基于深度學(xué)習(xí)的高中物理教學(xué)實(shí)踐與思考*
——以“共點(diǎn)力的平衡之‘死結(jié)’和‘活結(jié)’模型”教學(xué)為例

張 麗

(烏魯木齊市天山區(qū)教研室 新疆 烏魯木齊 830000)

劉杭州

(烏魯木齊市實(shí)驗(yàn)學(xué)校 新疆 烏魯木齊 830026)

深度學(xué)習(xí)是指在教師的引領(lǐng)下,學(xué)生圍繞著具有挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)主題,全身心積極參與、體驗(yàn)成功、獲得發(fā)展的有意義的學(xué)習(xí)過程[1].要深度學(xué)習(xí)真實(shí)發(fā)生需要學(xué)生的全情參與、深度思考、理解知識(shí)并遷移應(yīng)用,同時(shí)對(duì)教師提出了更高層次的要求——深度備課.課堂是學(xué)習(xí)的主陣地,課堂效率決定了大多數(shù)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況,一堂好課是教師和學(xué)生共同創(chuàng)造的,教師是先行者、節(jié)拍器、領(lǐng)路人.基于教師深度思考、精心準(zhǔn)備的教學(xué)設(shè)計(jì)才有可能促成學(xué)生深度學(xué)習(xí),發(fā)展核心素養(yǎng).

1 研讀教材 明確目標(biāo)

2019版人教版高中物理教材把“共點(diǎn)力的平衡”作為單獨(dú)的一節(jié)內(nèi)容安排在了“相互作用”一章的最后一節(jié),并且新課標(biāo)明確要求“能用共點(diǎn)力的平衡條件分析生產(chǎn)生活中的問題”[2].整個(gè)章節(jié)都是為本節(jié)內(nèi)容服務(wù)的,因?yàn)楣颤c(diǎn)力平衡的應(yīng)用是學(xué)生形成良好相互作用觀念的奠基石.教材中用典型例題和課后習(xí)題相配合,試圖讓學(xué)生分析多種情況下物體處于平衡態(tài)的受力情況及解決方法.共點(diǎn)力平衡問題主要有兩個(gè)方面,一是物體受力平衡,二是結(jié)點(diǎn)受力平衡.本節(jié)課主要應(yīng)用共點(diǎn)力的平衡條件解決結(jié)點(diǎn)多種情況下受力的靜態(tài)平衡和動(dòng)態(tài)平衡問題.

2 創(chuàng)設(shè)情境 引發(fā)思考

從生活中常見的簡(jiǎn)單問題入手,創(chuàng)建所有學(xué)生都可參與的開放性物理情境,牢牢抓住學(xué)生的興趣點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)的第一步.

問題:實(shí)驗(yàn)演示儀器如圖1所示,同學(xué)們有什么辦法可以在手不直接接觸并且繩子不松弛的情況下,把懸掛在支架上的物體運(yùn)送到更高的位置?

圖1 實(shí)驗(yàn)演示儀器圖

設(shè)計(jì)意圖:學(xué)生支招,教師引導(dǎo),引入“死結(jié)”靜態(tài)平衡問題.

3 一題多解 聚焦核心

情景1:如圖2所示,質(zhì)量為m的物體用輕繩AB懸掛于支架上.輕繩OC與AB結(jié)于O點(diǎn),作用于OC水平向左的拉力F1使物體處于靜止?fàn)顟B(tài),OA與豎直方向的夾角為θ,用F2表示繩OA段拉力的大小.則F1和F2分別為多大?

圖2 情景1模型圖

實(shí)驗(yàn)演示:用藍(lán)色繩子在紅色繩子適合的位置綁一個(gè)“死結(jié)”,將結(jié)點(diǎn)移動(dòng)至圓心,保證藍(lán)色繩子水平并固定,演示情景1,如圖3所示.

圖3 情景1演示圖

設(shè)計(jì)意圖:引導(dǎo)學(xué)生采用合成法和分解法等多種方法解決問題,讓學(xué)生體會(huì)共點(diǎn)力的平衡的實(shí)質(zhì)是將多力平衡轉(zhuǎn)化為二力平衡.深入理解平衡條件及應(yīng)用平衡條件解決問題的方法.

4 一題多變 體會(huì)方法

情景2：如圖4所示,若使O點(diǎn)固定不動(dòng),OA與OC垂直,OA與豎直方向的夾角為θ,分別用F1和F2表示繩OC段和OA段拉力的大小.則F1和F2分別為多大?

圖4 情景2模型圖

實(shí)驗(yàn)演示:在情景1的基礎(chǔ)上,移動(dòng)藍(lán)色繩子固定位置,演示情景2.

情景3:如圖5所示,若使O點(diǎn)固定不動(dòng),OC豎直,OA與豎直方向的夾角為θ,分別用F1和F2表示繩OC段和OA段拉力的大小.則F1和F2分別為多大?

圖5 情景3模型圖

實(shí)驗(yàn)演示:在情景1的基礎(chǔ)上,移動(dòng)藍(lán)色繩子固定位置,演示情景3.

設(shè)計(jì)意圖:引導(dǎo)學(xué)生在結(jié)點(diǎn)不動(dòng)的情況下,將動(dòng)態(tài)平衡拆分后的靜態(tài)平衡問題應(yīng)用合成法解決.在解決問題的過程中,體會(huì)共點(diǎn)力的平衡問題的解決方法.

情景4:如圖6所示,若使O點(diǎn)固定不動(dòng),將OC繩的C端沿半圓支架從水平位置緩慢移動(dòng)至豎直位置,則F1和F2如何變化?

圖6 情景4模型圖

實(shí)驗(yàn)演示:在情景1的基礎(chǔ)上,移動(dòng)藍(lán)色繩子固定位置,演示情景4.

設(shè)計(jì)意圖:引導(dǎo)學(xué)生在結(jié)點(diǎn)不動(dòng)的情況下,通過觀察、體會(huì)、思考結(jié)合情境1、2、3中的靜態(tài)平衡問題應(yīng)用圖解法解決結(jié)點(diǎn)不動(dòng)的動(dòng)態(tài)平衡問題,如圖7所示.引導(dǎo)學(xué)生理解動(dòng)態(tài)平衡問題的實(shí)質(zhì)是將多個(gè)靜態(tài)問題歸一,在變中找不變,在不變中找變.讓學(xué)生形成解決動(dòng)態(tài)平衡問題的思維方法.

圖7 動(dòng)態(tài)平衡圖解法示意圖

5 結(jié)點(diǎn)移動(dòng) 遷移應(yīng)用

情景5:如圖8所示,用作用于OC水平向左的拉力F1緩慢拉動(dòng)繩的結(jié)點(diǎn)O,OA與豎直方向的夾角θ(θ<90°)逐漸增大的過程中,F1和F2如何變化?

圖8 情景5模型圖

實(shí)驗(yàn)演示:保證藍(lán)色繩子水平,演示情景5.

設(shè)計(jì)意圖:引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用解決結(jié)點(diǎn)不動(dòng)的動(dòng)態(tài)問題的思維方法解決結(jié)點(diǎn)移動(dòng)的動(dòng)態(tài)問題.讓學(xué)生徹底領(lǐng)悟解決動(dòng)態(tài)平衡問題的思維方法.

小結(jié):“死結(jié)”模型由于受結(jié)點(diǎn)的約束,繩子被分成了彼此獨(dú)立的兩段,且結(jié)點(diǎn)位置不可沿繩子方向移動(dòng),受力一般不相等.

6 層層推進(jìn) 變?yōu)椤盎罱Y(jié)”

情景6:如圖9所示,輕繩AB一端固定于支架上,另一端繞過動(dòng)滑輪(滑輪質(zhì)量忽略不計(jì))懸掛一質(zhì)量為m的重物,輕繩CO一端與動(dòng)滑輪相連,另一端固定于C點(diǎn),當(dāng)重物處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí),輕繩AB與滑輪結(jié)于O點(diǎn),OA與豎直方向的夾角為θ.則輕繩CO的拉力F1和輕繩OA的拉力F2分別為多大?

圖9 情景6模型圖

實(shí)驗(yàn)演示:加入滑輪,演示情景6,如圖10所示.

圖10 情景6演示圖

設(shè)計(jì)意圖:將“死結(jié)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤盎罱Y(jié)”,通過解決“活結(jié)”的靜態(tài)問題讓學(xué)生體會(huì)“活結(jié)”模型的本質(zhì)是“菱形”問題,并引導(dǎo)學(xué)生對(duì)“菱形”問題的動(dòng)態(tài)變化情況加以分析,掌握“菱形”問題的解決方法[3].

情景7:一物體用輕繩AB懸掛于支架上,用力F1拉住套在輕繩上的動(dòng)滑輪(滑輪質(zhì)量忽略不計(jì)),系統(tǒng)在圖11所示位置處于靜止?fàn)顟B(tài),此時(shí)輕繩OA與豎直方向的夾角為α,力F1與豎直方向的夾角為β.當(dāng)緩慢拉動(dòng)圓環(huán)使α(α<90°)增大時(shí),F1、F2和β如何變化?

圖11 情景7模型

實(shí)驗(yàn)演示:緩慢拉動(dòng)藍(lán)色繩子端點(diǎn),演示情景7.

情景8:如圖12所示,輕質(zhì)不可伸長(zhǎng)的輕繩兩端分別固定在支架和豎直桿的A、B兩點(diǎn),將質(zhì)量為m的重物用光滑掛鉤掛于繩上處于靜止?fàn)顟B(tài),現(xiàn)將B點(diǎn)向上移動(dòng)至B′,繩子拉力如何變化?若要增大繩子的拉力如何操作?

圖12 情景8模型圖

實(shí)驗(yàn)演示:緩慢移動(dòng)紅色繩子端點(diǎn),演示情景8,如圖13所示.

圖13 情景8演示圖

設(shè)計(jì)意圖:通過對(duì)“分力不變,合力變”和“合力不變,分力變”兩類“菱形”動(dòng)態(tài)問題(圖14)的研究,讓學(xué)生深化對(duì)共點(diǎn)力平衡問題的理解,更進(jìn)一步地體會(huì)共點(diǎn)力平衡狀態(tài)下相關(guān)問題的解決方法.

圖14 “菱形”動(dòng)態(tài)平衡圖

小結(jié):活結(jié)模型由于繩子繞過光滑的滑輪、圓環(huán)、掛鉤等把繩子分為兩段,由于接觸處對(duì)繩子無約束,結(jié)點(diǎn)(接觸點(diǎn))可自由移動(dòng),繩子上的拉力始終相等[3].

課后思考：生活中常見的“死結(jié)”和“活結(jié)”模型的應(yīng)用都有哪些?

7 歸納總結(jié) 及時(shí)反思

深度學(xué)習(xí)核心要義是通過有意義的學(xué)生實(shí)驗(yàn)等探究活動(dòng)提升學(xué)生的思維層級(jí),及時(shí)地反思和歸納總結(jié)對(duì)學(xué)生的思維發(fā)展起到關(guān)鍵性作用,通過深入的思考透過表象,尋找事物的本質(zhì),總結(jié)解決問題的基本方法.不論是靜態(tài)的平衡還是動(dòng)態(tài)的平衡,都屬于平衡態(tài).不論是“死結(jié)”和“活結(jié)”還是其他共點(diǎn)力平衡的問題,都是基于共點(diǎn)力的平衡條件來解決問題的.不論應(yīng)用合成法還是分解法,最終都要轉(zhuǎn)化為最基本的二力平衡來解決.

8 結(jié)束語

深度學(xué)習(xí)并不是學(xué)生的獨(dú)立行為,要促使深度學(xué)習(xí)在教學(xué)環(huán)境中真實(shí)發(fā)生,取決于教師對(duì)課堂教學(xué)的探索,如教師的備課、教學(xué)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、個(gè)人經(jīng)歷、積極程度、思維方式等都深刻地影響著教學(xué)的進(jìn)行.只有教師的精心準(zhǔn)備、正確引導(dǎo)才能讓大多數(shù)學(xué)生擁有深度思考的環(huán)境.本節(jié)課令人遺憾的是沒有傳感器,無法現(xiàn)場(chǎng)探究力的變化情況,如果使用彈簧測(cè)力計(jì)會(huì)導(dǎo)致結(jié)點(diǎn)的變化,這導(dǎo)致多數(shù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容只能給予學(xué)生一個(gè)“物理情景”,不能達(dá)到探究或驗(yàn)證的作用.