高中物理起始教学中几个难点的分析与突破.doc

2004年江苏省教育学会一等奖论文高中物理起始教学中几个难点的分析与突破姜堰市蒋垛中学 王述平 俗话说“万事开头难”，而对于本来就难教、难学的高中物理来说，起始阶段的教学就更加困难。内容多与课时少的矛盾使得高中物理教师不可能再像初中那样讲解得细致入微，需要学生较多的独立思考和领悟；高中物理的内容也更加复杂，应用更加广泛，对学生的形象思维以及抽象思维能力的要求都相对提高。在以前的教学中我们常发现这样的现象：刚进入高中的学生对高中物理的神秘世界充满了幻想，他们满怀希望地投入到高中物理的学习之中，但是，当他们一次次经历着“一听就懂，一做就错”的无奈后，学好高中物理的信心受到严重的打击，于是，一批一批的学生在一个一个的学习障碍面前退缩这种现象的发生值得我们深思。笔者认为，学生能否尽快适应高中物理的学习要求，并保持持久的学习兴趣，关键在于教师能否及时发现并排除学生学习的障碍。本文就以对高中一年级物理起始两章的部分教学难点的分析为例，来谈一些有关发现难点、突破难点的教学思路。 1. 静摩擦力F图1G图2V图3FCBA图5VAB图4学生在初中阶段的学习中已经初步认识了摩擦力，进入高中后需要进一步研究摩擦力的存在、摩擦力大小和方向。其中对于静摩擦力的理解与判断将是一个较大的难点，原因在于静止物体的“相对运动趋势”是一个非常抽象的概念。像图1中物体在外力F作用下保持静止、图2中静止在斜面上的物体、图3中斜向上匀速运动的传送带上相对静止的物体等，这几种情况中物体的相对运动趋势都比较明显。但是，像图4中保持相对静止并一起做变速运动的A、B两物体，以及图5中A、B、C三个物体叠放在一起，在外力F的作用下保持静止，这些物体间相对运动的趋势就较难判断了。笔者认为突破这一难点的有效方法应是加强思维方法的指导，并且要注意坚持循序渐进的教学原则。可以指导学生分别从两种不同的角度来进行分析和推理：一种是先假设没有静摩擦力存在，分析物体能不能保持相对静止？如果能保持相对静止，则说明就不存在相对运动趋势。反之，由将要发生的相对运动方向，不但可以判定物体存在相对运动的趋势，而且还能知道这种相对运动趋势的方向；另一种是根据静摩擦力是被动力的特点，先假设物体间存在某一方向的静摩擦力F，然后分析物体的受力情况，由物体保持相对静止的条件，建立力学方程，解出静摩擦力F的大小与方向，并检验假设是否正确。前一种方法适合于分析比较简单的情况（可以直接判断出物体在不受静摩擦力作用时能否保持相对静止），而后一种方法更具有普遍意义，但是这种方法的运用必须建立在具备分析受力的基本技能、能熟练应用有关力学规律的基础之上才能顺利进行。对于图1、图2 、图3所示的情况，学生只需要观察（实质上是运用了前一种方法）就能判断相对运动趋势的存在，但这也是指导后一种思维方法的契机。方法的渗透应从简单的问题着手。对于刚进入高中的学生来讲，在“第一章”学习 “静摩擦力”这一知识时，应该把思维方法的掌握作为重点，讨论的问题充其量只能到图4中保持匀速运动的情况，至于变速运动的情况应放到学过“第三章 运动定律”之后，图5的问题放到学习了“第四章物体的平衡”、掌握了隔离体解题法之后再研究（笔者不赞同将第一、四章合并教学的做法），这样处理不至于开始就将学生难倒，对该难点的突破也非常有效。2. 力的合成与分解（1）解“力三角形”HLROF2F1GOAB图7FF1F2图6学生在初中虽然有力的图示的基础，有对平行四边形法则的初步印象，但是，在理解表示力的有向线段时，其中“长度”的前概念会时常干扰着对“力的大小”的认识，使得学生在解“力三角形”时始终没有解几何三角形那么自如。在遇到“力三角形”之前，学生对力的图示法往往是抱着一种被动接受的态度，而且“标度”会时刻提醒学生有向线段的长度就表示力的大小。到了求两个互成角度的共点力的合力时（图6所示 ），将长度转换成力的大小并利用三角形的知识解出：在这个过程中学生对“数”、“形”转换就会感到别扭，以至于在实际应用中只能死套公式，而不能灵活应用三角形的知识去解已知条件不同的力三角形。比较典型的例子就是学生对图7所示分解小球重力G时由两个阴影三角形相似，建立等式感到难以理解。学习心理学的理论告诉我们，学生的认识主要取决于他们头脑中原有的图式，而不完全取决于教师的讲述图式不能被抛弃，我们只能对旧图式加以改造和转换，使之成为新的图式。学生之所以不能灵活应用几何三角形的知识解“力三角形”，主要原因是“力三角形”的图式没有真正建立。因此，为了帮助学生顺利实现“长度”到“力大小”、“几何三角形”到“力三角形”的图式转换，就要让学生充分参与“求两个互成角度的共点力的合力”的实验，体验其中的研究方法，并且重视用作图法求共点力合力的练习，让学生在图示法求合力向解析法求合力的逐步过渡过程中领悟“形”向“数”的转换（笔者赞同“图示法求合力”也要考查）。试想，如果是将平行四边形法则以及有关公式直接告诉学生，再用练习来强化记忆，学生头脑中的图式就不可能得到真正的转换，理解和应用能力就难以得到提高。（2）分解一个力在力的分解过程中关于被分解的力（合力）有哪几个作用效果是一个十分抽象的问题，学生由于缺少这方面的感性认识，因而对此问题感到很困难。教学中突破这一难点的最好方法是设计一些实验，如：图8中台秤读数的减小显示了斜向上拉力F具有竖直向上的作用效果、用软板可演示铁块由于重力对斜面的作用效果（图9）以及让学生通过图10所示的实验体验重力对支架的作用效果等，增加学生的感性认识，并引导学生由感性认识逐步上升到理性思维。 F图8图10G图9在“力的分解”教学中还应该讲究一定的策略。我们认为在“第一章”的教学中，研究力的分解只需要针对合力的几个作用效果比较明显的一些情况（类似课本上的例题、习题），而对于合力作用效果复杂的分解力问题暂时没有必要涉猎。一方面在解决静力学的有关问题时应用共点力的平衡条件比用分解力的方法显得更容易理解；另一方面复杂的力的分解问题对以后力学知识的学习没有太大的价值，而且随着力学知识的不断学习，学生分析受力的能力将进一步提高，到那时学生认识合力的几个作用效果将不再感到困难。因此，我们没有必要在这个时刻、在这一问题上去“为难”学生。3. 加速度加速度是学习高中物理将遇到的第一个较难的新概念，而且是一个十分重要的概念。“速度变化的快慢”本身就比较抽象，加上“速度”、“速度变化的大小”、“速度变化率” 以及加速度的方向与速度变化的关系等概念或规律交织在一起，很容易造成学生对加速度的有关问题混淆不清，使学生感到无所适从，给学生带来极大的心理障碍。教学中不能只告诉结论，应该十分重视结论归纳的过程。让学生从身边事例的分析、对比过程中体验、感悟，并引导学生进行概括和抽象。我们可以先列表给出汽车和火车起动阶段速度变化的有关数据。比较数据后得出汽车和火车的速度都在变化，而且变化都是均匀的；汽车和火车速度变化的快慢不同。于是提出问题：不同的物体做匀加速直线运动，怎样表示物体做匀变速直线运动时速度变化的快慢呢？引导学生回忆运动快慢的表示方法。通过类比猜测：速度变化的快慢可以用速度的变化量与所用时间的比值来表示。利用表格数据进行计算，对猜测加以检验。用符号t、v0、vt代替数据，得到加速度的定义式。引导学生由加速度的定义式得出加速度的定义及推导出加速度的单位。用具体数据比较不同物体的速度和加速度，引导学生得出：速度大加速度不一定就大；速度变化大，加速度不一定也大。用具体事例让学生计算向右加速、向右减速、向左加速、向左减速四种情形的加速度值。让学生通过比较得出加速度正负号的意义，并概况出a、v同向为加速，a、v反向为减速。4. 运动图象图象法是物理学的一种重要研究方法，运动图象的学习又是高中图象法的入门。学生理解运动图象的困难主要来自于数学知识向物理情景迁移过程中的障碍。例如：在图11位移图象中学生不容易理解AB段表示静止状态，并且学生总以为图11所示的位移图线就是质点运动的轨迹；还有对图12、图13 中图线的斜率以及图15、图16中的阴影面积S所表示的物理意义感到很难理解OtsACB图11Otv图13stO图12Oxy图14OvvtS图15tVOtStv0图16教学中突破这一难点的做法：一是引导学生充分认识坐标轴所表示的含义，从分析图线上点的物理意义着手来理解图线反映的物理过程。如：图11中纵坐标s所表示的是质点对起点的位移，OA段上各点的位移逐渐变大，表明质点是向同一方向（沿直线）运动，AB段上各点对起点的位移不变，表明质点是在这一位置保持静止，BC段上各点的位移逐渐变小表明质点反向运动；二是要重视数学函数图象向物理图线的转换。教学中常发现，图象即使不变，坐标轴的符号换成了物理量的符号，学生往往不能由函数和自变量的关系顺利迁移到对物理过程的理解。因此，要从学生数学知识的基础出发，抓住函数关系式这一要素，把实际的物理量赋予数学变量之中，将数学函数图象转换成物理图线。例如：图14的函数关系式是ykx，k是图线的斜率，ktan，那么图12就相当于将图14中的y换成了位移s 、x换成了时间t，svt就是图线对应的关系式，所以，v就相当于k，即图线的斜率就等于速度v（同理，图13中图线的斜率就等于加速度a）；三是要从简单图线着手，着眼于方法的指导，切实培养学生的识图能力。前面对函数ykx图象与svt图线进行的详细对比就是基于这种考虑。再例如：要让学生能够理解vt图线包围的面积就等于对应时间内的位移，就要先从匀速直线运动的vt图象出发，根据svt，而vt就等于图15中阴影部分的面积S。对于匀加速运动的情况（速度图线如图16所示）还要结合极限的知识总结出，当每一小段时间间隔无限减小时，vt图象下方的面积就等于阶梯形折线下方对应各长方形面积总和，即等于匀变速运动的位移。5. 匀变速运动规律的应用匀变速运动规律应用的难度在于公式多、物理量多且其中的矢量还有正负符号之分、运动过程的复杂或不确定（比如刹车后还要考虑什么时候停止等），对学生分析与综合能力的要求很高。教学中切忌急于求成，如果学生对有关公式还混淆不清就去研究较为复杂的问题，容易把学生搞得灰心丧气。笔者认为熟能生巧的观点对匀变速运动规律应用的教学很有指导意义。首先要求学生熟记公式 、，并且要理解公式中各个物理量的含义，是矢量的还要搞清楚何时取正？何时取负？；然后通过对各种较为简单运动过程的反复研究，熟悉公式，逐步结累公式的使用方法和技巧。加强一题多解，一题多变的演练，提高应用公式的熟练程度，让学生在遇到实际问题时能够及时、准确的调用公式；一旦学生公式熟练、运用灵活，学生的能力就自然而然会提高，这时候再去研究较为复杂的运动学问题学生就不会再感到困难了。以上只是讨论了高中物理起始教学中有代表性的五个难点，我们的体会是，高中物理起始教学难点的形成首先是由于学生起始学习的原因，其次在于思维难度较大以及需要在物理情景中灵活应用数学知识。分析教学难点不能忽视对学生的研究，难点的位置找准了，才有利于找到突破难点的有效方法。突破难点，首先要根据学生的认知特点以及知识和能力的基础状况制定分阶段的教学目标，循序渐进、螺旋上升。要用发展的眼光来面对学生学习的过程，高中基础年级的物理教学最忌讳就是不切实际地拔高要求、搞一步到位；其次要切实改进教学方法，强化实验教学，开展探究性教学，充分展示知识的形成过程，使学生领悟知识的本质以及接受科学思维方法的熏陶；再其次要加强学习方法的检查和指导，提高学生自主学习的能力；还要注意培养良好的学习习惯，包括预习、听课、复习、练习、交流的习惯以及多思善问的习惯，教育学生树立坚强的意志，坚定学好物理的信念。参考文献：1.乔际平 邢红军. 物理教育心理学. 南宁：广西教育出版社，2002.2.师范教育司. 高中物理课堂教学设计. 上海：上海教育出版社，1999.3.人教社物理室.全日制普通高级中学（实验修订本必修）物理第一册 教师教学用书。北京.人民教育出版社，2000.