學(xué)生頭腦中的“彈力”

馬云夢(mèng) 成卒

【摘要】物理概念是客觀事物的共同物理屬性與本質(zhì)特征在人們頭腦中的反映，是物理情境的抽象概括，是在物理教學(xué)中介紹物理規(guī)律與理論的基礎(chǔ)。“彈力”是力學(xué)中重要的物理概念之一，也是中學(xué)物理教學(xué)中的難點(diǎn)。而彈力在生活中可以經(jīng)常見(jiàn)到，故學(xué)生在學(xué)習(xí)這一節(jié)前，已經(jīng)對(duì)其有一定的認(rèn)知，但是對(duì)于復(fù)雜情境下對(duì)于彈力的判斷存在困難。因此掌握彈力的概念尤其重要。本文以調(diào)查學(xué)生的認(rèn)知情況為依據(jù)，圍繞“彈力”這一物理概念，給出一些貼近學(xué)生的教學(xué)建議。

【關(guān)鍵詞】教學(xué)建議 彈力 概念教學(xué)

【中圖分類號(hào)】G633.7 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2018）19-0247-02

一、中學(xué)物理中彈力的概念

1.課本中“彈力”的概念

由于物理學(xué)的基本概念和規(guī)律比較抽象，從學(xué)生不同年齡的認(rèn)知結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和認(rèn)識(shí)規(guī)律看，認(rèn)識(shí)和理解不可能一次完成。因而，初高中物理教材內(nèi)容作了螺旋式上升的安排，都介紹了彈力的相關(guān)知識(shí)，區(qū)別是深度有所不同，但物理概念是整個(gè)物理知識(shí)體系的基石和支撐點(diǎn)， 是物理理論的精髓， 是物理思維的基本單位和物理學(xué)科的基本要素。只有科學(xué)的、精確的和嚴(yán)密的物理概念才能準(zhǔn)確地描述自然界的物理現(xiàn)象。建構(gòu)科學(xué)的物理概念對(duì)物理學(xué)習(xí)非常重要，筆者對(duì)比了幾個(gè)版本的物理教材中對(duì)于彈力部分的介紹。

初中學(xué)段，蘇教版八年級(jí)下冊(cè)課本在《力 彈力》一節(jié)中，先介紹了形變與彈性形變。然后將“彈力”歸納為“使物體發(fā)生彈性形變的力”，最后介紹彈簧測(cè)力計(jì)的使用。北師大版八年級(jí)下冊(cè)課本在《力的測(cè)量》一節(jié)中，先談到了彈簧測(cè)力計(jì)，結(jié)合彈簧測(cè)力計(jì)的原理探究了影響彈簧產(chǎn)生彈力大小的因素，但沒(méi)有明確提及“彈力”這一物理概念。人教版八年級(jí)下冊(cè)課本在《彈力》一節(jié)中，談到了物體由于發(fā)生彈性形變而產(chǎn)生的力叫彈力，隨后用本節(jié)中一半的篇幅介紹彈簧測(cè)力計(jì)的使用。

高中學(xué)段，在人教版和教科版高中物理必修一均在第三章中《彈力》這一節(jié)，給“彈力”這一物理概念下了明確的定義：發(fā)生形變的物體，由于要恢復(fù)原狀，對(duì)與它接觸的物體會(huì)產(chǎn)生力的作用，這種力叫作彈力。

2.彈力概念的分析與歸納

從課本中，我們可以看到在初中學(xué)段，彈簧測(cè)力計(jì)是用來(lái)講解彈力的較為直觀、簡(jiǎn)潔的例子，同時(shí)也是力的基本測(cè)量工具。但是課本對(duì)于彈力概念的界定有些模糊不清，而在實(shí)際教學(xué)中，會(huì)遇到平衡態(tài)物體的受力分析問(wèn)題，顯然這類問(wèn)題不只是彈簧測(cè)力計(jì)中存在的彈力。因此，要想分析出復(fù)雜物理情境下，“物體是否存在彈力”這一問(wèn)題，首先要界定“彈力”的物理概念，即何種情境下力屬于彈力。包含以下四個(gè)方面：

①形變。

首先，在所有版本的教材中都提及了彈性形變。要解釋何為彈性形變，須先明確形變，即形狀或體積發(fā)生改變。通過(guò)此表述，學(xué)生可以清楚、直觀地判斷是否有形變的產(chǎn)生。

②彈性形變。

定義形變后，形變按照是否可以完全恢復(fù)到原狀分為兩類：彈性形變和范性形變（或?yàn)樗苄孕巫儯??？梢酝耆謴?fù)的形變叫作彈性形變。不能完全恢復(fù)的形變叫作范性形變。通過(guò)講述法或舉例法可以使學(xué)生正確分類。

③直接接觸且擠壓。

直接接觸且擠壓是物體產(chǎn)生彈力的必要條件，此條件在部分課本中省略，故容易被學(xué)生忽略，進(jìn)而在分析實(shí)際問(wèn)題中會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤。

④在以上條件的發(fā)生過(guò)程中，條件消失，彈力也消失。

有些物體完全可以具備上述條件，但仍然不存在彈力。如彈簧具備產(chǎn)生彈性形變的“能力”，但在處于“原長(zhǎng)”狀態(tài)下，沒(méi)有處在“發(fā)生”彈性形變的過(guò)程中，故不產(chǎn)生彈力。在具體知識(shí)的講法和要求上，要充分考慮不同學(xué)生身心發(fā)展的階段性。對(duì)于邏輯思維沒(méi)有完全養(yǎng)成的初中學(xué)生，要強(qiáng)調(diào)彈力的存在環(huán)境是在彈性形變的“發(fā)生”過(guò)程中。

二、學(xué)情調(diào)查問(wèn)卷結(jié)果

根據(jù)以上四方面關(guān)于彈力概念的細(xì)化，筆者開(kāi)展了學(xué)情調(diào)查。測(cè)量對(duì)象為北京市東城區(qū)某一學(xué)校726名未學(xué)習(xí)過(guò)力學(xué)的初中學(xué)生，采用網(wǎng)絡(luò)問(wèn)卷的形式進(jìn)行調(diào)查初探，測(cè)量目的是對(duì)《彈力》這一節(jié)進(jìn)行學(xué)情分析并以此指導(dǎo)本節(jié)課的教學(xué)。限定答題時(shí)間范圍為每道題30秒到5分鐘，所有問(wèn)題均為“是否式”問(wèn)題，采用實(shí)名制閉卷形式。具體情況如下（部分題干不夠嚴(yán)謹(jǐn)，旨在配合學(xué)生理解）：

①你認(rèn)為只有彈簧有彈力嗎？

②你認(rèn)為海綿有彈力嗎？

③當(dāng)你躺在硬板床上，你認(rèn)為硬板床存在彈力嗎？

④彈簧在任何時(shí)候都有彈力嗎？

⑤當(dāng)你筆直地貼墻站立時(shí)，你覺(jué)得墻對(duì)你有彈力嗎？

⑥當(dāng)你傾斜倚靠在墻邊，你認(rèn)為墻對(duì)你有彈力嗎？

⑦人拍球時(shí)，球受到彈力嗎？

⑧人把球拋到空中時(shí)，球受到彈力嗎？

⑨用彈簧拉著物體時(shí)，彈簧存在彈力嗎？

⑩用木棍拉著物體時(shí)，木棍存在彈力嗎？

三、依據(jù)學(xué)情分析的教學(xué)建議

1.將“微小形變”可視化

從學(xué)生角度，由于“彈簧”中帶有“彈”字且彈簧在日常生活中非常常見(jiàn)，因此學(xué)生對(duì)彈簧并不陌生，可以輕松判斷出彈簧是可以產(chǎn)生彈力的。對(duì)于后面兩個(gè)物體（海綿、硬板床）是否可以產(chǎn)生彈力的問(wèn)題，92.15%的學(xué)生認(rèn)為海綿可以產(chǎn)生彈力，而對(duì)于硬板床，認(rèn)為其可以產(chǎn)生彈力的學(xué)生下降到64.33%。說(shuō)明學(xué)生對(duì)“可以產(chǎn)生彈力的物體”的認(rèn)識(shí)存在一定局限性。分析“彈簧”、“海綿”、“硬板床”的形態(tài)特點(diǎn)，學(xué)生雖然不能直接給出“形變”、“彈性形變”等詞語(yǔ)，但是能從數(shù)據(jù)結(jié)果中反饋出：學(xué)生認(rèn)為硬板床不存在彈力的原因是其形態(tài)（或體積）的變化不像彈簧、海綿一樣。

根據(jù)學(xué)生身心發(fā)展階段性理論， 初一年級(jí)學(xué)生大多數(shù)是從功用性的定義或具體形象的描述水平向接近本質(zhì)的定義或作具體的解釋水平轉(zhuǎn)化， 對(duì)抽象概念的掌握還比較困難， 初二、三年級(jí)學(xué)生大多是接近本質(zhì)的定義或作具體的解釋水平， 或者是由這類水平向本質(zhì)定義水平轉(zhuǎn)化，在初中物理的教學(xué)過(guò)程中，應(yīng)盡可能使用圖表、圖解、掛圖、錄像、多媒體計(jì)算機(jī)等輔助教學(xué)手段增強(qiáng)視聽(tīng)效果， 以形成生動(dòng)活潑、正確、持久的表象。因此，要把對(duì)事物表面現(xiàn)象觀察所得到的經(jīng)驗(yàn)與物理知識(shí)不一致的地方提出來(lái)，也就是讓學(xué)生看到硬板床是可以產(chǎn)生彈性形變的。對(duì)此，我們可以利用人教版教材動(dòng)手動(dòng)腦學(xué)物理中的第5題，“將橢圓形厚玻璃瓶裝滿水，把細(xì)玻璃管通過(guò)帶孔的橡皮塞插入瓶中。沿著不同的方向用力捏厚玻璃瓶，觀察吸管中水面高度的變化?！比鐖D3-1所示。除此以外，也可搭建光路，用水平桌面替代題目中的“硬板床”，通過(guò)手指按壓，采用物理學(xué)中的光放大法讓學(xué)生真正觀察到“硬板床”的微小形變。如圖3-2所示。

2.利用探究式學(xué)習(xí)，補(bǔ)充“直接接觸且擠壓”的條件

探究式學(xué)習(xí)法強(qiáng)調(diào)注重學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程和實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程。親身經(jīng)歷各種探究活動(dòng)有助于學(xué)生建立科學(xué)的物理概念。直接接觸且擠壓是產(chǎn)生彈力的重要必要條件，此條件對(duì)于初中學(xué)生較為抽象，且在教材和實(shí)際教學(xué)中易忽略。調(diào)查結(jié)果顯示，有近90%的同學(xué)確認(rèn)彈簧不是在任何時(shí)候都存在彈力。這種認(rèn)識(shí)也可能只就所問(wèn)的問(wèn)題而言，說(shuō)明學(xué)生能認(rèn)識(shí)到彈簧要產(chǎn)生彈力需要一定條件。為了確認(rèn)學(xué)生的這一觀點(diǎn)，筆者又設(shè)計(jì)了⑤⑥兩個(gè)問(wèn)題，旨在了解學(xué)生對(duì)“直接接觸”和“相互擠壓”這兩個(gè)必要條件的認(rèn)識(shí)程度：有相當(dāng)一部分學(xué)生對(duì)接觸和擠壓的區(qū)別分不清楚，因此設(shè)計(jì)了如下實(shí)驗(yàn)以幫助學(xué)生區(qū)分“接觸”和“擠壓”。

如圖，在相對(duì)較為光滑的水平面上，有兩組實(shí)驗(yàn)器材。左邊一組尺子和球體直接接觸但沒(méi)有擠壓。右邊一組尺子與球體直接接觸，且尺子傾斜立起，對(duì)球體有擠壓。同時(shí)撤去兩尺子，左圖球體保持靜止?fàn)顟B(tài)。右圖球體開(kāi)始運(yùn)動(dòng)。對(duì)比兩現(xiàn)象，說(shuō)明右圖球體在開(kāi)始運(yùn)動(dòng)前，尺子對(duì)其產(chǎn)生了彈力。

此外，還可以設(shè)計(jì)下圖實(shí)驗(yàn)。有兩組實(shí)驗(yàn)器材，左圖是在距離為2cm的豎直放置的兩平板中放入一個(gè)2cm×2cm×2cm的彈性矩形物塊，右圖是在距離為2cm的豎直放置的兩平板中放入一個(gè)相同材質(zhì)的，寬度為2cm×2cm×1.8cm的彈性矩形物塊，同時(shí)從同高度由靜止釋放，觀察對(duì)比兩物塊運(yùn)動(dòng)情況?？砂l(fā)現(xiàn)左圖物塊運(yùn)動(dòng)慢。對(duì)比兩裝置異同并分析，可知直接接觸不是彈力的必要條件，而當(dāng)其相互擠壓時(shí)就會(huì)受到平板的彈力（摩擦力）。

3.利用概念分析“彈力”的產(chǎn)生

“彈力”這一概念對(duì)初中學(xué)生來(lái)說(shuō)是一個(gè)較難理解的概念。所以在應(yīng)用這個(gè)概念時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生很多問(wèn)題。學(xué)生是不是真的理解“彈力”這一概念，我們?cè)O(shè)計(jì)了⑨⑩兩個(gè)問(wèn)題，有57.71%的學(xué)生認(rèn)為用木棍拉物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，木棍不存在彈力。這一調(diào)查的結(jié)果說(shuō)明：對(duì)于彈力的概念教學(xué)還是要循序漸進(jìn)。使學(xué)生建立科學(xué)的物理思維方式。要存在彈力，就一定符合彈力的產(chǎn)生條件，逆命題亦成立。教師需要引導(dǎo)學(xué)生真正分析，而不應(yīng)該去猜測(cè)是否存在彈力。