牛頓定律復(fù)習(xí)中典型學(xué)習(xí)障礙的分析及對(duì)策

韓志祥

(常州市第三中學(xué)　江蘇 常州　213000)

牛頓定律復(fù)習(xí)中典型學(xué)習(xí)障礙的分析及對(duì)策

韓志祥

(常州市第三中學(xué)江蘇 常州213000)

摘 要：學(xué)生的學(xué)習(xí)情況是教師教學(xué)的依據(jù)，通過(guò)作業(yè)批改反饋、部分學(xué)生訪談等途徑尋找學(xué)生利用牛頓定律解題中的障礙并分析其成因，最終形成行之有效的高三物理習(xí)題教學(xué)策略．

關(guān)鍵詞：牛頓定律解題障礙學(xué)情分析教學(xué)策略 4.1構(gòu)建圖形情境體會(huì)的內(nèi)隱含義

1研究背景

高三力學(xué)復(fù)習(xí)時(shí)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)這樣的問(wèn)題：學(xué)生處理單個(gè)物體的受力及運(yùn)動(dòng)基本都能夠勝任，但是一旦遇到較為復(fù)雜的連接體問(wèn)題，多數(shù)學(xué)生會(huì)出現(xiàn)各種各樣的差錯(cuò)．通過(guò)對(duì)2014年江蘇高考考試說(shuō)明的分析可知，牛頓定律中要求學(xué)生能夠靈活地運(yùn)用整體法和隔離法處理力學(xué)問(wèn)題，加速度大小不同的連接體問(wèn)題的計(jì)算僅限于兩個(gè)物體的情況[1]，也就是說(shuō)加速度相同的連接體個(gè)數(shù)不限，如果再加入摩擦力的臨界問(wèn)題，則顯然會(huì)加大學(xué)生解題的難度．學(xué)生之所以在這兒出現(xiàn)問(wèn)題，與教師的習(xí)題教學(xué)策略密切相關(guān)，通常教師在習(xí)題教學(xué)中比較多的是沿著題目本身的內(nèi)在邏輯展開(kāi)，直接給出解題程序，但由于很少?gòu)膶W(xué)生思維的障礙出發(fā)，所以教學(xué)的效果并不盡人如意．基于以上思考，調(diào)查學(xué)生學(xué)習(xí)情況就具有了一定的研究?jī)r(jià)值．

2牛頓定律復(fù)習(xí)中的學(xué)情分析

學(xué)情分析就是分析學(xué)生在學(xué)習(xí)方面有何特點(diǎn)．包括基礎(chǔ)如何、學(xué)習(xí)方法怎樣、習(xí)慣怎樣、興趣如何等．主要的手段就是通過(guò)調(diào)查學(xué)生解題過(guò)程的每一步，剖析其思維的障礙，了解學(xué)生迫切需要得到教師怎樣的幫助，從而為教師的有效教學(xué)提供最直接的證據(jù)．

本次調(diào)查的目的是研究學(xué)生在牛頓定律分析過(guò)程中出現(xiàn)的障礙，最終為有效教學(xué)策略的制定提供依據(jù)．選取的樣本為一個(gè)高三物理班，共計(jì)52人，其中男生26人，女生26人．調(diào)查的內(nèi)容是一道自編習(xí)題和一道現(xiàn)成習(xí)題，主要涉及牛頓定律中的整體法與隔離法的應(yīng)用．調(diào)查的手段主要通過(guò)作業(yè)批改和部分學(xué)生訪談．

2.1作業(yè)批改反饋

【例1】溜冰的時(shí)候需要人們的腳擺出向后蹬的“外八字”從而產(chǎn)生前進(jìn)的動(dòng)力，擺出“內(nèi)八字”即能產(chǎn)生阻力.圖1所示，是溜冰場(chǎng)上常見(jiàn)的場(chǎng)景“推火車游戲”：不會(huì)溜冰的甲和乙腳部基本平行從而使阻力可以忽略不計(jì)，而最后一個(gè)人丙的腳步呈現(xiàn)“外八字”產(chǎn)生恒定的動(dòng)力F，若3人的體重相同，求乙對(duì)甲的推力是多少？獲得穩(wěn)定速度后，3人腳部均保持平行．當(dāng)遇到前面有障礙時(shí)，第一個(gè)人看見(jiàn)后將腳擺出“內(nèi)八字”產(chǎn)生恒定的阻力F，其他人保持原狀，求乙對(duì)丙的作用力是多少？

圖1　溜冰場(chǎng)上的“推火車”游戲

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析：28.8%(15人)的學(xué)生所做作業(yè)此題完全空白，其中女同學(xué)占據(jù)了19.2%(10人).因?yàn)樗麄冾}目都沒(méi)能看懂，想象不出所描述的場(chǎng)景是怎樣的，還有學(xué)生認(rèn)為題目給定的條件過(guò)少，無(wú)從入手．57.7%(30人)的動(dòng)筆的學(xué)生中，基本都是認(rèn)為乙對(duì)甲的力仍然為F，這些人中有7.7%(4人)也是沒(méi)理解題意，只是憑感覺(jué)寫(xiě)了個(gè)答案，剩余的50%(26人)的人都認(rèn)為力具有傳遞性，所以都應(yīng)該是F，當(dāng)然也有13.5%(7人)學(xué)生能夠理解該情境，并能夠成功解答．

【例2】如圖2所示，小車的質(zhì)量為M，人的質(zhì)量為m，人用恒力F拉繩，若人與車保持相對(duì)靜止，且地面光滑，又不計(jì)滑輪與繩的質(zhì)量，則車對(duì)人的摩擦力可能是

A．0

圖2

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析：從學(xué)生解答題目的痕跡看出96.2%(50人)的學(xué)生都做了，因?yàn)轭}干部分條件充分，情境描述以模型圖代替更加直觀．86.5%(45人)的學(xué)生都能順利地選取整體分析出共同的加速度．但是有75%(39人)的學(xué)生在隔離人作為研究對(duì)象進(jìn)行受力分析時(shí)出現(xiàn)了障礙：

(1)認(rèn)為人向右拉繩，所以人受到一個(gè)向右的拉力的同學(xué)占了28.8%(15人)．

(2)在分析人受到的摩擦力方向時(shí)都認(rèn)為肯定水平向右，而且未考慮其他可能性的同學(xué)占了67.3%(35人)．

(3)認(rèn)為人受繩子的拉力與摩擦力相等的同學(xué)占了38.5%(20人)．

2.2部分學(xué)生訪談

(1)學(xué)有余力的學(xué)生：完成基本沒(méi)有什么困難，頭腦中具有清晰的情境，能夠比較熟練地使用整體法與隔離法，會(huì)利用加速度方向準(zhǔn)確地進(jìn)行受力分析，但在遇到多個(gè)物體且涉及到摩擦力的臨界問(wèn)題時(shí)，仍然感到比較困難．

(2)大多數(shù)學(xué)生：看到文字描述較短的題目能夠耐心地分析，如果能夠配有情境圖就更好上手了，審題時(shí)苦于關(guān)鍵信息的挖掘，在頭腦中很難構(gòu)建清晰的運(yùn)動(dòng)過(guò)程和受力情景，畫(huà)受力分析時(shí)，偶爾忘記受力分析的順序、要么少力、多力、要么力的方向畫(huà)反、絕大多數(shù)學(xué)生無(wú)法畫(huà)出精確的受力分析圖，遇到復(fù)雜問(wèn)題時(shí)，大多數(shù)時(shí)候都未曾考慮過(guò)物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，基本默認(rèn)合力為零，解題中經(jīng)常憑借回憶曾經(jīng)做過(guò)的類似題型來(lái)解題．

(3)學(xué)習(xí)困難的學(xué)生：整個(gè)解題環(huán)節(jié)都處于無(wú)序狀態(tài)，毫無(wú)解題思路可言，喪失學(xué)習(xí)物理的興趣．

綜上所述，學(xué)生在牛頓定律復(fù)習(xí)過(guò)程中的主要問(wèn)題集中在以下3個(gè)方面：審題時(shí)無(wú)法建立清晰的物理模型，提取不了關(guān)鍵信息；研究對(duì)象的選取不確定，沒(méi)有明確的原則；受力分析圖總是畫(huà)不準(zhǔn)．

什么原因?qū)е聦W(xué)生會(huì)產(chǎn)生上面3種典型的解題障礙呢？

3學(xué)生解題障礙成因

3.1審題障礙的生理原因

記憶的生理學(xué)研究表明[2]：左腦隨著年齡增大而衰退，負(fù)責(zé)語(yǔ)言記憶、淺層記憶、少量、低速馬上就會(huì)忘記；右腦具有后天開(kāi)發(fā)的可能性，負(fù)責(zé)圖像性記憶、深層記憶、大量、高速，可以隨時(shí)再現(xiàn)．通過(guò)分析后，可知，在解題時(shí)非常重要的一步就是審題，審題的作用其實(shí)就是將大量的難以記憶的的文字內(nèi)容包括一些隱藏著豐富物理信息的關(guān)鍵詞轉(zhuǎn)化為很容易記憶的圖形內(nèi)容，如果記憶深刻，則大腦更容易提取和分析．

3.2解題障礙的心理原因

初中生接觸的基本都是力的平衡問(wèn)題，所以平衡的認(rèn)知結(jié)構(gòu)已經(jīng)穩(wěn)定建立．當(dāng)學(xué)生遇到新的事物，總是用平衡圖式同化它們，如果獲得成功，原有圖式便會(huì)得到鞏固和加強(qiáng)，認(rèn)識(shí)達(dá)到平衡；如果失敗，便會(huì)調(diào)整原有圖式或創(chuàng)立新的圖式以順應(yīng)現(xiàn)實(shí)，使認(rèn)識(shí)達(dá)到新的平衡．當(dāng)然這中間需要自我調(diào)節(jié)(主觀努力)．自我調(diào)節(jié)的職責(zé)就是保證主體以正確的同化或順應(yīng)方式實(shí)現(xiàn)認(rèn)知結(jié)構(gòu)的平衡[3]．顯然問(wèn)題就是出在學(xué)生的自我調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，當(dāng)學(xué)生思維中同化占據(jù)主導(dǎo)就很難建立起非平衡態(tài)的正確圖式．所以教師應(yīng)該從此處入手，通過(guò)各種手段培養(yǎng)學(xué)生自我調(diào)節(jié)能力，特別引導(dǎo)學(xué)生建立非平衡態(tài)圖示并達(dá)到順應(yīng)，打破學(xué)生認(rèn)識(shí)的定勢(shì)．

弄清了學(xué)生的思維障礙，并在理論上找到了原因后，破除學(xué)生的解題障礙便有了可能．

4基于學(xué)情分析的習(xí)題教學(xué)策略

首先，注重在平時(shí)的課內(nèi)課外進(jìn)行習(xí)題情境教學(xué)，滲透關(guān)注生活的意識(shí)，通過(guò)播放視頻，查閱網(wǎng)絡(luò)資料充分讓學(xué)生了解體育、科技、生活中的物理情境．接著，既然文字情境很難進(jìn)入記憶長(zhǎng)久保存，所以習(xí)題教學(xué)中要培養(yǎng)學(xué)生將之轉(zhuǎn)化為圖形情境的能力，即建立物理模型．最后，當(dāng)模型建好后，分析題目中的關(guān)鍵詞所隱藏的信息，從而為物理規(guī)律及方法的選擇提供充足的條件．

比如例1中的情境教學(xué)可以先讓溜過(guò)冰的同學(xué)表演一下溜冰的“外八字”和“內(nèi)八字”動(dòng)作，分析其向前的動(dòng)力實(shí)際上就是冰面對(duì)人的摩擦力，向后的阻力也是冰面對(duì)人的摩擦力．

例1中的文字情境就可以轉(zhuǎn)換成下面的圖形情境：

如圖3所示，3個(gè)質(zhì)量相同的物體甲、乙和丙，緊靠在一起放在光滑的水平面上，如果它們受到水平推力F作用，則乙施于甲的作用力的大小為多少．(具體解答略去)

圖3

針對(duì)例1的審題，特別要理解文字情境中的“外八字”的內(nèi)隱含義：人的腳如果向后蹬便會(huì)受到冰面向前的摩擦力，也就是恒力F．在恒力F推動(dòng)下，甲、乙、丙一起向前勻加速，在這兒隱藏了她們具有共同的加速度這一關(guān)鍵信息．

4.2排除干擾因素學(xué)會(huì)聚焦研究對(duì)象

分析任何物理問(wèn)題均始于選取研究對(duì)象，研究對(duì)象的選取往往是根據(jù)問(wèn)題的需要和條件的多少進(jìn)行的，如果問(wèn)題研究的對(duì)象不便于分析，往往要通過(guò)牛頓第三定律進(jìn)行研究對(duì)象的轉(zhuǎn)換．

針對(duì)力學(xué)中的多物體問(wèn)題，首先，判斷多個(gè)物體是否具有共同加速度，如果有，則先整體后隔離，隔離時(shí)遵循由易到難的原則，無(wú)論是整體法還是隔離法在受力分析前務(wù)必做到“聚焦”，聚焦的方法就是利用學(xué)生學(xué)過(guò)的質(zhì)點(diǎn)模型，忽略研究對(duì)象的形狀和大小，這樣便可以排除內(nèi)力的干擾．研究整體時(shí)，將整體看成點(diǎn)，但凡是整體外的物體對(duì)它產(chǎn)生的力都得畫(huà)在受力分析圖中；研究個(gè)體時(shí)就將個(gè)體看成點(diǎn)，同樣要畫(huà)好所受外力．

4.3關(guān)注運(yùn)動(dòng)狀態(tài)確保精準(zhǔn)受力分析

學(xué)生在聚焦研究對(duì)象后，必須結(jié)合物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，最關(guān)鍵的就是利用加速度方向畫(huà)好精準(zhǔn)的受力分析圖，當(dāng)然在此過(guò)程中為了避免受力分析時(shí)出現(xiàn)多力或者少力，需要引導(dǎo)學(xué)生重溫力的定義，即力是物體間的相互作用．為了讓學(xué)生更有針對(duì)性地使用力的定義，可以具體轉(zhuǎn)換為以下的模式：誰(shuí)對(duì)研究對(duì)象施加了朝哪邊的什么力．同時(shí)還要牢記受力分析的順序：先場(chǎng)力后接觸力．在平時(shí)的受力分析過(guò)程中加強(qiáng)對(duì)學(xué)生的專門訓(xùn)練，從而最終讓學(xué)生學(xué)會(huì)精準(zhǔn)的受力分析．

比如在例2中，我們可以引導(dǎo)學(xué)生這樣進(jìn)行解題：首先，審題時(shí)，抓住題目中人與車相對(duì)靜止，隱藏了它們具有共同加速度的物理信息．接著，選擇人+車作為研究對(duì)象．

根據(jù)“誰(shuí)對(duì)研究對(duì)象施加了朝哪邊的什么力”進(jìn)行分析，人向右拉繩，受力物體是繩，但是我們選擇的研究對(duì)象是人和車，所以必須進(jìn)行研究對(duì)象的轉(zhuǎn)換，根據(jù)牛頓第三定律可知，繩必定對(duì)整體中的人施加了水平向左的拉力，同時(shí)繩子也對(duì)整體中的小車施加了水平向左的拉力，因?yàn)榛啿桓淖兞Φ拇笮?，所以均為F，人與車之間的力屬于內(nèi)力，不能畫(huà)出，所得受力分析圖如圖4所示，可知

方向水平向左.然后，選擇人作為研究對(duì)象．

圖4

根據(jù)加速度的方向水平向左，依據(jù)“誰(shuí)對(duì)研究對(duì)象施加了朝哪邊的什么力”進(jìn)行分析，繩子對(duì)人施加了水平向左的拉力，車子對(duì)人施加了靜摩擦力，由于方向未知，可以采用假設(shè)法，假設(shè)車子對(duì)人施加了水平向右的靜摩擦力，根據(jù)加速度的方向可知，必有如圖5所示的關(guān)系

圖5

最后，討論f的可能性．f取決于M與m的質(zhì)量關(guān)系，共有3種可能，所以答案得以確定．

5應(yīng)用策略后的效果評(píng)價(jià)

在整個(gè)牛頓定律的章節(jié)復(fù)習(xí)中，始終利用上述策略進(jìn)行教學(xué)，當(dāng)然教學(xué)效果如何一定得通過(guò)實(shí)踐的檢驗(yàn)．下面利用一道自主改編的較為復(fù)雜的難題，測(cè)試學(xué)生學(xué)習(xí)的效果．

【例3】在光滑的水平面上放置了兩個(gè)質(zhì)量均為m小木塊，中間用一不可伸長(zhǎng)的輕繩相連，在兩小木塊上有分別疊加了兩個(gè)質(zhì)量均為3m的大木塊，其中，木塊間的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ且最大靜摩擦力近似等于滑動(dòng)摩擦力．現(xiàn)用水平拉力向外側(cè)拉其中一個(gè)大木塊，使4個(gè)木塊無(wú)相對(duì)滑動(dòng)地一起向右運(yùn)動(dòng)，則輕繩對(duì)小木塊的最大拉力為多少？

5.1學(xué)情分析

從學(xué)生解答題目的痕跡看出，全班52人中有92.3%(48人)的學(xué)生都能順利將文字情境轉(zhuǎn)化為圖形情境，如圖6所示．

圖6

全班有88.5%(46人)的學(xué)生都能順利地選取整體(A+B+C+D)分析出共同的加速度，確定共同加速的方向水平向右，如圖7(a)所示．依然有80.8%(42人)的學(xué)生成功地隔離了(A+B)整體作為研究對(duì)象，如圖7(b)所示.

(a)　　　　　　　(b)

T=3ma，要使拉力達(dá)到最大，即要求加速度最大(這邊的分析不少學(xué)生都沒(méi)能得出，以至于題目基本到此結(jié)束)．48.1%(25人)的學(xué)生能夠意識(shí)到還要選擇A作為研究對(duì)象，如圖8所示.

fmax=4mamax

amax=μg

Tmax=4μmg

圖8

此題到這并沒(méi)有結(jié)束，因?yàn)橛袃蓚€(gè)接觸面可能會(huì)達(dá)到最大靜摩擦，究竟誰(shuí)先達(dá)到最大靜摩擦，需要比較．當(dāng)然學(xué)生到這兒僅有15.4%(8人)進(jìn)行比較.

重新選擇(A+B+D)為研究對(duì)象，如圖9所示.

圖9

5.2效果評(píng)價(jià)

本題是整體法與隔離法的一道復(fù)雜問(wèn)題，從學(xué)生的學(xué)情分析可以看出，學(xué)生應(yīng)用基于學(xué)情分析的教學(xué)策略效果已經(jīng)顯現(xiàn)，有48.1%(25人)的學(xué)生能夠得到最大拉力的Tmax=4μmg，盡管結(jié)果仍然錯(cuò)誤，但是，學(xué)生們已經(jīng)抓住了基本的解題要領(lǐng)，變得更加規(guī)范，更加有的放矢．

6結(jié)語(yǔ)

新課程倡導(dǎo)在教學(xué)中要以生為本，其落腳點(diǎn)就在于對(duì)學(xué)生學(xué)情進(jìn)行細(xì)致分析，找到學(xué)生思維上的障礙，在習(xí)題教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生構(gòu)建物理圖景、充分挖掘條件，排除干擾、學(xué)會(huì)聚焦，關(guān)注運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，提高精準(zhǔn)受力分析的能力，就可以有效地解決學(xué)生在牛頓定律學(xué)習(xí)中的困惑．

參 考 文 獻(xiàn)

1江蘇省教育考試院．2014年江蘇省普通高中學(xué)業(yè)水平測(cè)試(選修科目)說(shuō)明．南京：江蘇教育出版社，2014

2王婷婷，莫雷，舒斯云．記憶編碼與提取過(guò)程的腦機(jī)制．生理學(xué)報(bào)， 2009(5)：397

3汪鳳炎,燕良軾．教育心理學(xué)新編．廣州：暨南大學(xué)出版社，2011.266

收稿日期：(2015-04-08)