中學物理力學的教學及解題思維能力的訓練討論

蘇東龍

中學物理知識內容是物理學的初級層次。嚴格地講，它的科學性、系統性都受到了一定的限制。它只是闡述了物理學中最基本、最基礎的知識，并不是十分嚴謹的物理理論。其主要內容是經典物理學的基礎知識，其重點教材是力學和電學。今就力學部分，談些看法。

一、教材結構的分析與學習

從全局觀點分析力學部分教材，揭示物理學的基本規律，有目的地提高學生的思維品質，增強學生的物理思維能力，對此應從以下三個方面認真分析教材。

1.力學教材的基本知識結構

牛頓運動定律是經典力學的基礎，也是經典物理的基礎之一。動能定理和動量定理及其守恒定律為經典力學的棟梁。現行教材的體系是先講靜力學，后講運動學，最后講動力學。把牛頓三定律按三、一、二的順序安排，第三定律放在靜力學中講授。這種安排符合由易到難、循序漸進的原則。學習牛頓第二定律時，有力的合成與分解作先行，通過靜力學的教學，要求學生正確理解力的概念。

物體受力分析是力學中的關鍵，幾乎所有的力學問題都要涉及物體的受力分析，所以靜力學教學是最重要的基礎。

“力”要重點講清三種力產生的條件及力的大小和方向，為物體受力分析做好準備。力的三要素，在初中已經講過，對質點來說不會發生關于力的作用點的問題，而對剛體來說，力的作用效果除了跟力的大小和方向有關外，還跟力的作用點的位置有關。教材中雖然沒有明確提出剛體概念，但所說的物體都是指剛體，力的作用點可以沿力的作用線移到剛體內任一點而不改變力的作用效果。因此，與其說力的作用點是一個要素，還不如說力的作用線是一個要素。物體的平衡，用了“平衡”和“固定轉動軸的物體”等理想模型方法；“力的分解和合成”用了分析、綜合、等效的方法。

“物體的運動”用了理想模型(過程模型)的方法。高中教材以初中教材為基礎，先提出質點這個理想化模型，在研究物體在一直線上的運動以后，立即研究物體在一個平面內運動的有關概念、規律和描述方法。運動學是力學的重要組成部分，是學習其它各章的必備知識。對平面運動的速度的合成與分解運用了分析、綜合、等效的方法。

“牛頓運動定律”用了經驗歸納方法論。雖然第一定律不能用實驗直接證明，但由第一定律推導出的一切結論都與實驗結果相符合，這就間接地證明了牛頓第一定律的正確性。牛頓第二定律是通過實驗歸納得出的。在功和能，機械能守恒定律，動量、動量守恒這幾章中，主要是用了推理的方法。如教材中機械能守恒定律是借助于運動學和動力學的知識推導出來的，但應當明確一點，這是一條實驗規律，是實踐經驗的總結，是客觀規律的反映，這些規律能相互推導，這說明它們之間存在著內在聯系。動量定理出自于牛頓第二定律，又異于牛頓第二定律，牛頓第二定律是一個瞬時的關系，而動量定理則說明狀態過程，它可以按過程始末狀態處理物體的動量變化，而不必涉及過程的細節。如果只考慮兩個物體的孤立體系，把牛頓第三定律與牛頓第二定律結合起來，就得到作用前后的總動量不變，我們可以用實驗進行檢驗，牛頓也正是用這個方法驗證牛頓第三定律的。

“振動與波”一章研究的主要方法是從一般到特殊的推理過程，運用了動力學和運動學的基本規律，導出機械波和機械振動規律的新結論。

2.數學是表達物理規律最精確的語言

在教學過程中，只有將教材的結構搞清楚，才能達到運用數學方法解決物理問題的目的。在“力”這一章中，重點解決的是矢量和矢量的運算方法問題。對物理矢量必須透徹理解，掌握其數學運算法則——矢量的平行四邊形法則，引導學生對“代數和”與“矢量和”進行對比，體會它們的差別，從而自覺地運用矢量運算法則。在“物體的運動”這一章中，先提出質點這個理想化模型，并研究質點動力學中的幾個基本概念、位移、速度、加速度等。從數學角度分析這些量之間的函數關系(包括文字敘述、數學公式、函數圖象等)，再進行運動的合成與分解的矢量運算。

在“牛頓運動定律”這一章中，牛頓運動定律起著承上啟下的作用，即能進一步加深對靜力學、運動學知識的理解，又能為順利學習機械能和動量鋪平道路。牛頓第二定律的數學表達式，只有以地球和相對地球靜止或做勻速直線運動的物體為參照系才是適用的。教材由分析物體只受一個力產生加速度與力的關系，過渡到分析物體受幾個力產生加速度，以及加速度與力的關系，從而概括出能適合各種情況的牛頓第二定律的數學表達式∑F=ma在公式中，力與加速度都是矢量，故此式是一個矢量式。牛頓第二定律概括了力的獨立性原理(或力的疊加原理)，即幾個力同時作用在一個物體上所產生的加速度，應等于每個力單獨作用時所產生的加速度的疊加——矢量和。在解題中，運用了正交分解法等基礎知識。

機械能和動量這兩章是在運動學動力學的基礎上，討論力的空間和時間積累效應，從而引出功和能、沖量和動量等概念。功和能將矢量運算變成了代數運算。教材從力對物體做功引出動能和動量定理，研究了重力、彈力做功的特點，引出勢能的概念，得出在只有重力、彈力做功時，機械能守恒。最后，從一般的功能原理闡明功的本質是能量變化的量度作為本章的總結。能的轉換和守恒揭示了物理學各部分的內在聯系。在討論動量定理時，應強調牛頓第二定律的關系式是一個瞬時關系，而動量定理則說明狀態過程，應用它研究某一過程而不是研究某一瞬時，只有在t→0時，才是相等的。實驗是講述動量守恒定律的基礎，教材這樣處理是考慮到動量守恒定律的產生不是從牛頓運動定律推導得出的，而是一個獨立的物理規律，而動量守恒定律的適用范圍遠遠超出牛頓力學的適用范圍。對動量守恒定律的數學表達式沒有具體給出，目的是避免學生只是死記公式，注重培養學生學會運用物理規律對具體問題進行具體分析的能力。在應用動量守恒定律時，應選用慣性系，物體的動量mv、速度v的大小和方向也與參照系的選取有關，應特別注意計算同一系統中各部分的動量不能用不同的參照系。機械振動和機械波是較復雜的機械運動，它需要力學、圓周運動，運動圖象等知識作基礎。簡諧運動是最簡單、最基本的振動。建立振動和波的聯系與區別，是突破機械波教學難點的關鍵。

物理教學即要發展學生的智力，又要培養學生的能力，而后者較前者更為重要。從物理學本身來看，它研究的各種現象和規律是互相聯系的。教學職能即要從人類知識的總匯中挑選最精華的，運用最科學的方法傳授給學生，又要使他們具有獨立獲取知識和駕馭知識的能力。要重視知識的傳授，離開知識的掌握，能力的發展就成為無源之水，無本之木。

3.系統化、結構化的教學

在中學物理教學中，貫穿力學的兩條主線——動能定理和動量定理、機械能轉換和守恒定律及動量守恒定律。這兩個定理、兩個定律來源于牛頓運動定律，與牛頓三定律一起構成質點動力學的基本規律，是力學部分的重點知識。圍繞這兩條主線，要深入分析牛頓運定律，

為這兩個定理打好基礎。動量定理、動能定理是在牛頓定律基礎上派生出來的定理或推論，它們提供的表達式與牛頓運動定律等價，可代替牛頓二定律的矢量表達式中的的某分量式，而不是什么新的表達式。但是動量守恒定律是自然界最普遍的規律之一，能量守恒和轉換定律也反映自然現象的最重要的規律之一。它們的作用遠遠超出了機械運動的范圍。

4.培養學生的獨立實驗能力和自學能力

要培養思想活躍，有創新精神和創造能力的人才，必須加強學生的實驗能力和自學能力。物理實驗是將自然界中各種物理現象在一定條件下，按照一定的物理規律創造一定的條件使它重現。做物理實驗，必須滿足于一定的條件才能獲得預想的結果，如設計實驗步驟、選擇測量儀器、正確觀察現象、完整的讀取數據、嚴格的計算，是做好實驗不可缺少的過程，讓學生按照上述過程有目的的科學訓練，自覺地掌握科學實驗的規律，激發學生的學習積極性就能增強學生靈活運用物理知識解決實際問題的能力。

培養學生的自學能力是教師的一項重要工作任務。調動學生的學習積極性，就得改變由教師“一講到底”的狀況，避免由于教師教學方法的單調，而使學生產生厭煩情緒。

二、解題思維訓練

在重視力學概念、規律教學的同時，把重點放在力學解題的思維過程上，增強學生力學解題思維的自我調控意識。把學生解題過程看作是“獲取信息、思維啟動、思維邏輯、思維深化”的過程。在指導學生解題上，抓以下四個方面：

1、認真審題、明確對象、聯想圖景、啟動思維

力學習題有的給出一個物體，有的給出兩個或多個相關聯的物體。從物理過程看，有的給出部分，有的給出全部。所有的力學解題開始應對研究對象作必要的力圖，進行受力分析，列出公式，代入運算時統一用力學的國際單位制，解題結束應對結果的合理性作出判斷。對題目給定的研究對象進行抽象思維，形成一定條件下的清晰的物理圖景，有助于學生思維的正常啟動。

2、弄清概念、策略認知、分配注意、發散思維

物理概念是物理知識的重要組成部分。物理概念有嚴格的科學界定。同一物理概念在不同的物理學識水平階段嚴密的程度不同。一些能力較差的學生對物理概念的界定模糊不清，思維混亂，無法解題。為了解決這個問題，我引導學生強化以下兩方面意識：(1)強化物理概念的物質意識。每引入一個力學概念，應充分利用實驗或學生生活積累的已有經驗，把物理概念建立在充實的物質基礎上。

(2)強化物理概念的界定意識。速度與加速度二者僅一字之差，都是力學中的重要物理量。一些認知策略較差的學生把速度與加速度歸結在一個“光環”上，認為速度為零，加速度必為零。應區別物體運動快慢與運動狀態變化快慢是速度與加速度的界定。速度和速率、功和功率、動能和動量、重量和質量等也是一字之差，它們的物理意義卻不相同。功和能的單位相同，前者是過程量，后者是狀態量，它們也有嚴格的界定。

學生樹立界定意識可養成良好的科學素質，有利于增強解題思維的自我調控意識。

3、運用規律、感知范圍、網絡信息、邏輯思維

中學的力學內容主要有：牛頓運動三定律、萬有引力定律、機械能守恒定律、動能定理、動量定理、動量守恒定律等。一些能力中下的學生把物理規律成立的條件及適用范圍置于思維盲區，需要對已建立的解題信息加以選擇。

(1)根據物理過程選擇規律。

(2)從已知條件選擇物理規律。

(3)從解題結果檢驗物理規律選擇的合理性。

4、設疑開拓、點撥解惑、觸類旁通、深化思維

課本上的力學習題是教學大綱的最低要求，一些能力較強的學生從中獲取了探求知識的方法，思維敏捷。一些能力較差的學生解題一旦受阻，思維停滯，需要點撥才能展開。通過設疑→點撥→探究→解惑，學生思維進入新的層次。點撥的方式有：

指導點撥，資料點撥，情境點撥，交流點撥，一題多解點撥。

在力學解題中增強解題思維的自我調控意識是發展智力、培養能力、提高素質的必要條件。在力學解題全過程中有計劃、有目標、由簡到繁、循序漸進、反復多次地引導學生自己實踐，是提高力學解題效益的充分條件，對中學生感到力學習題難的心理障礙可以逐漸排除。

總之，以“學科體系的系統性”貫穿始終，使知識學習與智能訓練融合于一體，可形成一個系統的完整框架。所以系統化、結構化的教學，使學生頭腦中形成力學體系的清晰圖象，有益于培養學生的探索精神，從被動的學習轉為主動的學習，才能用自己的智慧和力量去攻克學習難關，取得良好的學習效果。