從省市級(jí)優(yōu)質(zhì)課“力的分解”引發(fā)的思考

王賢勇

（貴州畢節(jié)市第一中學(xué)，貴州 畢節(jié) 551700）

1 問題背景

在2020年筆者有幸觀摩了貴州省第七屆物理優(yōu)質(zhì)課的市賽和省賽.市賽和省賽的課題之一都是選自人教社2004版高中物理必修1第3章第5節(jié)“力的分解”.其中市賽有6位教師、省賽有9位教師上了“力的分解”這節(jié)課，經(jīng)筆者梳理后發(fā)現(xiàn)這15位教師課的設(shè)計(jì)都大同小異.體現(xiàn)在四個(gè)方面：一是課例幾乎一樣；二是知識(shí)方法最共性的一點(diǎn)是把這節(jié)課的重點(diǎn)放在力的“效果分解法”上；三核心素養(yǎng)最共性的地方都設(shè)計(jì)了科學(xué)探究；四是都用了小組合作探究模式.可見，真不愧是優(yōu)質(zhì)課比賽，設(shè)計(jì)還是比較潮流的.下面請(qǐng)跟隨筆者的梳理，一起去看看最典型的課例設(shè)計(jì).

2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

如何去分解1個(gè)力？請(qǐng)看部分教師在分解方法環(huán)節(jié)和應(yīng)用環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì).

科學(xué)探究1.以人拉拉桿箱為例（其中有的教師用人拉箱，有的教師用拖拉機(jī)拉耙）.引導(dǎo)學(xué)生思考人對(duì)箱的拉力產(chǎn)生什么效果.有4位教師用圖1所示的裝置演示實(shí)驗(yàn)：用斜向上的力F拉物體，學(xué)生觀察臺(tái)秤和彈簧測力計(jì)的示數(shù)，臺(tái)秤示數(shù)減小，彈簧秤示數(shù)增大，說明拉力F產(chǎn)生兩個(gè)效果，一個(gè)效果是使彈簧被拉伸，一個(gè)效果是把物體豎直提起.總結(jié)得出力F按其作用的效果可分解為水平向右和豎直向上的2個(gè)分力.

圖1

科學(xué)探究2.以斜面上的物體為例，物體的重力G如何分解？引導(dǎo)學(xué)生思考重力G產(chǎn)生什么效果.有的教師用薄板和氣球觀察重力產(chǎn)生的效果；有的利用圖1的裝置來觀察重力產(chǎn)生的效果（拆去拉力，把木板的左端抬高，觀察臺(tái)秤和測力計(jì)示數(shù)的變化）；有的教師用薄板、海綿或氣球觀察重力產(chǎn)生的效果.如圖2（a）所示，把鉛球放在斜面上，學(xué)生觀察到薄木板被壓彎，海綿發(fā)生形變.所以得出重力G產(chǎn)生兩個(gè)效果，一個(gè)效果沿斜面向下，導(dǎo)致海綿發(fā)生形變，另一個(gè)效果垂直斜面向下，使物體擠壓斜面，于是重力G被分解為如圖2（b）所示的2個(gè)分力.

圖2

點(diǎn)評(píng)：這兩種設(shè)計(jì)方案的優(yōu)點(diǎn)是引導(dǎo)學(xué)生從生活走向物理，建立物理模型，同時(shí)把“抽象的效果”顯現(xiàn)出來，能讓學(xué)生達(dá)到一聽就懂的效果.

科學(xué)探究3（應(yīng)用）.塔吊吊貨物，繩拉塔吊的力如何分解？學(xué)生觀看塔吊的圖片或者視頻，結(jié)合教師提前發(fā)給學(xué)生的鉛筆、細(xì)繩、鉤碼，讓學(xué)生自己設(shè)計(jì)簡易塔吊，感受拉力產(chǎn)生的效果，從而作出2個(gè)分力F1和F2.流程如圖3所示.

圖3

科學(xué)探究4（應(yīng)用）.展示斧頭劈柴圖片，分析斧頭刃角越小，越容易把柴劈開的原因.學(xué)生討論、教師解釋，斧頭的尖刃越薄，F(xiàn)1和F2越大，所以越容易把柴劈開.如圖4所示.

圖4

科學(xué)探究5（應(yīng)用）.陷入泥潭的汽車，汽車上有一根繩，如何才能把汽車?yán)瞿嗵叮ㄋ膬蓳芮Ы铮?/p>

點(diǎn)評(píng)：繼續(xù)培養(yǎng)學(xué)生建模的能力，亮點(diǎn)是升華到把所學(xué)知識(shí)應(yīng)用于生活.

3 問題分析

筆者上網(wǎng)查一下“力的分解”的優(yōu)質(zhì)課，獲得一等獎(jiǎng)的設(shè)計(jì)方案在力分解的環(huán)節(jié)其重點(diǎn)是按“效果分解法”進(jìn)行的.筆者繼續(xù)在知網(wǎng)上查詢了“力的分解”的核心論文，同樣發(fā)現(xiàn)也是把“效果分解法”作為重點(diǎn)來設(shè)計(jì)的.筆者認(rèn)為“效果分解法”是傳統(tǒng)的分解方法，人教社2004版教材已經(jīng)摒棄，把“效果分解法”作為本節(jié)課的重點(diǎn)是值得商榷的，因?yàn)椤靶Ч纸夥ā贝嬖谥T多弊端，且對(duì)后續(xù)的學(xué)習(xí)沒有多大的價(jià)值和意義，分析如下.

3.1 “效果分解法”的難點(diǎn)是不好找效果

力的分解過程一般是去尋找兩個(gè)不存在的力來等效替代一個(gè)客觀存在的力.從數(shù)學(xué)的角度就是已知平行四邊形的一條對(duì)角線，去尋找這條對(duì)角線的兩條臨邊.分力既看不見又摸不著，尤其是在復(fù)雜的物理情境中不好確定“兩個(gè)效果”，即分力的兩個(gè)方向，也就無法進(jìn)行分解.所以按“效果分解”來開展教學(xué)的結(jié)果往往是學(xué)生一聽就懂，一做就錯(cuò).究其原因是學(xué)生不知道分力的具體走向，他們的主觀感受好像是力怎么分都可以，故難以進(jìn)行分解.還有一個(gè)物體往往受多力作用，離開受力分析和運(yùn)動(dòng)分析單獨(dú)去尋找某一個(gè)力的作用效果本身是沒有意義的.

3.2 “效果分解法”存在一些誤區(qū)

誤區(qū)之1.科學(xué)探究2中，通過觀察木板和海綿形變了就得出重力G的分力一個(gè)垂直斜面向下，一個(gè)沿斜面向下嗎？這顯然是不嚴(yán)謹(jǐn)、缺乏科學(xué)性的.原因是不管我們把重力G分解到什么方向，效果均一樣，都會(huì)觀察到同樣的現(xiàn)象.那說明木板和海綿的形變與重力G分解到什么方向沒有關(guān)系.同理，科學(xué)探究1中臺(tái)秤和測力計(jì)的示數(shù)與拉力F分解到什么方向也沒有關(guān)系.臺(tái)秤和測力計(jì)的示數(shù)是由物體的受力情況和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來共同決定的.

誤區(qū)2.科學(xué)探究3中，從塔吊模型到學(xué)生模擬塔吊模型，再到最后的模型所受拉力的分解都是值得商榷的.因?yàn)樗跄Ｐ褪嵌U模型（支點(diǎn)固定），細(xì)心觀察的同學(xué)還會(huì)發(fā)現(xiàn)，有的塔吊沒有斜向的兩根鋼索，同樣能工作.學(xué)生模擬的是動(dòng)桿模型（桿可繞支點(diǎn)旋轉(zhuǎn)），動(dòng)桿模型受力沿桿，定桿模型的受力是不一定沿桿的.可見模型構(gòu)建是缺乏科學(xué)性、嚴(yán)謹(jǐn)性的，甚至是錯(cuò)誤的，故得出的結(jié)論也未必正確.這樣的教學(xué)設(shè)計(jì)是培養(yǎng)不出學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和正確的價(jià)值觀念的，甚至?xí)褜W(xué)生引導(dǎo)向錯(cuò)誤的方向.

誤區(qū)3.力的作用效果有兩個(gè)，一個(gè)是使物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變，一個(gè)是使物體發(fā)生形變.這兩個(gè)效果可以同時(shí)產(chǎn)生，也可能只有一個(gè).按照力的“效果分解法”，很容易導(dǎo)致學(xué)生在某些方向上把力的“作用效果”理解錯(cuò)誤.比如科學(xué)探究2中，學(xué)生觀察到氣球和木板發(fā)生了形變，他們就會(huì)自動(dòng)建立這樣的關(guān)系：是重力沿斜面的分力和重力垂直斜面的分力分別作用在氣球和木板上，所以才看見形變.這種理解顯然是錯(cuò)誤的.正確的理解應(yīng)為：重力的效果是使物體向下運(yùn)動(dòng)，氣球和木板阻礙了物體向下運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致物體間相互接觸擠壓、形變，從而產(chǎn)生彈力.

科學(xué)探究4和5中，題目要考查的要點(diǎn)是：合力一定時(shí)，兩個(gè)等大的分力夾角越大，則分力越大.但要把這個(gè)結(jié)論運(yùn)用于劈柴和拉車是非常難的，原因在于：要分解的力作用在斧子上，但結(jié)果是柴被劈開了.可見，對(duì)象是混淆的.麻煩還沒有結(jié)束，學(xué)生還會(huì)想到，這兩個(gè)分力是用來代替F的，故作用在斧子上，刃角越小，分力越大，應(yīng)該是把斧子劈開才對(duì)呀！兩個(gè)分力越大和容易把柴劈開還要建立一定的邏輯關(guān)系，要去構(gòu)建這樣的邏輯關(guān)系，又要涉及到研究對(duì)象的選擇、輕質(zhì)模型的構(gòu)建、力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系、作用力與反作用力等知識(shí).從教學(xué)處理來看，缺乏邏輯性，知識(shí)的跨越性過大.從目前學(xué)生儲(chǔ)備的知識(shí)和能力來看，超越了學(xué)生的認(rèn)知.故這樣的教學(xué)處理即使得出的是正確的結(jié)論，但是因?yàn)閷W(xué)生無法理解，所以便談不上運(yùn)用，最終也是無效的.導(dǎo)致的結(jié)果是學(xué)生一聽就懂，一做就錯(cuò).究其原因是學(xué)生根本就沒有理解這類問題的前因后果，它們只知其然而不知其所以然.云里霧里，不知道問題出在哪里.

誤區(qū)4.力的“效果分解法”可能會(huì)把學(xué)生導(dǎo)向錯(cuò)誤的方向.老師花大量的篇幅來講解力的效果分解法，會(huì)讓學(xué)生覺得效果分解法很重要，他們會(huì)花大量的時(shí)間去訓(xùn)練效果分解法，這是得不償失的，對(duì)后面的學(xué)習(xí)也是沒有多大幫助的.因?yàn)槲覀冎溃Φ姆纸馐菫榱税褟?fù)雜問題簡單化，是為了解決力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系服務(wù)的，僅僅是解決問題的一種手段和方法.如果說非要采用效果分解的時(shí)候，應(yīng)該從“改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)”的效果上來綜合分析才是最佳的.對(duì)比人教社2004版和2019版的教材筆者發(fā)現(xiàn)，為了讓教師和學(xué)生們不在力的分解上浪費(fèi)過多的時(shí)間，2019版已經(jīng)把力的分解與合成編排成一節(jié)內(nèi)容，大大的弱化了分解的內(nèi)容.所以我們應(yīng)該及早走出傳統(tǒng)力的分解教學(xué)，這樣做無疑減輕了教師教學(xué)的負(fù)擔(dān)和學(xué)生學(xué)習(xí)的負(fù)擔(dān)，有利于增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的自信心.

如何才能避免以上的誤區(qū)，筆者給出的下列幾點(diǎn)建議供教學(xué)參考.

4 教學(xué)建議

4.1 堅(jiān)持以新課標(biāo)為指導(dǎo)

課程標(biāo)準(zhǔn)是教學(xué)的指揮棒，是教學(xué)必須要達(dá)到的基本要求.作為教師，備課前必須研讀課程標(biāo)準(zhǔn)，按照新課標(biāo)的要求進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì).切勿提高教學(xué)難度增加學(xué)生的負(fù)擔(dān)，打擊學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性.2017年版高中物理新課標(biāo)對(duì)力的分解有明確的指示，在能力層次方面已經(jīng)從“理解”層次降為“了解”層次.在目標(biāo)方面要求會(huì)把一個(gè)已知力分解成方向確定的兩個(gè)分力，并能進(jìn)行簡單的運(yùn)用.力的分解與力的合成是相輔相成的，很多情況下，分解的目的是為了合成.力的合成與分解應(yīng)該在具體的情境中，結(jié)合受力分析、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)才會(huì)有實(shí)際意義和價(jià)值.所以專家指出在新課標(biāo)這節(jié)書中降低了能力層次的要求是合理的，因?yàn)閷W(xué)生還沒有學(xué)習(xí)力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，降低難度不能理解為力的分解與原來相比已經(jīng)不重要了.考慮到學(xué)生目前的認(rèn)知，關(guān)于力的分解的意義會(huì)在以后的教學(xué)中循序漸進(jìn)的推進(jìn).

4.2 堅(jiān)持以教材為根基

教材是專家經(jīng)過多次改編、審閱、修訂而成的.具有權(quán)威性、嚴(yán)謹(jǐn)性、基礎(chǔ)性、邏輯性、系統(tǒng)性等特點(diǎn).一個(gè)已知力應(yīng)該怎么分解呢？通讀人教社2004版高中物理必修一第3章第5節(jié)“力的分解”后筆者發(fā)現(xiàn)，整節(jié)書沒有提到“效果分解”這4個(gè)字.這就說明，教材編寫的專家已經(jīng)注意到“效果分解法”存在一定的缺陷，沒有多大的實(shí)際意義，所以教材避而不談“效果分解法”.教材中有這樣一句話：一個(gè)已知力究竟應(yīng)該怎樣分解，要根據(jù)“實(shí)際情況”確定.什么叫“實(shí)際情況”呢？也就是根據(jù)實(shí)際需要來進(jìn)行分解.以斜面上物體所受重力的分解為例，教材是這樣編寫的：現(xiàn)在需要沿平行于斜面的方向和垂直斜面的方向?qū)ξ矬w的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行研究，為此建立直角坐標(biāo)系.現(xiàn)在把重力G沿兩個(gè)坐標(biāo)軸的方向分解即可.作出平行四邊形定則，找出分力與合力的幾何關(guān)系.受此啟發(fā)，科學(xué)探究1中如何分解拉力F呢？當(dāng)我們需要研究箱在水平面的運(yùn)動(dòng)情況和豎直面的運(yùn)動(dòng)情況時(shí)，就把拉力F分解到水平方向和豎直方向.這樣分解的優(yōu)點(diǎn)是：一是減輕了學(xué)生學(xué)習(xí)的負(fù)擔(dān)，只需要學(xué)生會(huì)把力分解到需要的方向上即可；二是有效的規(guī)避了效果難找的問題，規(guī)避了受力分析時(shí)容易多加分力的問題，規(guī)避了科學(xué)探究2中物體對(duì)斜面的壓力和重力垂直斜面的分力常?；煜磺宓膯栴}；三是不管物體在斜面上是靜止還是運(yùn)動(dòng)的，這種分解都可以.所以這種分解方法為力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系打下基礎(chǔ)，潤物細(xì)無聲地培養(yǎng)了學(xué)生們核心素養(yǎng)之“相互作用觀”與“力和運(yùn)動(dòng)的觀念”.

4.3 堅(jiān)持以素養(yǎng)為核心

“高中物理學(xué)科核心素養(yǎng)”是高中物理學(xué)科育人的核心要素，其目標(biāo)是學(xué)生通過高中物理的學(xué)習(xí)，逐步形成正確的價(jià)值觀、必備的品格和關(guān)鍵的能力.那么在力的分解中可以去培養(yǎng)學(xué)生的哪些核心素養(yǎng)？

（1）可以培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維能力.

比如通過再次分析合力與分力具有等效替代的關(guān)系，可以進(jìn)一步深化學(xué)生對(duì)“等效替代法”的認(rèn)識(shí)，深化學(xué)生對(duì)矢量運(yùn)算的認(rèn)識(shí).從拖拉機(jī)拉耙、人拉箱等生活情境出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生從生活走向物理，從物理走向科技，可以培養(yǎng)學(xué)生構(gòu)建物理模型的能力.從斜面上物體重力的分解，改變斜面的傾角的大小，分力大小隨之改變，引導(dǎo)學(xué)生思考高大的橋?yàn)槭裁匆ㄩL長的引橋，為什么要修建盤山路，培養(yǎng)學(xué)生把物理知識(shí)運(yùn)用于生活的能力.

（2）可以培養(yǎng)學(xué)生的物理觀念.

力的分解根據(jù)實(shí)際需要來進(jìn)行：通常需要研究某兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)情況（一般這兩個(gè)方向相互垂直，為正交分解打下基礎(chǔ)），所以要把力分解到這兩個(gè)方向上.教材之所以這樣做，從邏輯上來說，為后面牛頓運(yùn)動(dòng)定律打下基礎(chǔ)，從核心素養(yǎng)的角度上看，這是為了更好的培養(yǎng)學(xué)生的“運(yùn)動(dòng)與相互作用觀”.斜面上的物體之所以和斜面接觸擠壓，是運(yùn)動(dòng)和相互作用的結(jié)果.

（3）可以培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究的能力.

科學(xué)探究設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)1、2不應(yīng)用來探究一個(gè)力如何分解，而應(yīng)該用來驗(yàn)證力的分解是正確的.學(xué)生已經(jīng)儲(chǔ)備了同一直線上二力平衡的知識(shí)，如圖5所示，把彈簧秤和臺(tái)秤換成拉力傳感器和壓力傳感器（沒有拉力傳感器利用臺(tái)秤和測力計(jì)也可以完成，誤差要大一些），選用表面比較光滑的斜面體和物塊，利用拉力傳感器和壓力傳感器測出T和N的大小.測出斜面的傾角θ，利用計(jì)算機(jī)算出F1和F2的大小，分別比較T和F1與N和F2的大小，在實(shí)驗(yàn)誤差范圍內(nèi)驗(yàn)證力的分解的正確性.

增加這樣的驗(yàn)證環(huán)節(jié)不僅創(chuàng)造性地使用了教材，更是有利于提升學(xué)生科學(xué)探究能力，培養(yǎng)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)操作過程中發(fā)現(xiàn)問題、探索問題、解決問題的能力.分解環(huán)節(jié)的驗(yàn)證與合成環(huán)節(jié)的驗(yàn)證前后呼應(yīng)，再次證明了力矢量運(yùn)算遵循平行四邊形定則，更加有利于學(xué)生去理解合成與分解互為逆運(yùn)算，為理解矢量運(yùn)算打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).驗(yàn)證的過程構(gòu)建模型，將復(fù)雜問題簡單化，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生模型的建構(gòu)能力有很好的幫助.

圖5

（4）可以培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作、科學(xué)態(tài)度、價(jià)值觀和責(zé)任感.

設(shè)計(jì)應(yīng)用和驗(yàn)證環(huán)節(jié)后，學(xué)生經(jīng)歷了真實(shí)的科學(xué)探究環(huán)節(jié)，領(lǐng)悟了科學(xué)的探究方法，總結(jié)出規(guī)律，體驗(yàn)了探究的樂趣，激發(fā)了學(xué)習(xí)的興趣，培養(yǎng)了學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)求真的態(tài)度.同時(shí)教會(huì)學(xué)生要用學(xué)會(huì)的規(guī)律來解決實(shí)際問題，要讓學(xué)生養(yǎng)成理論聯(lián)系實(shí)際的良好習(xí)慣，深刻地理解科學(xué)的魅力和價(jià)值.

核心素養(yǎng)的提出，為高中物理的教學(xué)指明了前進(jìn)的道路，要讓學(xué)生形成正確的價(jià)值觀、必備的品格和關(guān)鍵的能力，課堂教學(xué)無疑是培養(yǎng)的主陣地.作為教師，課堂實(shí)施必須轉(zhuǎn)變觀念，以學(xué)生為本，大膽的放手讓學(xué)生嘗試去做，去講、去練，去培養(yǎng)學(xué)生敢于猜想、勇于探究的意識(shí).課堂設(shè)計(jì)要以學(xué)生的認(rèn)知水平為起點(diǎn)，由感性認(rèn)知上升到理性認(rèn)識(shí)，由特殊到一般，層層遞進(jìn)，逐漸升華，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣和科學(xué)探究的方法，形成探索物理規(guī)律的一套方法.

5 結(jié)束語

如何在“力的分解”教學(xué)過程中培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)，讓學(xué)生從生活走向物理，從理論走向?qū)嵺`，從會(huì)做題到會(huì)解決實(shí)際問題，這是所有物理教師都要思考的問題.在教學(xué)理念、教材分析、學(xué)情分析、教學(xué)設(shè)計(jì)、小組實(shí)驗(yàn)等教學(xué)環(huán)節(jié)均要進(jìn)行細(xì)致深入的研究.

筆者查詢了現(xiàn)有各版本的教材，發(fā)現(xiàn)對(duì)力的分解有不同的處理方式：魯科版的教材從力產(chǎn)生的效果角度進(jìn)行分解，此方法是傳統(tǒng)的分解方法，是現(xiàn)行用得最多的方法.人教社2004版教材對(duì)如何進(jìn)行分解總結(jié)為4個(gè)字“實(shí)際情況”；人教社2019版，把力的分解與合成合并成了一節(jié)書，只講力的分解與合成互為逆運(yùn)算.可見，教無定法，無論哪一種分解方式，目的都是為了更好地落實(shí)教學(xué)目標(biāo)，有利于提升學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng).