牛頓定律復習中典型學習障礙的分析及對策

韓志祥

(常州市第三中學　江蘇 常州　213000)

牛頓定律復習中典型學習障礙的分析及對策

韓志祥

(常州市第三中學江蘇 常州213000)

摘 要：學生的學習情況是教師教學的依據，通過作業批改反饋、部分學生訪談等途徑尋找學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題教學策略．

關鍵詞：牛頓定律解題障礙學情分析教學策略 4.1構建圖形情境體會的內隱含義

1研究背景

高三力學復習時經常會出現這樣的問題：學生處理單個物體的受力及運動基本都能夠勝任，但是一旦遇到較為復雜的連接體問題，多數學生會出現各種各樣的差錯．通過對2014年江蘇高考考試說明的分析可知，牛頓定律中要求學生能夠靈活地運用整體法和隔離法處理力學問題，加速度大小不同的連接體問題的計算僅限于兩個物體的情況[1]，也就是說加速度相同的連接體個數不限，如果再加入摩擦力的臨界問題，則顯然會加大學生解題的難度．學生之所以在這兒出現問題，與教師的習題教學策略密切相關，通常教師在習題教學中比較多的是沿著題目本身的內在邏輯展開，直接給出解題程序，但由于很少從學生思維的障礙出發，所以教學的效果并不盡人如意．基于以上思考，調查學生學習情況就具有了一定的研究價值．

2牛頓定律復習中的學情分析

學情分析就是分析學生在學習方面有何特點．包括基礎如何、學習方法怎樣、習慣怎樣、興趣如何等．主要的手段就是通過調查學生解題過程的每一步，剖析其思維的障礙，了解學生迫切需要得到教師怎樣的幫助，從而為教師的有效教學提供最直接的證據．

本次調查的目的是研究學生在牛頓定律分析過程中出現的障礙，最終為有效教學策略的制定提供依據．選取的樣本為一個高三物理班，共計52人，其中男生26人，女生26人．調查的內容是一道自編習題和一道現成習題，主要涉及牛頓定律中的整體法與隔離法的應用．調查的手段主要通過作業批改和部分學生訪談．

2.1作業批改反饋

【例1】溜冰的時候需要人們的腳擺出向后蹬的“外八字”從而產生前進的動力，擺出“內八字”即能產生阻力.圖1所示，是溜冰場上常見的場景“推火車游戲”：不會溜冰的甲和乙腳部基本平行從而使阻力可以忽略不計，而最后一個人丙的腳步呈現“外八字”產生恒定的動力F，若3人的體重相同，求乙對甲的推力是多少？獲得穩定速度后，3人腳部均保持平行．當遇到前面有障礙時，第一個人看見后將腳擺出“內八字”產生恒定的阻力F，其他人保持原狀，求乙對丙的作用力是多少？

圖1　溜冰場上的“推火車”游戲

數據統計與分析：28.8%(15人)的學生所做作業此題完全空白，其中女同學占據了19.2%(10人).因為他們題目都沒能看懂，想象不出所描述的場景是怎樣的，還有學生認為題目給定的條件過少，無從入手．57.7%(30人)的動筆的學生中，基本都是認為乙對甲的力仍然為F，這些人中有7.7%(4人)也是沒理解題意，只是憑感覺寫了個答案，剩余的50%(26人)的人都認為力具有傳遞性，所以都應該是F，當然也有13.5%(7人)學生能夠理解該情境，并能夠成功解答．

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

A．0

圖2

數據統計與分析：從學生解答題目的痕跡看出96.2%(50人)的學生都做了，因為題干部分條件充分，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)的學生在隔離人作為研究對象進行受力分析時出現了障礙：

(1)認為人向右拉繩，所以人受到一個向右的拉力的同學占了28.8%(15人)．

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

(3)認為人受繩子的拉力與摩擦力相等的同學占了38.5%(20人)．

2.2部分學生訪談

(1)學有余力的學生：完成基本沒有什么困難，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，會利用加速度方向準確地進行受力分析，但在遇到多個物體且涉及到摩擦力的臨界問題時，仍然感到比較困難．

(2)大多數學生：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，審題時苦于關鍵信息的挖掘，在頭腦中很難構建清晰的運動過程和受力情景，畫受力分析時，偶爾忘記受力分析的順序、要么少力、多力、要么力的方向畫反、絕大多數學生無法畫出精確的受力分析圖，遇到復雜問題時，大多數時候都未曾考慮過物體的運動狀態，基本默認合力為零，解題中經常憑借回憶曾經做過的類似題型來解題．

(3)學習困難的學生：整個解題環節都處于無序狀態，毫無解題思路可言，喪失學習物理的興趣．

綜上所述，學生在牛頓定律復習過程中的主要問題集中在以下3個方面：審題時無法建立清晰的物理模型，提取不了關鍵信息；研究對象的選取不確定，沒有明確的原則；受力分析圖總是畫不準．

什么原因導致學生會產生上面3種典型的解題障礙呢？

3學生解題障礙成因

3.1審題障礙的生理原因

記憶的生理學研究表明[2]：左腦隨著年齡增大而衰退，負責語言記憶、淺層記憶、少量、低速馬上就會忘記；右腦具有后天開發的可能性，負責圖像性記憶、深層記憶、大量、高速，可以隨時再現．通過分析后，可知，在解題時非常重要的一步就是審題，審題的作用其實就是將大量的難以記憶的的文字內容包括一些隱藏著豐富物理信息的關鍵詞轉化為很容易記憶的圖形內容，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題，所以平衡的認知結構已經穩定建立．當學生遇到新的事物，總是用平衡圖式同化它們，如果獲得成功，原有圖式便會得到鞏固和加強，認識達到平衡；如果失敗，便會調整原有圖式或創立新的圖式以順應現實，使認識達到新的平衡．當然這中間需要自我調節(主觀努力)．自我調節的職責就是保證主體以正確的同化或順應方式實現認知結構的平衡[3]．顯然問題就是出在學生的自我調節環節，當學生思維中同化占據主導就很難建立起非平衡態的正確圖式．所以教師應該從此處入手，通過各種手段培養學生自我調節能力，特別引導學生建立非平衡態圖示并達到順應，打破學生認識的定勢．

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

4基于學情分析的習題教學策略

首先，注重在平時的課內課外進行習題情境教學，滲透關注生活的意識，通過播放視頻，查閱網絡資料充分讓學生了解體育、科技、生活中的物理情境．接著，既然文字情境很難進入記憶長久保存，所以習題教學中要培養學生將之轉化為圖形情境的能力，即建立物理模型．最后，當模型建好后，分析題目中的關鍵詞所隱藏的信息，從而為物理規律及方法的選擇提供充足的條件．

比如例1中的情境教學可以先讓溜過冰的同學表演一下溜冰的“外八字”和“內八字”動作，分析其向前的動力實際上就是冰面對人的摩擦力，向后的阻力也是冰面對人的摩擦力．

例1中的文字情境就可以轉換成下面的圖形情境：

如圖3所示，3個質量相同的物體甲、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

針對例1的審題，特別要理解文字情境中的“外八字”的內隱含義：人的腳如果向后蹬便會受到冰面向前的摩擦力，也就是恒力F．在恒力F推動下，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鍵信息．

4.2排除干擾因素學會聚焦研究對象

分析任何物理問題均始于選取研究對象，研究對象的選取往往是根據問題的需要和條件的多少進行的，如果問題研究的對象不便于分析，往往要通過牛頓第三定律進行研究對象的轉換．

針對力學中的多物體問題，首先，判斷多個物體是否具有共同加速度，如果有，則先整體后隔離，隔離時遵循由易到難的原則，無論是整體法還是隔離法在受力分析前務必做到“聚焦”，聚焦的方法就是利用學生學過的質點模型，忽略研究對象的形狀和大小，這樣便可以排除內力的干擾．研究整體時，將整體看成點，但凡是整體外的物體對它產生的力都得畫在受力分析圖中；研究個體時就將個體看成點，同樣要畫好所受外力．

4.3關注運動狀態確保精準受力分析

學生在聚焦研究對象后，必須結合物體的運動狀態，最關鍵的就是利用加速度方向畫好精準的受力分析圖，當然在此過程中為了避免受力分析時出現多力或者少力，需要引導學生重溫力的定義，即力是物體間的相互作用．為了讓學生更有針對性地使用力的定義，可以具體轉換為以下的模式：誰對研究對象施加了朝哪邊的什么力．同時還要牢記受力分析的順序：先場力后接觸力．在平時的受力分析過程中加強對學生的專門訓練，從而最終讓學生學會精準的受力分析．

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

根據“誰對研究對象施加了朝哪邊的什么力”進行分析，人向右拉繩，受力物體是繩，但是我們選擇的研究對象是人和車，所以必須進行研究對象的轉換，根據牛頓第三定律可知，繩必定對整體中的人施加了水平向左的拉力，同時繩子也對整體中的小車施加了水平向左的拉力，因為滑輪不改變力的大小，所以均為F，人與車之間的力屬于內力，不能畫出，所得受力分析圖如圖4所示，可知

方向水平向左.然后，選擇人作為研究對象．

圖4

根據加速度的方向水平向左，依據“誰對研究對象施加了朝哪邊的什么力”進行分析，繩子對人施加了水平向左的拉力，車子對人施加了靜摩擦力，由于方向未知，可以采用假設法，假設車子對人施加了水平向右的靜摩擦力，根據加速度的方向可知，必有如圖5所示的關系

圖5

最后，討論f的可能性．f取決于M與m的質量關系，共有3種可能，所以答案得以確定．

5應用策略后的效果評價

在整個牛頓定律的章節復習中，始終利用上述策略進行教學，當然教學效果如何一定得通過實踐的檢驗．下面利用一道自主改編的較為復雜的難題，測試學生學習的效果．

【例3】在光滑的水平面上放置了兩個質量均為m小木塊，中間用一不可伸長的輕繩相連，在兩小木塊上有分別疊加了兩個質量均為3m的大木塊，其中，木塊間的動摩擦因數為μ且最大靜摩擦力近似等于滑動摩擦力．現用水平拉力向外側拉其中一個大木塊，使4個木塊無相對滑動地一起向右運動，則輕繩對小木塊的最大拉力為多少？

5.1學情分析

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

圖6

全班有88.5%(46人)的學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)的學生成功地隔離了(A+B)整體作為研究對象，如圖7(b)所示.

(a)　　　　　　　(b)

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

fmax=4mamax

amax=μg

Tmax=4μmg

圖8

此題到這并沒有結束，因為有兩個接觸面可能會達到最大靜摩擦，究竟誰先達到最大靜摩擦，需要比較．當然學生到這兒僅有15.4%(8人)進行比較.

重新選擇(A+B+D)為研究對象，如圖9所示.

圖9

5.2效果評價

本題是整體法與隔離法的一道復雜問題，從學生的學情分析可以看出，學生應用基于學情分析的教學策略效果已經顯現，有48.1%(25人)的學生能夠得到最大拉力的Tmax=4μmg，盡管結果仍然錯誤，但是，學生們已經抓住了基本的解題要領，變得更加規范，更加有的放矢．

6結語

新課程倡導在教學中要以生為本，其落腳點就在于對學生學情進行細致分析，找到學生思維上的障礙，在習題教學中培養學生構建物理圖景、充分挖掘條件，排除干擾、學會聚焦，關注運動狀態，提高精準受力分析的能力，就可以有效地解決學生在牛頓定律學習中的困惑．

參 考 文 獻

1江蘇省教育考試院．2014年江蘇省普通高中學業水平測試(選修科目)說明．南京：江蘇教育出版社，2014

2王婷婷，莫雷，舒斯云．記憶編碼與提取過程的腦機制．生理學報， 2009(5)：397

3汪鳳炎,燕良軾．教育心理學新編．廣州：暨南大學出版社，2011.266

收稿日期：(2015-04-08)