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谈高中物理有效思维课堂构建

摘要：《力的合成》是高中物理的重要基础内容，本课教学重点在理解“等效替代”的物理思想，学生通过生活实例理解分力、合力和共点力的概念，形成物理观念。通过自主探究共点力的合成方法，经历科学思维和科学探究过程，增强了科学态度与责任。
 
关键词：高中物理教学；力的合成；教学设计
 
构建有效思维课堂，提高学生的物理核心素养是物理课堂的主线和追求的目标。本文以《力的合成》为例，在教学中通过生活实例使学生理解物理概念，形成物理观念；通过自主实验探究，经历科学思维和科学探究过程，增强科学态度与责任。
 
一、对教材的整合与借鉴
 
考试大纲对“力的合成”是二类要求，新课标要求通过实验，探究求合力的方法。在课堂实施中，可以以教材为基础但不拘泥于教材，结合学生的逻辑思路稍作调整。人教版必修一教材《力的合成》利用“一个成年人用的力与两个孩子用的力”提水效果相同的生活实例，使学生体会等效替代的思想，引入合力与分力的概念，利用橡皮筋两次拉伸相同效果来“探究求合力的方法”，得出力的合成满足平行四边形定则，最后提出“共点力”的概念。但按照逻辑思路，应该首先理解共点力概念，然后探究求共点力的合力方法。所以可以对教材进行简单调整，形成知识线：分力、合力→共点力→平行四边形定则。教学中，可借鉴美国高中物理教材《Physics——PrinciplesandProblems》Chapter5——ForcesinTwoDimensions，在探究求互成角度的共点力合成方法时，利用两个弹簧测力计和砝码进行实验，猜想合力和两个分力的大小关系，是否满足F1+F2=F，通过起步实验引发学生对原有认识的冲击。
 
二、有效思维课堂的设计和实施
 
1.精心设计导入环节，与学生共同参与并体验物理的神奇力量
 
课前教师可与学生合作进行实验：人拉车。一辆轿车里坐了七个人，当三名女生沿着绳伸直的方向使劲拉车时车很难被拉动，当一名女生沿垂直绳拉动时，很轻松地即可把车拉动。学生经历亲身体验实验的过程，感受物理在生活中的神奇力量，探索的欲望被激发出来。
 
2.寻找生活本源，理解等效替代的物理思想，形成物理观念
 
由于分力和合力的等效替代关系在物理思想中比较抽象，课堂上可以通过两名女生提重物和一名男生提重物进行实验。从效果上来看，一个男生提水的力和两个女生提水的力是相同的，所以可以用一个力来代替这两个力，进而引导学生说出这一个力和两个力具有“等效替代”的关系。从生活常见的实例出发加深学生对“等效替代”物理思想的认识，理解合力和分力之间的等效替代关系，为本节课重点探究求互成角度的两个力的合成方法做好铺垫。从贴近学生的学习实例和原有认知中提出分力、合力、共点力以及力的合成等相关概念，不仅形象生动地解释了相关概念，也为探究求合力的方法提供了思路。
 
3.引导学生突破直线思维到形成平面思维的转化，经历科学思维
 
学生在探究求合力的方法时，先解决同一直线上合力与分力的关系，学生在初中学习二力平衡，对于共线情况可以很容易根据代数运算得出，这属于认知中的直线思维，完成从代数运算到同一直线的矢量运算过程。不过这种顺理成章的思维对学生接触矢量运算造成很大干扰和障碍，所以突破这种直线思维，形成平面思维是这节课的一个重点。在探究互成角度的力的合成方法时，由于矢量运算比较抽象，可以先类比速度的矢量运算，使学生有一个初步的感知，然后在实验探究中依据合力和分力的等效替代思想完成从同一直线思维到平面思维的转化和突破，经历科学思维过程。
 
4.设疑猜想，引发学生的认知冲突
 
为了有效地将直线思维过渡到平面思维，在课上可以采用演示实验的方式。由于合力和分力具有等效替代的关系，猜想是否F1+F2=F，然后分别用一根弹簧测力计和两根弹簧测力计拉钩码，保证两次效果相同。这时学生通过读弹簧测力计的示数发现实验结果与我们的猜想发生矛盾，形成认知冲突并激发认知驱动，激起学生进一步探究互成角度的力的合成方法的热情，环环相扣，层层递进。通过这个简单的实验，使学生经历探究式学习的六个过程：提出问题（是否F1+F2=F）、猜想（F1+F2=F）、制定实验计划、实验操作、得出结论、交流与评价并制定进一步实验方案。学生在经历物理实验的科学探究过程中，提高了思考问题、制定方案解决问题以及自主探究的能力，养成了良好的物理思维。借助这个实验，让学生感受矢量运算不同于之前学习的代数运算，打破思路的堡垒，为进一步实验探究互成角度的力的合成方法做好铺垫和学习准备。
 
5.优化物理实验探究，经历有效科学思维过程，提高物理核心素养
 
本节课的重点和难点——设计实验，可以通过探究互成角度的两个力的合成方法来实现。首先设计思考环节，随着问题的递进，学生经历深入的科学思维过程，形成了本节课探究实验的主线。讨论的核心问题：怎样利用手中的器材找到两个分力和与之对应的合力？怎样记录分力和合力的大小和方向？怎样准确地把两个分力和合力的大小、方向表示出来？怎样表述合力的大小、方向与分力的大小、方向的关系？这几个思考问题贯穿了本节课探究互成角度的两个力的合力方法的主线，将难点逐一攻破。学生在思考过程中需要深刻理解等效替代的物理思想，理解力的矢量性，所以要保证橡皮筋产生相同的效果需要将橡皮筋沿着同一方向拉伸到相同的长度，这一过程能够突出本节课的重点——等效替代思想。在记录力的方向时为减小实验误差，采用描点法记录方向。设定问题，引导学生画力的图示将分力和合力表示出来，为了减小由于操作带来的误差，学生应明确注意事项，认真进行实验。
 
6.寻找合力与分力的关系，多维度分析几何特点，经历科学探究过程
 
探究求互成角度的力的合成方法——平行四边形定则是本节课的教学难点，利用拉伸橡皮筋产生相同的效果得到合力和分力，并用力的图示表示出来。可采用开放式的问题探究模式引导学生寻找它们之间的关系，启发学生从多个角度去观察分析，从大小、角度、图形、几何关系等多个角度去分析，让学生根据自己的实验结果得出一些猜想，寻找共同点，而不是直接将平行四边形结论给出。高一学生具备了较强的观察和分析能力，可以利用数学几何中做辅助线的方法得到一些新图形和发现，引导学生尝试把合力的分力的箭头端连在一起，通过视频展台把学生有代表性的力的图示进行展示，分析图示的形状、特点和一般规律，初步得出力的平行四边形定则。通过学生自主探究实验得出平行四边形的结论，体会科学探究精神，让学生体验探索实验带来的惊喜，比如有的小组得到菱形、矩形等，但它们都具有相同点：都是平行四边形。
 
7.利用力的传感器，体验现代科技的魅力
 
在实验教学中，除了设计合理的实验方案，还要进一步分析实验过程中可能出现的误差，如进行力的图示时作图出现的误差、橡皮筋拉伸效果产生的误差、描点法记录力的方向的误差、细线和弹簧测力计与板面是否平行的误差等。实验过程中要精确操作，使学生形成严谨求实的科学精神和科学态度。为提高实验精确度，课堂上可以利用力的传感器进行实验，准确读出力的大小并传输到电脑，通过软件进行合成。从实验的设计、试验台的搭建、软件的调试到实验操作，经历了多次的推翻尝试过程最终呈现出来，一是学生体会“偶然误差”和“系统误差”存在的情况，二是学生通过力的传感器体验科技给物理课堂带来的趣味和魅力，在今后的学习中可以用传感器进行比传统教具更精确的实验过程，如最大静摩擦力与滑动摩擦力的大小关系，牛顿第三定律，光电门测速度等。
 
8.自制教具操作实验，体验随处可寻的物理妙招
 
在得出平行四边形结论之后，思考当分力大小不变，合力随夹角变化的规律时，为了更直观地展现变化规律，自制简单的小教具，用三张白纸卷成纸棒，分别表示两个分力和合力，很容易发现当分力大小不变时，分力夹角越大合力越小。这一过程不仅加深了学生对平行四边形定则的理解和应用，还可以使学生意识到在生活周围处处都是可以点石成金的宝物，都可以作为学习物理的工具和解决问题的突破口。
 
9.创设生活情境，感受物理与人类生活的关系，形成科学态度与责任
 
通过学习，尝试解释“神奇的力量”——人拉车的现象，首尾呼应。一是学生在这个过程中学以致用，体验物理给生活带来的魅力，二是通过学习拓展思维，思考生活中还有哪些现象可以用力的合成知识解释，比如怎样做引体向上更省力？为什么小七孔桥建成拱形？在这一过程认识科学本质，感受物理与人类生活的关系，逐渐形成认识人类生活、探索自然的内在动力，形成务实严谨、勇于探索、严谨认真、实事求是的科学态度。三是通过思维拓展，为下一节《力的分解》做好铺垫和过渡。综上，因为本节课的教学重难点都在于探究求互成角度的两个分力的合成方法，旨在学生经历科学探究过程，通过小组实验、交流讨论得出结论，单单一次实验并不能够完全说明结论的正确性，所以在教学中，教师应该把学生分多组并进行多次实验，并将实验结果进行分享，从共性中找出个性规律。

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