhǔn)確地把兩個分力和合力的大小、方向表示出來？怎樣表述合力的大小、方向與分力的大小、方向的關(guān)系？這幾個思考問題貫穿了本節(jié)課探究互成角度的兩個力的合力方法的主線，將難點逐一攻破。學(xué)生在思考過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度，這一過程能夠突出本節(jié)課的重點——等效替代思想。在記錄力的方向時為減小實驗誤差，采用描點法記錄方向。設(shè)定問題，引導(dǎo)學(xué)生畫力的圖示將分力和合力表示出來，為了減小由于操作帶來的誤差，學(xué)生應(yīng)明確注意事項，認(rèn)真進(jìn)行實驗。
6.尋找合力與分力的關(guān)系，多維度分析幾何特點，經(jīng)歷科學(xué)探究過程
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，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?？刹捎瞄_放式的問題探究模式引導(dǎo)學(xué)生尋找它們之間的關(guān)系，啟發(fā)學(xué)生從多個角度去觀察分析，從大小、角度、圖形、幾何關(guān)系等多個角度去分析，讓學(xué)生根據(jù)自己的實驗結(jié)果得出一些猜想，尋找共同點，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，通過視頻展臺把學(xué)生有代表性的力的圖示進(jìn)行展示，分析圖示的形狀、特點和一般規(guī)律，初步得出力的平行四邊形定則。通過學(xué)生自主探究實驗得出平行四邊形的結(jié)論，體會科學(xué)探究精神，讓學(xué)生體驗探索實驗帶來的驚喜，比如有的小組得到菱形、矩形等，但它們都具有相同點：都是平行四邊形。
7.利用力的傳感器，體驗現(xiàn)代科技的魅力
在實驗教學(xué)中，除了設(shè)計合理的實驗方案，還要進(jìn)一步分析實驗過程中可能出現(xiàn)的誤差，如進(jìn)行力的圖示時作圖出現(xiàn)的誤差、橡皮筋拉伸效果產(chǎn)生的誤差、描點法記錄力的方向的誤差、細(xì)線和彈簧測力計與板面是否平行的誤差等。實驗過程中要精確操作，使學(xué)生形成嚴(yán)謹(jǐn)求實的科學(xué)精神和科學(xué)態(tài)度。為提高實驗精確度，課堂上可以利用力的傳感器進(jìn)行實驗，準(zhǔn)確讀出力的大小并傳輸?shù)诫娔X，通過軟件進(jìn)行合成。從實驗的設(shè)計、試驗臺的搭建、軟件的調(diào)試到實驗操作，經(jīng)歷了多次的推翻嘗試過程最終呈現(xiàn)出來，一是學(xué)生體會“偶然誤差”和“系統(tǒng)誤差”存在的情況，二是學(xué)生通過力的傳感器體驗科技給物理課堂帶來的趣味和魅力，在今后的學(xué)習(xí)中可以用傳感器進(jìn)行比傳統(tǒng)教具更精確的實驗過程，如最大靜摩擦力與滑動摩擦力的大小關(guān)系，牛頓第三定律，光電門測速度等。
8.自制教具操作實驗，體驗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，為了更直觀地展現(xiàn)變化規(guī)律，自制簡單的小教具，用三張白紙卷成紙棒，分別表示兩個分力和合力，很容易發(fā)現(xiàn)當(dāng)分力大小不變時，分力夾角越大合力越小。這一過程不僅加深了學(xué)生對平行四邊形定則的理解和應(yīng)用，還可以使學(xué)生意識到在生活周圍處處都是可以點石成金的寶物，都可以作為學(xué)習(xí)物理的工具和解決問題的突破口。
9.創(chuàng)設(shè)生活情境，感受物理與人類生活的關(guān)系，形成科學(xué)態(tài)度與責(zé)任
通過學(xué)習(xí)，嘗試解釋“神奇的力量”——人拉車的現(xiàn)象，首尾呼應(yīng)。一是學(xué)生在這個過程中學(xué)以致用，體驗物理給生活帶來的魅力，二是通過學(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解釋，比如怎樣做引體向上更省力？為什么小七孔橋建成拱形？在這一過程認(rèn)識科學(xué)本質(zhì)，感受物理與人類生活的關(guān)系，逐漸形成認(rèn)識人類生活、探索自然的內(nèi)在動力，形成務(wù)實嚴(yán)謹(jǐn)、勇于探索、嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真、實事求是的科學(xué)態(tài)度。三是通過思維拓展，為下一節(jié)《力的分解》做好鋪墊和過渡。綜上，因為本節(jié)課的教學(xué)重難點都在于探究求互成角度的兩個分力的合成方法，旨在學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究過程，通過小組實驗、交流討論得出結(jié)論，單單一次實驗并不能夠完全說明結(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)行多次實驗，并將實驗結(jié)果進(jìn)行分享，從共性中找出個性規(guī)律。
作者：楊帆 單位：延邊第二中學(xué)