搭建自制教具平臺(tái)突破高中力學(xué)習(xí)題中疑難問題的教學(xué)策略

邵志慧 何少榮

摘要：力學(xué)是高中物理課程的重要內(nèi)容，也是學(xué)生學(xué)習(xí)困難較多的內(nèi)容之一?；诟咧辛W(xué)習(xí)題中常見的疑難問題，制作相應(yīng)的力學(xué)教具，模擬再現(xiàn)有關(guān)力學(xué)情境，搭建教與學(xué)的實(shí)驗(yàn)探究平臺(tái)，可以有效改進(jìn)高中力學(xué)疑難問題的教學(xué)現(xiàn)狀，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)科素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：自制教具;疑難問題;教學(xué)策略

中圖分類號(hào)：G633? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

眾所周知，學(xué)生進(jìn)入高中后，在學(xué)習(xí)物理力學(xué)知識(shí)的過程中，困難重重。究其原因主要為兩個(gè)方面：其一，高一力學(xué)知識(shí)的容量和難度相對(duì)于初中物理增加很多，抽象思維和綜合分析能力要求更高，習(xí)題量大且情景復(fù)雜。其二，高中物理教師在實(shí)際教學(xué)中，重理論分析、輕實(shí)驗(yàn)探究，學(xué)生缺乏問題情境體驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)。筆者通過多年的教學(xué)實(shí)踐和課題研究認(rèn)為，用自制教具搭建高中力學(xué)疑難問題教學(xué)平臺(tái)，是解決力學(xué)習(xí)題中疑難問題的有效途徑之一。

1? 高中“力學(xué)習(xí)題”中疑難問題的表現(xiàn)及其特點(diǎn)

高中物理教學(xué)中力學(xué)疑難問題的類型、表現(xiàn)和成因有很多，有的是物理學(xué)科本身形成的，有的是學(xué)生的認(rèn)知能力、邏輯思維能力存在差距形成的，有的是學(xué)生對(duì)物理學(xué)科興趣不濃厚、有的是學(xué)校資源配置不到位，物理實(shí)驗(yàn)室條件差、教學(xué)儀器落后，演示實(shí)驗(yàn)和學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)不能按課程標(biāo)準(zhǔn)要求開設(shè)造成的[1]。

習(xí)題設(shè)計(jì)的意圖，本是借習(xí)題的解答檢測(cè)學(xué)生對(duì)物理知識(shí)理解和掌握的情況，檢測(cè)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)物理知識(shí)和規(guī)律解決實(shí)際問題的能力。但在高一物理學(xué)習(xí)的過程中，學(xué)生常常會(huì)遇到一些在課本上沒有出現(xiàn)、在生活中也沒有接觸到的情境類問題，這類問題有的取材新穎、情境陌生、信息量大;有的來源于實(shí)際問題，文字描述多;有的設(shè)計(jì)過程抽象、想象不出實(shí)際情景等。學(xué)生對(duì)所陳述的問題情景缺少感知和體驗(yàn)，僅憑閱讀，不能有效地理解題意和順利地解答，久而久之就變成了疑難問題。由于習(xí)題的編制對(duì)知識(shí)獲得的過程進(jìn)行了或多或少的“閹割”，通過設(shè)定各種已知條件和理想情況，使學(xué)生的一部分思維活動(dòng)被越俎代庖，從而疏離了作為教學(xué)根源的現(xiàn)象，這無疑破壞了教育情境的真實(shí)性，從而使學(xué)生無法在教學(xué)活動(dòng)中得到全面發(fā)展[2]。

案例一：如圖1所示，兩輕桿和重物都保持靜止，要求畫出滑輪和結(jié)點(diǎn)受桿和繩的彈力方向，并結(jié)合重物的質(zhì)量、輕繩與桿之間的夾角求解這些彈力的大小。

解答這類習(xí)題的前提是正確的受力分析，如圖2所示。但在實(shí)際解答中，學(xué)生往往把這兩種情況混為一種，或張冠李戴。出現(xiàn)錯(cuò)誤的原因是學(xué)生對(duì)輕繩和輕桿上的彈力特點(diǎn)沒有搞清楚。對(duì)輕繩而言，只能產(chǎn)生沿繩且指向繩收縮方向的彈力，繩只能提供拉力;通過滑輪的一根輕繩兩側(cè)彈力一定相等，打結(jié)一處的兩段輕繩上彈力可不相等。對(duì)輕桿而言，若桿可自由轉(zhuǎn)動(dòng)，桿產(chǎn)生的彈力一定沿桿方向;若桿不能自由轉(zhuǎn)動(dòng)，桿產(chǎn)生的彈力則不一定沿桿方向。關(guān)于這些結(jié)論，僅憑教師的課堂講解和理論分析，不足以解決學(xué)生存在的疑惑。只要學(xué)生沒有生活感知，缺少觀察體驗(yàn)，缺乏定量的實(shí)驗(yàn)探究，運(yùn)用所學(xué)的物理知識(shí)和規(guī)律解答實(shí)際問題就存在困難，就容易出錯(cuò)，學(xué)習(xí)效果就不好。

2? 高中“力學(xué)習(xí)題”中疑難問題的解決策略

毋庸置疑，高中“力學(xué)習(xí)題”中有很多教師公認(rèn)的疑難問題，比如“三力動(dòng)態(tài)平衡”模型中許多實(shí)際問題的動(dòng)態(tài)分析和解答，又比如“滑塊在傳速帶上運(yùn)動(dòng)”的各種情況分析和解答等等。學(xué)生往往表現(xiàn)為課堂上聽懂了，課下卻不能很好地獨(dú)立地解決相似的實(shí)際問題。即便是通過“死記硬背”掌握了某一類習(xí)題的解答方法，但學(xué)生的物理學(xué)科素養(yǎng)并沒有得到實(shí)質(zhì)性的培養(yǎng)和提高。

對(duì)于這樣的力學(xué)習(xí)題中存在的疑難問題，筆者認(rèn)為有效的教學(xué)策略之一，就是基于力學(xué)問題情景，利用實(shí)驗(yàn)室已有的器材，以及身邊的廢舊物品和簡(jiǎn)易材料等設(shè)計(jì)制作教具，用自制教具來搭建力學(xué)疑難問題的教學(xué)平臺(tái)，利用教具開展有關(guān)教學(xué)和進(jìn)一步的探究活動(dòng)。

對(duì)于“案例一”所涉及的問題，筆者就利用家裝木板邊料、筒式測(cè)力計(jì)、小滑輪、細(xì)繩、鉤碼等制作了一套自制教具，如圖3所示。這套自制教具可以很好地模擬再現(xiàn)多種繩、桿架構(gòu)的力學(xué)平衡情境，使問題可見、可變化，使學(xué)生可觀察、可感知，通過該教具輔助教學(xué)后，學(xué)生對(duì)輕桿上的彈力，什么情況下沿桿的方向，什么情況下不沿桿的方向，有轉(zhuǎn)軸的“活桿”和有鉸鏈的“死桿”到底有什么區(qū)別等，就有了清晰的感知和認(rèn)識(shí)。

案例二：如圖4所示，用一根輕繩通過光滑動(dòng)滑輪O懸掛一重物G，繩A、B端在同一水平面上，A端固定，B端可動(dòng)?，F(xiàn)讓B端沿水平方向緩慢移動(dòng)到C處，再沿豎直方向緩慢移動(dòng)到D處，問繩上的彈力大小如何變化？

在實(shí)際教學(xué)中，筆者和學(xué)生多次遇到在該力學(xué)情境基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的不同習(xí)題。大部分學(xué)生都會(huì)在B端由C處緩慢移動(dòng)到D處的設(shè)問中判斷錯(cuò)誤。原因就是搞不清楚B端移動(dòng)時(shí)，繩OA段和OB段上拉力的大小關(guān)系以及動(dòng)滑輪的移動(dòng)特點(diǎn)。這種情景的習(xí)題，就可以確定為教學(xué)中的力學(xué)疑難問題。解決這樣的問題，最簡(jiǎn)單、最有效的方法就是通過自制教具來演示和探究，而不是單純的理論分析和講解。

針對(duì)“案例二”所涉及的問題和力學(xué)情景，筆者就制作了圖5所示的自制教具，只需一個(gè)筒式測(cè)力計(jì)（或一段橡皮筋）、小滑輪、一根細(xì)繩、一塊重物就能進(jìn)行課堂演示和組織教學(xué)。通過這套簡(jiǎn)單的自制教具可以使學(xué)生很清楚、很容易掌握該類問題的要點(diǎn)，即“B端移動(dòng)時(shí)，繩OA段和OB段上拉力的大小始終相等;動(dòng)滑輪會(huì)緩慢移動(dòng);繩OA段和OB段與豎直方向的夾角始終相等;B端由C處緩慢移動(dòng)到D處的過程中，繩OA段和OB段與豎直方向的夾角不變，繩上的拉力不變?！边@些現(xiàn)象和結(jié)論非實(shí)驗(yàn)不能很好地呈現(xiàn)，非實(shí)驗(yàn)不能激發(fā)學(xué)生的進(jìn)一步學(xué)習(xí)和理論探究的熱情。

案例三;如圖6所示，是筆者組織教師制作的一套自制教具，即《小球沿豎直面內(nèi)光滑軌道運(yùn)動(dòng)規(guī)律模擬探究演示儀》，所需的材料為家裝木工板、塑料線槽、小金屬球等。

小球沿豎直面內(nèi)的光滑斜面軌道和圓軌道的內(nèi)側(cè)或外側(cè)運(yùn)動(dòng)問題是高中物理力學(xué)中常見的問題模型，如“過山車模型問題”。在這類問題情境中，小球什么情況下能沿軌道運(yùn)動(dòng)，什么情況下離開軌道運(yùn)動(dòng)？如何理解小球通過圓軌道最高點(diǎn)的臨界情況？這些問題往往是高中物理教學(xué)的重點(diǎn)，也是學(xué)生學(xué)習(xí)中的難點(diǎn)。

以這個(gè)自制教具為教學(xué)平臺(tái)，在課堂教學(xué)中，先通過自制教具，再現(xiàn)學(xué)生遇到的實(shí)際問題的情境，讓學(xué)生通過觀察物理過程和物理現(xiàn)象，感知問題所描述的情景，以亟待解決問題的真實(shí)表現(xiàn)，再讓學(xué)生應(yīng)用所學(xué)的物理知識(shí)和物理規(guī)律解答有關(guān)習(xí)題問題。教師先做實(shí)驗(yàn)，讓小球從斜面軌道上的不同位置由靜止釋放，讓學(xué)生觀察小球在豎直光滑圓軌道的內(nèi)側(cè)（或外側(cè)）運(yùn)動(dòng)，看小球是否沿軌道運(yùn)動(dòng)？能否通過軌道的最高點(diǎn)？演示結(jié)束后，組織學(xué)生陳述觀察到的物理現(xiàn)象，并運(yùn)用機(jī)械能守恒定律和牛頓第二定律進(jìn)行解釋。最后再出示有關(guān)習(xí)題問題，引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立解答。

3? 基于該教學(xué)策略的實(shí)踐和效果

筆者組織一線教師進(jìn)行了多年的實(shí)踐研究，取得了較好的教學(xué)效果?；诟咧辛W(xué)疑難問題設(shè)計(jì)和制作教具，再利用自制教具搭建力學(xué)疑難問題的教學(xué)平臺(tái)，輔助課堂教學(xué)，這在筆者所在的學(xué)校已成為物理學(xué)科校本教研活動(dòng)的一個(gè)主要內(nèi)容。如圖7所示的“傳速帶自制教具”和“鏈條傳動(dòng)自制教具”等，這兩組教具相同點(diǎn)都是基于力學(xué)疑難問題自主設(shè)計(jì)的，利用生活中的簡(jiǎn)易器材制作，就是為了給學(xué)生創(chuàng)設(shè)物理問題情境、還原物理過程，增加學(xué)生感性認(rèn)識(shí)，提高學(xué)生探究能力和學(xué)科素養(yǎng)制作的。在課堂教學(xué)中，很受師生的歡迎。

針對(duì)前述的案例一和案例二兩組力學(xué)疑難問題，筆者曾設(shè)計(jì)了一項(xiàng)調(diào)研任務(wù)，在吳忠市某重點(diǎn)中學(xué)組織2017屆高一兩個(gè)班共108名學(xué)生進(jìn)行了測(cè)試。

3.1? 測(cè)試項(xiàng)目：探究繩桿結(jié)構(gòu)模型中彈力的特點(diǎn)

3.1.1? 請(qǐng)參與測(cè)評(píng)的學(xué)生如實(shí)填寫以下信息

3.1.2? 請(qǐng)?jiān)谝?guī)定的時(shí)間內(nèi)完成下列問題

①在下圖中，輕桿都保持靜止，試畫出滑輪和結(jié)點(diǎn)所受桿和繩彈力的方向。

②如圖所示，水平橫梁的一端A插在墻壁內(nèi)，另一端裝有一小滑輪B。一輕繩的一端C固定于墻壁上，另一端跨過滑輪后懸掛一質(zhì)量m=10千克的重物，∠CBA=30°，則滑輪受到繩子的作用力為（g取10m/s2）（? ? ?） 。

A.50N? ? ? ? ? B.

C.100N? ? ? ? ? ? D.

③某學(xué)習(xí)小組為了探究輕桿上的彈力的方向，設(shè)計(jì)了如圖所示的實(shí)驗(yàn)裝置。調(diào)整輕桿左端的轉(zhuǎn)軸使其處于自由活動(dòng)狀態(tài)，用一根輕繩通過桿右端固定的滑輪（光滑），下端掛重錘，上端鏈接測(cè)力計(jì)。調(diào)整輕桿，當(dāng)輕桿與豎直立柱之間的夾角為θ時(shí)，桿和重錘都處于靜止。根據(jù)實(shí)驗(yàn)探究，下列判斷正確的是（? ? ）。

A.測(cè)力計(jì)的讀數(shù)大于重錘的重力

B.測(cè)力計(jì)的讀數(shù)一定等于重錘的重力

C.θ可以為90°（即桿處于水平）

D.θ一定為小于90°的某一特定值

④如圖所示，用一根細(xì)線穿過光滑的動(dòng)滑輪O，繩兩端A、B處于同一水平面上，滑輪下端掛一重物G?，F(xiàn)使A端固定，B端可動(dòng)。

（1）若讓B端沿水平方向緩慢移動(dòng)到C處，細(xì)繩OA和OB段上的拉力大小如何變化？________ （ 填“變大”“不變”或“變小”）

（2）若讓B端從C處沿豎直方向緩慢移動(dòng)到D處，細(xì)繩OA和OB段上的拉力大小如何變化？________? （ 填“變大”“不變”或“變小”）

⑤如圖所示，長(zhǎng)為5m的細(xì)繩的兩端分別系于豎立在地面上相距為4m的兩桿的頂端A、B。繩上掛一個(gè)光滑的輕質(zhì)掛鉤，其下連著一個(gè)重為12N的物體。（1）物體平衡時(shí)，繩中的張力大小為 ________ 。（2）若將B端沿豎直方向向下移動(dòng)一點(diǎn)，繩中的張力將________ （ 填 “變大”“不變”或“變小” ）

3.1.3? 經(jīng)過測(cè)試后，你出現(xiàn)的主要錯(cuò)誤是什么？原因是什么？

3.2? 測(cè)試結(jié)果

從測(cè)試的結(jié)果可以明顯看出，學(xué)生用所學(xué)的力學(xué)知識(shí)解答實(shí)際力學(xué)問題遠(yuǎn)沒有達(dá)到教學(xué)目標(biāo)。學(xué)生出現(xiàn)的錯(cuò)誤類型和筆者的預(yù)測(cè)是一致的，從學(xué)生自己分析的原因來看，主要是對(duì)輕繩和輕桿上的彈力方向的特點(diǎn)沒有理解掌握，對(duì)“活桿”和“死桿”、“活結(jié)”和“死結(jié)”等缺乏感知，對(duì)具體的力學(xué)情境陌生。追究這些原因的本質(zhì)，最大的問題還是高中物理教學(xué)中缺乏實(shí)驗(yàn)探究所致。

3.3? 教學(xué)改進(jìn)

通過測(cè)試，我們準(zhǔn)確地找到了學(xué)生在這一類力學(xué)問題中存在的疑難?；诖?，一線教師制作了相應(yīng)的自制教具，并在2020年高三總復(fù)習(xí)時(shí)，仍選擇高一時(shí)的測(cè)試對(duì)象（大部分學(xué)生還在）進(jìn)行基于自制教具平臺(tái)的復(fù)習(xí)教學(xué)，課堂上，學(xué)生興致很濃，觀察仔細(xì)，討論熱烈，在實(shí)驗(yàn)演示和探究的基礎(chǔ)上，以前出現(xiàn)的問題得到了形象而有效的解答，學(xué)習(xí)輕松，再次測(cè)試的效果明顯好于沒有教具支持學(xué)習(xí)的平行班級(jí)，這樣的復(fù)習(xí)方式也得到了高三學(xué)生的喜歡和肯定。

基于高中力學(xué)疑難問題設(shè)計(jì)和制作教具，利用自制教具搭建解決力學(xué)疑難問題的教學(xué)平臺(tái)，可以提高物理教學(xué)實(shí)效，有效落實(shí)物理學(xué)科核心素養(yǎng)。同時(shí)，自制力學(xué)教具，能很好地促進(jìn)教師和學(xué)生的動(dòng)手能力，也能不斷充實(shí)學(xué)校實(shí)驗(yàn)室。希望更多的教師參與到自制教具的研究和使用中來，將自制教具應(yīng)用于教學(xué)實(shí)踐，改善教師課堂教學(xué)行為，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生綜合分析能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。

（責(zé)任編輯：張? 瓊）

參考文獻(xiàn)：

[1]張剛剛.高中物理教學(xué)中力學(xué)疑難問題調(diào)查研究——以秦安縣S中學(xué)為例[D].西北師范大學(xué)，2015.

[2]邢紅軍，童大振.聚焦課堂教學(xué)：學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)的生命之源——以物理高端備課的研究為例[J].教育科學(xué)研究，2019（09）：61-66+72.