季志鋒

(江蘇省西亭高級中學(xué)，江蘇 南通 226301)

問題引入:雖然動力學(xué)知識是學(xué)生進(jìn)入高中階段首先學(xué)習(xí)的物理知識,這部分知識也接近學(xué)生生活利于學(xué)生理解和接受,同時這部分內(nèi)容也是其他知識的基礎(chǔ),相對而言學(xué)生掌握情況較好.但是,筆者在高三動力學(xué)模塊的復(fù)習(xí)中發(fā)現(xiàn)學(xué)生掌握的牢固程度并非想象的那么好.例如,給學(xué)生練習(xí)的2018年江蘇卷第7題全班有22%的學(xué)生錯選(B)選項(xiàng).

圖1

(2018年江蘇卷第7題)如圖1所示,輕質(zhì)彈簧一端固定,另一端連接一小物塊,O點(diǎn)為彈簧在原長時物塊的位置.物塊由A點(diǎn)靜止釋放,沿粗糙程度相同的水平面向右運(yùn)動,最遠(yuǎn)到達(dá)B點(diǎn).在從A到B的過程中,物塊

(A) 加速度先減小后增大.

(B) 經(jīng)過O點(diǎn)時的速度最大.

(C) 所受彈簧彈力始終做正功.

(D) 所受彈簧彈力做的功等于克服摩擦力做的功.

在糾錯后,筆者將本題變式增加了一項(xiàng)判斷“若物塊接著從B點(diǎn)再向A點(diǎn)運(yùn)動,速度最大的位置與從A向B運(yùn)動速度最大的位置相同”,全班竟然有近40%的學(xué)生不能第一時間辨別正誤.究其原因,一方面學(xué)生沒有根據(jù)題意建立正確的物理情境,原題中彈簧從壓縮狀態(tài)開始恢復(fù),而變式中彈簧從伸長狀態(tài)開始恢復(fù);另一方面學(xué)生也沒有根據(jù)物理情境進(jìn)行完整的受力分析并寫出加速度方程式kx-μmg=ma,得出物塊做的是加速度減小的加速運(yùn)動,即當(dāng)加速度為0時速度最大;再一方面部分教師在講評這類問題時自認(rèn)為是常見模型,往往從平衡位置運(yùn)動特點(diǎn)的角度一帶而過,即物體經(jīng)過平衡位置時速度最大,很少再從物體的受力、加速度和運(yùn)動的角度詳細(xì)講評.久而久之,學(xué)生腦海里只留下了固化的平衡位置的概念,而何為平衡位置,如何確定平衡位置,以及物體經(jīng)過平衡位置時有什么特點(diǎn),學(xué)生更是混淆不清.學(xué)生對平衡位置這一概念只停留在表象的記憶,不知其內(nèi)涵更沒有形成相應(yīng)的物理觀念.其實(shí),江蘇高考2015年第9題、2017年第9題、2018年第7題都涉及物體最大速度的位置,從題號的順序來看,這些題目的設(shè)置還是處于中上難度水平,從考試的頻率來看,筆者判定歷屆學(xué)生在高考中此類習(xí)題的得分率并不高.筆者為了學(xué)生能廓清“平衡位置”概念,以及能更好的理解與應(yīng)用這一概念,嘗試指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行一次“云課堂”微研究教學(xué),以便其他概念教學(xué)或復(fù)習(xí)時借鑒.

1 “云課堂”微研究教學(xué)概念的界定

“云”的理念之一體現(xiàn)在服務(wù)的按需性,狹義的云計(jì)算指IT基礎(chǔ)設(shè)施的交付和使用模式,在遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)中心,大量電腦和服務(wù)器連成一片,按照各自的需求進(jìn)行存儲和運(yùn)算,即通過網(wǎng)絡(luò)以按需、易擴(kuò)展的方式獲得所需的資源.[1]延伸到教育教學(xué)上,則是教師根據(jù)學(xué)生的實(shí)際水平、現(xiàn)有技能、興趣愛好和求知的內(nèi)驅(qū)力,提供文獻(xiàn)資源、網(wǎng)絡(luò)資源或是實(shí)驗(yàn)器材等,創(chuàng)設(shè)可以滿足學(xué)生多重選擇的“云”資源庫,形成廣泛意義上可供學(xué)生學(xué)習(xí)的空間——“云課堂”.學(xué)生則根據(jù)自身需求,借助“云課堂”中的資源庫自主收集、整理相關(guān)素材,經(jīng)過比較、分析形成清晰的物理概念和規(guī)律,并深刻理解這些物理概念和規(guī)律.

“云課堂”微研究教學(xué)是教師根據(jù)教學(xué)內(nèi)容創(chuàng)設(shè)可供學(xué)生多重選擇的“云課堂”學(xué)習(xí)空間,學(xué)生根據(jù)自身興趣愛好、能力基礎(chǔ)和在教師激發(fā)下而形成的迫切需求,在云資源庫里完成一次自主研習(xí)實(shí)踐并獲得較為系統(tǒng)的認(rèn)識、理解知識的過程.

2 “云課堂”微研究教學(xué)實(shí)施過程

2.1 追“本”溯源

教科書是云資源庫的重要資料,“平衡位置” 的概念在高中課本中多次出現(xiàn),筆者指導(dǎo)學(xué)生從書本中查找出相關(guān)概念并摘抄放置在一起做出比較性分析.現(xiàn)舉例說明.

出處1:物理必修1在共點(diǎn)力的平衡條件中講到平衡狀態(tài):桌上的書、屋頂?shù)臒?雖然都受到力的作用,但仍保持靜止.火車車廂雖然受到重力、支持力、牽引力、阻力作用,但仍可能做勻速直線運(yùn)動.如果一個物體在力的作用下保持靜止或者勻速直線運(yùn)動狀態(tài),我們就說這個物體處于平衡狀態(tài).[2]

出處2:物理選修3-4在彈簧振子中講到平衡位置:如圖2所示,把一個有孔的小球裝在彈簧的一端,彈簧的另一端固定,小球穿在光滑的桿上,能夠自由滑動,兩者之間的摩擦可以忽略,彈簧的質(zhì)量與小球相比也可以忽略.把小球拉向右方,然后放開,它就左右運(yùn)動起來.小球原來靜止時的位置叫做平衡位置.[3]

圖2

圖3

出處3:物理選修3-4在單擺中講到平衡位置:如圖3所示,擺球靜止在O點(diǎn)時,懸線豎直下垂,擺球受到的重力G與懸線的拉力F平衡.小球受的合力為0,可以保持靜止,所以O(shè)點(diǎn)是單擺的平衡位置.[3]

物理必修1書本,給出物體在力的作用下保持靜止或者勻速直線運(yùn)動的狀態(tài)即是平衡狀態(tài)的定義,亦可理解物體處于平衡狀態(tài)的位置即平衡位置.物理選修3-4書本,關(guān)于“平衡位置”概念的呈現(xiàn)也都是對應(yīng)一個特定的物理情境.這些物理情境也就賦予這個“平衡位置”的特殊意義.概念不是憑空產(chǎn)生的,它是借助于表象的,但表象亦不是概念.正如佐藤正夫所說,概念是借助抽象的、概括化的、推論性的思維形成起來的,是反映事物與現(xiàn)象一般本質(zhì)特征的觀念.所謂形成概念,就是憑借思維,從一定事物與現(xiàn)象中抽離出本質(zhì)特征,加以總結(jié),并用語言加以界定.

2.2 思“變”清源

“平衡位置”的概念是孕育在物理情境之中,那么,在同一模型、不同的物理情境中,平衡位置是否不變、是否唯一?例如,在圖1情境中,如果根據(jù)小物塊靜止的位置來確定平衡位置,那就是一個區(qū)域范圍,即小物塊受到靜摩擦力與彈簧彈力相平衡的位置.因?yàn)殪o摩擦力可以在0到最大靜摩擦力之間變化,所以彈簧彈力也就有一個變化的區(qū)間,故小物塊的位置也就出現(xiàn)了一個區(qū)域范圍.如果小物塊從A向B運(yùn)動,當(dāng)彈簧彈力等于滑動摩擦力時的位置是平衡位置,有且只有一個位置,并在O點(diǎn)的左側(cè).這時彈簧處于壓縮狀態(tài).如果小物塊從B向A運(yùn)動,當(dāng)彈簧拉力等于滑動摩擦力時的位置是平衡位置,有且也只有一個位置,并在O點(diǎn)的右側(cè),這時彈簧處于伸長狀態(tài).不同的情境則可以有不同的“平衡位置”,但本質(zhì)都是共點(diǎn)力平衡合力為0的位置.

2.3 悟“錯”正源

物理必修1中定義了平衡狀態(tài),處于平衡狀態(tài)的位置亦可理解為平衡位置,而物體在運(yùn)動過程中經(jīng)過平衡位置時,是否真的處于平衡狀態(tài)?反思在單擺中平衡位置的確定,是利用懸線豎直下垂,擺球靜止在O點(diǎn)的位置來定義的,即原先靜止時的位置.其實(shí),當(dāng)擺球運(yùn)動后經(jīng)過O點(diǎn)時,擺球做圓周運(yùn)動,存在向心加速度,需要向心力,即合力不為0,不是真正意義上的“平衡位置”,存在法線方向的合力.如果從擺球運(yùn)動的切線方向考慮,切線方向的合力在改變小球的速度大小,由牛頓運(yùn)動定律可以分析出擺球從最高點(diǎn)向O點(diǎn)運(yùn)動時切向加速度減小而速度增加,小球在經(jīng)過O點(diǎn)時,切線方向(沿速度方向)的合力為0,速度最大,該“平衡位置”亦可認(rèn)為擺球運(yùn)動時切線方向或是在改變速度大小方向上的平衡位置,即是回復(fù)力的平衡位置.

2.4 辯“偽”還源

圖4

在涉及連接體時,一個物體處于平衡狀態(tài),而另一個物體是否處于平衡狀態(tài)?一個物體經(jīng)過平衡位置時另一個物體是否也在平衡位置?如圖4所示,A、B兩物塊用不可伸長的輕繩連接,輕繩跨過光滑輕質(zhì)小滑輪,物塊B放在固定的光滑斜面上,B與滑輪間的輕繩與斜面平行.彈簧的上端連接在B上,下端固定在斜面上.用力作用在A上,使輕繩剛好伸直且繩中的張力為0,A、B處于靜止?fàn)顟B(tài).現(xiàn)撤去外力讓A沿豎直方向向下運(yùn)動(A不會碰到地面),則B向上運(yùn)動速度最大時,A的速度也最大嗎?

圖5

如圖5所示,足夠長的光滑直桿傾斜固定,桿上套有質(zhì)量為m的小滑塊A,用足夠長、不可伸長的輕繩將A與另一質(zhì)量為2m的小物塊B繞過光滑的定滑輪相連接,A位于O點(diǎn),此時滑輪左側(cè)輕繩恰好水平.現(xiàn)將A從O點(diǎn)由靜止釋放,B在運(yùn)動過程中不觸碰滑輪和直桿,則物塊B向下運(yùn)動速度最大時,滑塊A的速度也最大嗎?

圖4情境中,A、B物塊的速度、加速度均沿輕繩的方向,當(dāng)B的加速度為0時,A的加速度也為0,也就是B在平衡位置時,A也在平衡位置,即B的速度最大時A的速度也最大.

圖5的情境中,滑塊A與物塊B的速度、加速度均不沿輕繩的方向,分析時可以作一條過滑輪邊緣垂直于直桿的輔助線,垂足M點(diǎn).分析滑塊A的運(yùn)動可以從A的受力的角度入手,在OM的范圍內(nèi),A一定受到沿桿向下且不為0的合力,A的平衡位置也必在M點(diǎn)的下方某位置.物塊B則需要從運(yùn)動的角度進(jìn)行分析,滑塊A在M點(diǎn)時,B則在最低點(diǎn),即B從靜止開始運(yùn)動至最低點(diǎn)的過程中肯定要經(jīng)歷加速和減速兩個運(yùn)動過程,合力為0的位置即平衡位置在此過程中的某個位置,即物塊B向下運(yùn)動速度最大時,滑塊A還處在加速狀態(tài).

2.5 探“本”歸源

“平衡位置”只是給物體在某個力學(xué)特征下特定位置的一個名稱,對物體受力分析是本源,即物體所受合力為0的位置,或是物體運(yùn)動中沿速度方向的合力為0的位置.通過前面的比較分析,在研究物體經(jīng)過平衡位置時具有最大速度的特點(diǎn),應(yīng)該從牛頓運(yùn)動定律這一根本的方法入手,通過對物體受力分析,建立加速度方程式,分析出物體運(yùn)動的速度與加速度的關(guān)系,由物體做加速度減小的加速運(yùn)動——這一運(yùn)動特點(diǎn)得出物體加速度為零時速度最大.

2.6 追“遠(yuǎn)”溯源

學(xué)生經(jīng)歷“平衡位置”的探源、溯源、辨?zhèn)尾⒗迩迤胶馕恢玫亩x、特質(zhì)和運(yùn)動學(xué)特點(diǎn)的研學(xué)過程,可以在頭腦中提煉和升華物理概念,提升“物理觀念”,同時可以對“平衡位置”的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律從物理學(xué)的視角進(jìn)一步加深理解和認(rèn)識,錘煉了“物理思維”.教師進(jìn)一步指導(dǎo)學(xué)生利用網(wǎng)絡(luò)百度百科,再次對概念進(jìn)行廣泛的甄別,同時指導(dǎo)學(xué)生搜索全國各地高考中涉及“平衡位置”模型的真題和高考模擬試題,讓學(xué)生根據(jù)自己的新認(rèn)識分析命題立意、命題情境,甄別試題的科學(xué)性,進(jìn)而從信息的獲取與處理、物理問題的論證與解釋等角度培養(yǎng)學(xué)生“科學(xué)探究”的方法.例如,在圖5中,給出光滑直桿與豎直方向的夾角,指導(dǎo)學(xué)生從動力學(xué)和功能關(guān)系的角度分析滑塊A在M點(diǎn)下方運(yùn)動時能否出現(xiàn)速度最大的位置與A、B質(zhì)量的有無關(guān)系,以及A、B是否能同時達(dá)到最大速度.

3 “云課堂”微研究教學(xué)的意蘊(yùn)

“云課堂”微研究教學(xué)是基于學(xué)生自需,教師指導(dǎo)學(xué)生研究、引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的一種教學(xué)方式.“云課堂”微研究教學(xué)是教學(xué)方式的一種創(chuàng)新,其旨在通過創(chuàng)設(shè)學(xué)生積極參與、樂于探究、善于實(shí)驗(yàn)、勤于思考的學(xué)習(xí)情境,培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力.教學(xué)方式多樣化是新課程標(biāo)準(zhǔn)提出培養(yǎng)新型人才的需求.高中物理新課程提倡通過多樣化的教學(xué)方式,利用現(xiàn)代信息技術(shù),引導(dǎo)學(xué)生理解物理學(xué)的本質(zhì),整體認(rèn)識自然界,形成科學(xué)思維習(xí)慣,增強(qiáng)科學(xué)探究能力和解決實(shí)際問題的能力.[4]

“云課堂”微研究教學(xué)是基于學(xué)生有一定知識、能力基礎(chǔ)和興趣愛好的一種單元整體教學(xué)實(shí)踐.學(xué)生需要通過多個情境,利用多種知識分析理解同一概念或規(guī)律,通過去偽留真、辨析緣由以達(dá)到對概念和規(guī)律的自我認(rèn)識.正如佐藤正夫所說只有當(dāng)學(xué)生自己去獲得概念時,即概念的個別特質(zhì)是通過學(xué)生個人主動地進(jìn)行思維,加以掌握時,概念才能實(shí)際成為學(xué)生自身的東西.學(xué)生以這種方式,從無知到知,從不準(zhǔn)確、不完全的知到更準(zhǔn)確、更完全的知,在基本的科學(xué)概念獲得有次序、有系統(tǒng)的發(fā)展時,得以掌握知識.[5]

“云課堂”微研究教學(xué)是立足于云數(shù)據(jù)和資源,學(xué)生根據(jù)興趣自主研究的一種學(xué)習(xí)方式.就學(xué)習(xí)方式上而言更是側(cè)重于學(xué)生個體的自主研習(xí).從學(xué)習(xí)本質(zhì)上說,個別學(xué)習(xí)必須依靠學(xué)習(xí)者自己去獨(dú)立解決問題、完成課題、獨(dú)立思考和行動.從教育學(xué)的角度正確地插入符合目的的個別學(xué)習(xí),對于自我教育態(tài)度與能力的培養(yǎng)具有特別的意義.[5]從科學(xué)素養(yǎng)的落實(shí)上來說,學(xué)生自主研學(xué)可以保留其學(xué)習(xí)和研究物理的好奇心與追求欲,可以使其主動與他人合作,尊重他人,能基于證據(jù)和邏輯發(fā)表自己的見解,實(shí)事求是,不迷信權(quán)威,[8]形成科學(xué)的探究意識和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任.