鄭延平 席靖

摘 要：運(yùn)用常見的木板、鉤碼等器材設(shè)計創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，優(yōu)化《應(yīng)用牛頓運(yùn)動定律解決問題（一）》的教學(xué)情境。應(yīng)用創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)創(chuàng)設(shè)的情境更具有趣味性，在操作和觀察的過程中，學(xué)生能將親身體驗(yàn)與理性思考有機(jī)結(jié)合起來，有效地提高應(yīng)用牛頓運(yùn)動定律解決問題的能力，同時能提升模型建構(gòu)、推理和論證的思維，強(qiáng)化運(yùn)動觀念和相互作用觀念。

關(guān)鍵詞：創(chuàng)新實(shí)驗(yàn);情境;優(yōu)化;應(yīng)用牛頓運(yùn)動定律解決問題

情境對學(xué)生學(xué)習(xí)物理知識和應(yīng)用物理知識解決問題都至關(guān)重要。一方面，物理概念的建立和規(guī)律的得出是為了解釋自然現(xiàn)象或解決實(shí)際問題，因此，物理知識在其對應(yīng)的情境中才有意義，物理知識的學(xué)習(xí)也就不能脫離相應(yīng)的情境。最新版的《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》中建議“在教學(xué)設(shè)計和教學(xué)實(shí)施過程中要重視情境的創(chuàng)設(shè)，創(chuàng)設(shè)情境進(jìn)行教學(xué)，對培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)具有關(guān)鍵作用。”另一方面，學(xué)習(xí)物理不僅要掌握物理知識，更重要的是能用已學(xué)的知識解決實(shí)際問題。運(yùn)用物理知識解決實(shí)際問題能力的高低，往往取決于學(xué)生將情境與知識相聯(lián)系的水平。這就要求學(xué)生能把描述情境的文字轉(zhuǎn)化為物理語言，能把實(shí)際情境轉(zhuǎn)化為物理情境，即能夠建立物理模型，才能用已學(xué)的知識和規(guī)律靈活地解決問題。因此，具有很強(qiáng)的“生活化”的情境才會促使學(xué)生經(jīng)歷將“實(shí)際情境”轉(zhuǎn)化為“物理情境”的思維過程，學(xué)生才能強(qiáng)化閱讀理解情境，從而建立物理模型的思維和推理論證的思維，進(jìn)而提高運(yùn)用所學(xué)知識解決實(shí)際問題的綜合能力，達(dá)成學(xué)以致用的目標(biāo)?！稇?yīng)用牛頓運(yùn)動定律解決問題（一）》是應(yīng)用已學(xué)知識解決物理問題的重要課時，是對運(yùn)動學(xué)規(guī)律、相互作用規(guī)律和牛頓運(yùn)動定律的綜合應(yīng)用，對學(xué)生提升核心素養(yǎng)十分重要，但是教材中提供的大多例題是已經(jīng)模型化的純科學(xué)問題，學(xué)生直接在已經(jīng)簡化抽象出來的物理情境中解決問題，沒有經(jīng)歷將“實(shí)際情境”轉(zhuǎn)化為“物理情境”的建構(gòu)模型的過程，這減慢了學(xué)生模型建構(gòu)、推理和論證等思維的發(fā)展。

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)是創(chuàng)設(shè)情境的有效途徑之一，本文運(yùn)用木板和鉤碼等常見的器材設(shè)計了一系列創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)設(shè)了水平面上與斜面上已知受力情況確定運(yùn)動情況和已知運(yùn)動情況確定受力情況的兩類基本動力學(xué)問題的游戲情境。應(yīng)用創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)創(chuàng)設(shè)的情境更具“生活化”和趣味性，更能激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的興趣，學(xué)生在情境中的親身體驗(yàn)和感知更加豐富，這更有利于學(xué)生突破難點(diǎn)和思維的發(fā)展。

一、水平面上已知受力情況求解運(yùn)動情況

1.創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計

（1）水平木板制作：如圖1所示，將鋁塑板粘在木板的一面，制成如圖的水平板子，板子表面平整，理想化地認(rèn)為板子上各處的動摩擦因數(shù)相同。在距左端0.5 m和0.6 m處做好標(biāo)記。

（2）滑塊制作：如圖2所示，滑塊由50g的鉤碼制成。實(shí)驗(yàn)時鉤碼實(shí)心部分在下，保證鉤碼的重心更低，滑動更加穩(wěn)定，操作更加方便。

2.課堂實(shí)錄

（1）應(yīng)用創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)創(chuàng)設(shè)水平面上的游戲情境

師：同學(xué)們，我們來玩一個游戲，這是一塊木板和滑塊，可認(rèn)為它的表面粗糙程度處處相同，并且已測得滑塊與木板之間的動摩擦因數(shù)μ=0.2?，F(xiàn)給靜止于木板左端的滑塊一個初速度v0，滑塊在木板上開始滑動，若滑塊能停在距左端x1=0.5 m和x2=0.6 m之間的目標(biāo)區(qū)域，則游戲成功，就能獲得獎品一份。

（2）學(xué)生先分組體驗(yàn)，再全班比賽

師：請大家分組合作，開展游戲，先練習(xí)操作，然后每個小組推選出一個代表參加比賽。

生：體驗(yàn)游戲，并思考如何才能使游戲成功，然后各小組推選出參賽代表。

師：組織參賽代表按順序比賽。

生：參賽代表操作游戲，其他學(xué)生觀察思考。

師：宣布獲勝學(xué)生，頒發(fā)獎品，并評價學(xué)生的表現(xiàn)。

（3）提出問題，引入研究主題

師：在該游戲中，哪個物理量決定了游戲能否成功？

生：滑塊的初速度。

師：如何應(yīng)用現(xiàn)有的已知條件求出能讓游戲成功的初速度的范圍？

（4）引導(dǎo)學(xué)生從運(yùn)動問題入手，逆向推理論證，思考解決問題

師：該問題的研究對象是什么？

生：滑塊。

師：要求解滑塊的初速度就要從物體的運(yùn)動情況入手，我們先對物塊的運(yùn)動情況做一個簡要的分析，通過觀察已經(jīng)知道了物塊的哪些運(yùn)動學(xué)量？

生：已知運(yùn)動的位移的最大值和最小值，且末速度為零。

師：要求解初速度，我們還要確定滑塊的運(yùn)動性質(zhì)，才能應(yīng)用相應(yīng)的規(guī)律解決問題，我們觀察到了滑塊做的是減速運(yùn)動，那么請同學(xué)們猜想滑塊做的是怎樣的減速運(yùn)動。

生：勻減速直線運(yùn)動。

師：如何驗(yàn)證物塊做勻減速直線運(yùn)動？

生：求解物塊的加速度，若加速度保持不變，就能驗(yàn)證物塊做的是勻減速直線運(yùn)動。

師：用什么規(guī)律求解物塊的加速度？

生：用牛頓第二定律求解物塊的加速度。

師：要用牛頓第二定律求解物塊的加速度，首先要求解哪個關(guān)鍵量？

生：首先求解物塊受到的合力。

師：物塊在這個情境中受到了哪些力？物塊的速度減小是哪個力的作用效果？

生：物塊受到了重力、支持力和滑動摩擦力，物塊的速度減小是摩擦力的作用效果。

（5）引導(dǎo)學(xué)生從受力情況入手，順向推理論證，思考解決問題

師：根據(jù)上面的分析，要解決運(yùn)動問題，分析物體的受力和求解合力是關(guān)鍵所在，那么請同學(xué)們做出受力示意圖，并求出合力。

生：做出受力示意圖如圖所示，求得合力是：F=Ff=-μmg

師：利用牛頓第二定律求得加速度是多少？

生：由F=Ff=ma求得a=-μg。

師：物塊直線運(yùn)動的性質(zhì)是什么？

生：物塊的加速度恒定，物塊做的是勻減速直線運(yùn)動。

師：用什么運(yùn)動學(xué)規(guī)律求解物塊的初速度？請同學(xué)們求解。

師：展示完整規(guī)范的解答過程，強(qiáng)化解題方法，強(qiáng)調(diào)解題的書寫規(guī)范。

解：對滑塊受力分析可得：

由牛頓第二定律得：

生：掌握規(guī)律的應(yīng)用，學(xué)習(xí)規(guī)范解答過程，糾正和完善解題細(xì)節(jié)。

（6）引導(dǎo)學(xué)生感悟解題思路

師：請同學(xué)們先自己感悟求解此類問題的主要思路和方法，并請幾位學(xué)生展示幾種典型的思路和方法。

生：將自己感悟出思路和方法與其他同學(xué)的進(jìn)行比較反思，并不斷改進(jìn)。

師：逐步引導(dǎo)學(xué)生感悟以下常用的解題思路和方法。

3.教學(xué)效果評價

（1）與一般常見的乏味的物理情境相比較，應(yīng)用創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)創(chuàng)設(shè)的游戲情境更能引起學(xué)生的興趣，激發(fā)學(xué)生主動思考的欲望，在不斷嘗試游戲的過程中，學(xué)生自然而然地會提出問題，相比于課本中例題的直接提問，這種方式更能促生學(xué)生主動學(xué)習(xí)。（2）學(xué)生在參與游戲的過程中有了自身的感知體驗(yàn)，為后面的思維活動奠定了基礎(chǔ)。（3）學(xué)生在解決問題時，先將滑塊理想化地看作質(zhì)點(diǎn)，再對滑塊的運(yùn)動情況和受力情況進(jìn)行分析，最后應(yīng)用牛頓第二定律將運(yùn)動學(xué)和力學(xué)聯(lián)系起來解決實(shí)際問題，學(xué)生經(jīng)歷了把一個“看得見、摸得著”的實(shí)際情境轉(zhuǎn)化為“理想化、抽象化”的物理情境，在綜合應(yīng)用所學(xué)規(guī)律解決問題的過程中，能有效提高將實(shí)際情境轉(zhuǎn)化為物理情境的模型建構(gòu)思維和推理、論證的思維。（4）學(xué)生經(jīng)過受力分析和運(yùn)動分析，以及應(yīng)用牛頓第二定律成功求解問題后，在大腦中強(qiáng)化了從受力角度和運(yùn)動角度分析、解決問題的意識，運(yùn)動學(xué)知識、相互作用知識和牛頓運(yùn)動定律在大腦中得到了升華，真正提升了運(yùn)動觀念和相互作用觀念。（5）在游戲情境中，經(jīng)過從要求解的運(yùn)動情況到受力情況的逆向推理論證和從受力情況求解運(yùn)動情況的順向推理論證，更有助于學(xué)生熟練掌握已知受力情況確定運(yùn)動情況的方法。

二、斜面上已知受力情況求解運(yùn)動情況

1.創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計

如圖3所示，測量計算好斜面的角度和各邊長度，制作成傾角為60°的斜面，將鋁塑板粘在斜面表面。斜面與水平面的拼接處進(jìn)行圓弧處理，并將鉤碼的周邊打磨圓滑（如圖2所示），目的是鉤碼從斜面上滑下后不與水平面發(fā)生明顯碰撞，理想化地認(rèn)為鉤碼能平穩(wěn)地滑過接口處。

2.課堂實(shí)錄

師：同學(xué)們，為了使游戲更容易成功，現(xiàn)借助一個斜面來調(diào)控滑塊滑上水平面的速度，滑塊與斜面之間的動摩擦因數(shù)也為μ=0.2.為了到達(dá)目標(biāo)區(qū)域，釋放物塊處與斜面底端的距離x應(yīng)是多大？請同學(xué)們操作體驗(yàn)，并同時思考如何求解。

生：動手體驗(yàn)，思考問題。

師：該問題的研究對象是什么？

生：滑塊。

師：物塊在斜面上運(yùn)動的過程中受力情況如何？怎樣求解合力？合力是多大？

生：物塊在斜面上受到了重力、支持力和滑動摩擦力，沿斜面和垂直斜面建立正交軸，將力先按這兩個方向進(jìn)行正交分解，再求解合力。

師：求出合力后如何求解加速度？

生：應(yīng)用牛頓第二定律。

師：求出加速度后如何求解斜面上的位移？

師：請同學(xué)們按前面的思路自主解決問題。

生：應(yīng)用已學(xué)知識求解問題。（教師巡查學(xué)生的求解情況，并進(jìn)行啟發(fā)性指導(dǎo)）

師：用投影展示求解過程中的典型錯誤，引導(dǎo)學(xué)生分析錯誤的原因和正確的求解方法。

生：通過典型錯誤的糾正加強(qiáng)掌握斜面上受力分析和求解合力的方法。

師：請同學(xué)們在剛才的基礎(chǔ)上再糾正自己的錯誤，正確完整地求解問題。

生：糾正錯誤，完善解題過程。

師：用投影展示學(xué)生正確規(guī)范的解題過程，強(qiáng)調(diào)解題的書寫規(guī)范，并進(jìn)行鼓勵和表揚(yáng)。

解：選滑塊為研究對象，對其受力分析如下所示：

生：對比反思，加深理解解題方法，學(xué)習(xí)解題的書寫規(guī)范。

3.教學(xué)效果評價

（1）應(yīng)用斜面和鉤碼創(chuàng)設(shè)了可以真正體驗(yàn)的情境，學(xué)生在將實(shí)際情境轉(zhuǎn)化為物理情境的過程中，再一次提升了模型建構(gòu)和推理、論證的思維，建立了相互作用觀念和運(yùn)動觀念。（2）將水平面上的情境變化到了斜面上的情境，雖然受力分析和合力求解更加復(fù)雜，但解決問題的方法依然是應(yīng)用牛頓第二定律將受力情況和運(yùn)動情況聯(lián)系起來，學(xué)生經(jīng)過強(qiáng)化理解，能更加熟練地解決此類問題。（3）學(xué)生在體驗(yàn)游戲的過程中，充分地觀察了物塊在斜面上的受力和運(yùn)動，具備了求解問題的感知經(jīng)驗(yàn)，有效地幫助學(xué)生正確地分析斜面上的受力情況并求解合力，特別是在課堂上針對學(xué)生的典型錯解進(jìn)行討論和探索，有效突破了學(xué)生求解斜面問題的頑固易錯點(diǎn)和難點(diǎn)。

三、感悟理解兩類基本動力學(xué)問題的特點(diǎn)和求解方法

師：解決這兩類基本的動力學(xué)問題，首先應(yīng)做什么工作？

生：確定研究對象。

師：確定研究對象后，要解決問題應(yīng)從哪些角度切入分析，要做哪些工作？

生：應(yīng)從相互作用的角度出發(fā)進(jìn)行受力分析和應(yīng)從運(yùn)動的角度出發(fā)運(yùn)動分析。

師：受力分析和運(yùn)動分析后應(yīng)如何解決問題？有哪些常見的情形？

生：如果是已知受力情況確定運(yùn)動情況，就先求解合力，再應(yīng)用牛頓第二定律求得加速度，應(yīng)用運(yùn)動學(xué)規(guī)律確定運(yùn)動情況;如果是已知運(yùn)動情況確定受力情況，就先應(yīng)用運(yùn)動學(xué)規(guī)律求得加速度，再應(yīng)用牛頓第二定律求解合力，再確定受力情況。

師生：教師引導(dǎo)，學(xué)生思考，建立解決兩類基本動力學(xué)問題的一般過程和方法的思維導(dǎo)圖，一是確定研究對象，二是要做好受力分析和運(yùn)動分析，三是應(yīng)用牛頓第二定律將相互作用的規(guī)律和運(yùn)動學(xué)規(guī)律聯(lián)系起來，已知受力情況求解運(yùn)動情況或已知運(yùn)動情況求解受力情況。但要強(qiáng)調(diào)解決實(shí)際問題要靈活應(yīng)用所學(xué)規(guī)律，不應(yīng)死板套用。

四、小結(jié)

情境是教學(xué)活動的載體，學(xué)習(xí)同樣的知識和規(guī)律，不同的教學(xué)情境會產(chǎn)生不同的效果，在實(shí)際教學(xué)中，應(yīng)根據(jù)知識和規(guī)律的特點(diǎn)與學(xué)生的實(shí)際情況選擇更有效的情境實(shí)施教學(xué)。物理學(xué)科有一個很大的特點(diǎn)，那就是研究的問題與生活實(shí)際緊密相連，在教學(xué)中盡可能以生活實(shí)際為背景創(chuàng)設(shè)有趣的情境，這樣就更能促進(jìn)學(xué)生提升核心素養(yǎng)，也更能體現(xiàn)物理學(xué)科的價值。

注：本文系甘肅省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2019年度一般規(guī)劃課題“基于創(chuàng)新物理實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)核心素養(yǎng)的理論與實(shí)踐探索與研究”（課題立項號：GS[2019]GHB0603）的研究成果。