搭建自制教具平台突破高中力学习题中疑难问题的教学策略.docx

搭建自制教具平台突破高中力学习题中疑难问题的教学策略 邵志慧 何少荣摘要：力学是高中物理课程的重要内容，也是学生学习困难较多的内容之一。基于高中力学习题中常见的疑难问题，制作相应的力学教具，模拟再现有关力学情境，搭建教与学的实验探究平台，可以有效改进高中力学疑难问题的教学现状，提高学生的学习兴趣和学科素养。关键词：自制教具;疑难问题;教学策略中图分类号：G633 文献标识码：A众所周知，学生进入高中后，在学习物理力学知识的过程中，困难重重。究其原因主要为两个方面：其一，高一力学知识的容量和难度相对于初中物理增加很多，抽象思维和综合分析能力要求更高，习题量大且情景复杂。其二，高中物理教师在实际教学中，重理论分析、轻实验探究，学生缺乏问题情境体验和实验探究活动。笔者通过多年的教学实践和课题研究认为，用自制教具搭建高中力学疑难问题教学平台，是解决力学习题中疑难问题的有效途径之一。1 高中“力学习题”中疑难问题的表现及其特点高中物理教学中力学疑难问题的类型、表现和成因有很多，有的是物理学科本身形成的，有的是学生的认知能力、逻辑思维能力存在差距形成的，有的是学生对物理学科兴趣不浓厚、有的是学校资源配置不到位，物理实验室条件差、教学仪器落后，演示实验和学生分组实验不能按课程标准要求开设造成的1。习题设计的意图，本是借习题的解答检测学生对物理知识理解和掌握的情况，检测学生运用所学物理知识和规律解决实际问题的能力。但在高一物理学习的过程中，学生常常会遇到一些在课本上没有出现、在生活中也没有接触到的情境类问题，这类问题有的取材新颖、情境陌生、信息量大;有的来源于实际问题，文字描述多;有的设计过程抽象、想象不出实际情景等。学生对所陈述的问题情景缺少感知和体验，仅凭阅读，不能有效地理解题意和顺利地解答，久而久之就变成了疑难问题。由于习题的编制对知识获得的过程进行了或多或少的“阉割”，通过设定各种已知条件和理想情况，使学生的一部分思维活动被越俎代庖，从而疏离了作为教学根源的现象，这无疑破坏了教育情境的真实性，从而使学生无法在教学活动中得到全面发展2。案例一：如图1所示，两轻杆和重物都保持静止，要求画出滑轮和结点受杆和绳的弹力方向，并结合重物的质量、轻绳与杆之间的夹角求解这些弹力的大小。解答这类习题的前提是正确的受力分析，如图2所示。但在实际解答中，学生往往把这两种情况混为一种，或张冠李戴。出现错误的原因是学生对轻绳和轻杆上的弹力特点没有搞清楚。對轻绳而言，只能产生沿绳且指向绳收缩方向的弹力，绳只能提供拉力;通过滑轮的一根轻绳两侧弹力一定相等，打结一处的两段轻绳上弹力可不相等。对轻杆而言，若杆可自由转动，杆产生的弹力一定沿杆方向;若杆不能自由转动，杆产生的弹力则不一定沿杆方向。关于这些结论，仅凭教师的课堂讲解和理论分析，不足以解决学生存在的疑惑。只要学生没有生活感知，缺少观察体验，缺乏定量的实验探究，运用所学的物理知识和规律解答实际问题就存在困难，就容易出错，学习效果就不好。2 高中“力学习题”中疑难问题的解决策略毋庸置疑，高中“力学习题”中有很多教师公认的疑难问题，比如“三力动态平衡”模型中许多实际问题的动态分析和解答，又比如“滑块在传速带上运动”的各种情况分析和解答等等。学生往往表现为课堂上听懂了，课下却不能很好地独立地解决相似的实际问题。即便是通过“死记硬背”掌握了某一类习题的解答方法，但学生的物理学科素养并没有得到实质性的培养和提高。对于这样的力学习题中存在的疑难问题，笔者认为有效的教学策略之一，就是基于力学问题情景，利用实验室已有的器材，以及身边的废旧物品和简易材料等设计制作教具，用自制教具来搭建力学疑难问题的教学平台，利用教具开展有关教学和进一步的探究活动。对于“案例一”所涉及的问题，笔者就利用家装木板边料、筒式测力计、小滑轮、细绳、钩码等制作了一套自制教具，如图3所示。这套自制教具可以很好地模拟再现多种绳、杆架构的力学平衡情境，使问题可见、可变化，使学生可观察、可感知，通过该教具辅助教学后，学生对轻杆上的弹力，什么情况下沿杆的方向，什么情况下不沿杆的方向，有转轴的“活杆”和有铰链的“死杆”到底有什么区别等，就有了清晰的感知和认识。案例二：如图4所示，用一根轻绳通过光滑动滑轮O悬挂一重物G，绳A、B端在同一水平面上，A端固定，B端可动。现让B端沿水平方向缓慢移动到C处，再沿竖直方向缓慢移动到D处，问绳上的弹力大小如何变化？在实际教学中，笔者和学生多次遇到在该力学情境基础上设计的不同习题。大部分学生都会在B端由C处缓慢移动到D处的设问中判断错误。原因就是搞不清楚B端移动时，绳OA段和OB段上拉力的大小关系以及动滑轮的移动特点。这种情景的习题，就可以确定为教学中的力学疑难问题。解决这样的问题，最简单、最有效的方法就是通过自制教具来演示和探究，而不是单纯的理论分析和讲解。针对“案例二”所涉及的问题和力学情景，笔者就制作了图5所示的自制教具，只需一个筒式测力计（或一段橡皮筋）、小滑轮、一根细绳、一块重物就能进行课堂演示和组织教学。通过这套简单的自制教具可以使学生很清楚、很容易掌握该类问题的要点，即“B端移动时，绳OA段和OB段上拉力的大小始终相等;动滑轮会缓慢移动;绳OA段和OB段与竖直方向的夹角始终相等;B端由C处缓慢移动到D处的过程中，绳OA段和OB段与竖直方向的夹角不变，绳上的拉力不变。”这些现象和结论非实验不能很好地呈现，非实验不能激发学生的进一步学习和理论探究的热情。案例三;如图6所示，是笔者组织教师制作的一套自制教具，即小球沿竖直面内光滑轨道运动规律模拟探究演示仪，所需的材料为家装木工板、塑料线槽、小金属球等。小球沿竖直面内的光滑斜面轨道和圆轨道的内侧或外侧运动问题是高中物理力学中常见的问题模型，如“过山车模型问题”。在这类问题情境中，小球什么情况下能沿轨道运动，什么情况下离开轨道运动？如何理解小球通过圆轨道最高点的临界情况？这些问题往往是高中物理教学的重点，也是学生学习中的难点。以这个自制教具为教学平台，在课堂教学中，先通过自制教具，再现学生遇到的实际问题的情境，让学生通过观察物理过程和物理现象，感知问题所描述的情景，以亟待解决问题的真实表现，再让学生应用所学的物理知识和物理规律解答有关习题问题。教师先做实验，让小球从斜面轨道上的不同位置由静止释放，让学生观察小球在竖直光滑圆轨道的内侧（或外侧）运动，看小球是否沿轨道运动？能否通过轨道的最高点？演示结束后，组织学生陈述观察到的物理现象，并运用机械能守恒定律和牛顿第二定律进行解释。最后再出示有关习题问题，引导学生独立解答。3 基于该教学策略的实践和效果笔者组织一线教师进行了多年的实践研究，取得了较好的教学效果。基于高中力学疑难问题设计和制作教具，再利用自制教具搭建力学疑难问题的教学平台，辅助课堂教学，这在笔者所在的学校已成为物理学科校本教研活动的一个主要内容。如图7所示的“传速带自制教具”和“链条传动自制教具”等，这两组教具相同点都是基于力学疑难问题自主设计的，利用生活中的简易器材制作，就是为了给学生创设物理问题情境、还原物理过程，增加学生感性认识，提高学生探究能力和学科素养制作的。在课堂教学中，很受师生的欢迎。针对前述的案例一和案例二两组力学疑难问题，笔者曾设计了一项调研任务，在吴忠市某重点中学组织2017届高一两个班共108名学生进行了测试。3.1 测试项目：探究绳杆结构模型中弹力的特点3.1.1 请参与测评的学生如实填写以下信息3.1.2 请在规定的时间内完成下列问题在下图中，轻杆都保持静止，试画出滑轮和结点所受杆和绳弹力的方向。如图所示，水平横梁的一端A插在墙壁内，另一端装有一小滑轮B。一轻绳的一端C固定于墙壁上，另一端跨过滑轮后悬挂一质量m=10千克的重物，CBA=30，则滑轮受到绳子的作用力为（g取10m/s2）（ ） 。A.50N B.C.100N D.某学习小组为了探究轻杆上的弹力的方向，设计了如图所示的实验装置。调整轻杆左端的转轴使其处于自由活动状态，用一根轻绳通过杆右端固定的滑轮（光滑），下端挂重锤，上端链接测力计。调整轻杆，当轻杆与竖直立柱之间的夹角为时，杆和重锤都处于静止。根据实验探究，下列判断正确的是（ ）。A.测力计的读数大于重锤的重力B.测力计的读数一定等于重锤的重力C.可以为90（即杆处于水平）D.一定为小于90的某一特定值如图所示，用一根细线穿过光滑的动滑轮O，绳两端A、B处于同一水平面上，滑轮下端挂一重物G。现使A端固定，B端可动。（1）若让B端沿水平方向缓慢移动到C处，细绳OA和OB段上的拉力大小如何变化？_ （ 填“变大”“不变”或“变小”）（2）若让B端从C处沿竖直方向缓慢移动到D处，细绳OA和OB段上的拉力大小如何变化？_ （ 填“变大”“不变”或“变小”）如图所示，长为5m的细绳的两端分别系于竖立在地面上相距为4m的两杆的顶端A、B。绳上挂一个光滑的轻质挂钩，其下连着一个重为12N的物体。（1）物体平衡时，绳中的张力大小为 _ 。（2）若将B端沿竖直方向向下移动一点，绳中的张力将_ （ 填 “变大”“不变”或“变小” ）3.1.3 经过测试后，你出现的主要错误是什么？原因是什么？3.2 测试结果从测试的结果可以明显看出，学生用所学的力学知识解答实际力学问题远没有达到教学目标。学生出现的错误类型和笔者的预测是一致的，从学生自己分析的原因来看，主要是对轻绳和轻杆上的弹力方向的特点没有理解掌握，对“活杆”和“死杆”、“活结”和“死结”等缺乏感知，对具体的力学情境陌生。追究这些原因的本质，最大的问题还是高中物理教学中缺乏实验探究所致。3.3 教学改进通过测试，我们准确地找到了学生在这一类力学问题中存在的疑难。基于此，一线教师制作了相应的自制教具，并在2020年高三总复习时，仍选择高一时的测试对象（大部分學生还在）进行基于自制教具平台的复习教学，课堂上，学生兴致很浓，观察仔细，讨论热烈，在实验演示和探究的基础上，以前出现的问题得到了形象而有效的解答，学习轻松，再次测试的效果明显好于没有教具支持学习的平行班级，这样的复习方式也得到了高三学生的喜欢和肯定。基于高中力学疑难问题设计和制作教具，利用自制教具搭建解决力学疑难问题的教学平台，可以提高物理教学实效，有效落实物理学科核心素养。同时，自制力学教具，能很好地促进教师和学生的动手能力，也能不断充实学校实验室。希望更多的教师参与到自制教具的研究和使用中来，将自制教具应用于教学实践，改善教师课堂教学行为，激发学生的学习兴趣，提升学生综合分析能力，培养学生的创新意识。（责任编辑：张 琼）参考文献：1张刚刚.高中物理教学中力学疑难问题调查研究以秦安县S中学为例D.西北师范大学，2015.2邢红军，童大振.聚焦课堂教学：学生发展核心素养的生命之源以物理高端备课的研究为例J.教育科学研究，2019（09）：61-66+72. -全文完-