運用“思維圖象法”開展高中物理《動能定理應用》的教學

摘 要：如何提高學生抽象思維能力的研究延續至今，然而學生之間的差異性使得部分學生無法達到較高的抽象思維水平.根據數學教父薩爾曼？可汗的可視化教學理念，嘗試如果能夠把物理教學從抽象變為形象，即達到物理思維過程的可視化，就可以實現所有學生都能學好物理的夢想，這種方法稱為“思維圖象法”.本文借助《動能定理應用》這節課展示思維圖象法的教學過程，分析這種方法的優缺點.

關鍵詞：物理教學；思維圖象法；可視化；啟發

作者簡介：張萱（1982-），男，碩士研究生，中學一級，研究方向物理教育教學及競賽輔導.

如今很多學生對高中物理望而生畏，主要原因是學好物理需要有較強的抽象思維能力，而抽象思維能力是隨著人的年齡增長逐步形成的.如果我們教師一味要求學生提高抽象思維能力，的確可以培養一些物理方面的優秀人才，同時也會讓另一些學生感到望塵莫及.既然不能讓所有學生都具有較好的抽象思維力，教師不如對物理課堂教學進行改善.

美國數學教父薩爾曼·可汗給了我們啟示，可汗以電腦為平臺，憑記憶制作出大部分數學輔導視頻，他的教學形象生動，由淺入深，學生可以輕松地看可汗老師如何講，如何寫，如何做，進而能夠理解其如何想，從而達到非常好的教學效果.截至目前，已有5600萬人次觀看他的“教學錄像”.美國有2萬多所學校，數學課老師不再講課，讓學生觀看薩爾曼的視頻，老師只負責答疑.受薩爾曼·可汗啟發，我們也可以通過細致地講解使物理規律變得形象，通過規范的板書讓物理思維過程可視化，努力讓物理教學從模糊到清晰，從復雜到簡單.這樣就既能完成物理教學任務，長期以往也能讓學生在學習過程中進一步提高科學素養，培養學習物理的興趣.力爭做到思維過程可視化，我們稱為“思維圖象法”，就要求物理教師在講解物理問題時做到講解，引導，板書，說明同步進行.讓學生實實在在地看到教師是如何按部就班地解決問題.學生在可視化的指導下做到從模仿到領悟，從嘗試到熟練.本文以高中物理教科版《動能定理應用》這一課為例，談談如何開展思維圖象法教學.

1 案例

本節內容是高中物理教科版《必修2》第四章第四節內容，動能定理是本章的重點之一，也是整個力學的重點之一，對學生以后的學習有著舉足輕重的地位.本節課的重點是掌握動能定理解題的思路和一般步驟和認識利用動能定理解題的優越性.圍繞這個重點，本節課在復習了動能定理的相關知識后，展開了三道例題的分析.

例1 如圖1所示，質量為m的鋼珠從高出地面h處由靜止自由下落（不計空氣阻力），落到地面進入沙坑s停止，求：

（1）鋼珠在沙坑中克服阻力做功Wf；

（2）鋼珠在沙坑中所受平均阻力.

師：本題研究對象？物體做什么運動？物體各階段受到哪些作用力？

（教師邊說邊把這些要問的問題寫在黑板上或用PPT展示，要可視化）

生1：研究對象是鋼珠；鋼珠先做自由落體運動，后進入沙坑做減速直線運動；自由落體階段只受重力，進入沙坑后受重力和阻力.

（在學生說的過程中，教師要畫出受力分析或用PPT展示，實現可視化.雖然很多教者為節約時間，反對教師過多地浪費板書的時間，但是不這樣做，無法做到可視化.夸美紐斯一直提倡直觀性原則，而“看”是所有感觀中最直觀的.）

師：本題如果采用動能定理，應該選取哪兩個狀態？

生2：選擇高度為h的初始時刻為初態1，靜止到沙坑里為末態2.

師：這一過程中哪些力做功，做什么功？

學生3板演：以鋼球為研究對象，從開始下落到停在沙坑過程中，重力做正功WG，沙坑的阻力做負功Wf.由動能定理有

WG+Wf=E2—E1

Wf =—WG=—mg（h+s）.

所以，鋼珠在沙坑中克服阻力做功mg（h+s）.

（很多教師會在阻力做功求解后，告訴學生克服阻力做功要去掉負號.但通過實踐，教師邊說邊寫，學生印象更深刻，效果更好）

設平均阻力為f由W=Fs，得

Wf=mg（h+s）=fs

f=mg（h+s）/s.

教師總結：分析研究對象做怎樣的運動，分析運動過程中的受力情況，明確各力做功情況，即是否做功，是正功還是負功.找出研究過程中物體的初、末狀態的動能（或動能的變化量）.

總結思路：（學生歸納總結，教師在黑板板書，必須讓所有學生做好記錄）

（1）選擇研究對象，選擇運動過程.

（2）對研究對象進行受力分析、運動分析和做功分析.

（3）選擇恰當的運動過程，并確定始末狀態的動能E1和E2.

（4）列出動能定理表達式W合= E2- E1，并求解.

師：本題能否用牛頓第二定律解答，如果能，應怎樣選取過程？每個過程首先求什么？

生4：可以，必須分兩段，每段都必須受力分析得到加速度.

師：請大家抓緊時間利用牛頓定律求解.

生5板演.

學生小組討論后，得出結論：動能定理能夠求解多個不同狀態的過程，更為簡便.

例2 一個質量為m的物體，從傾角為θ，高為h的斜面上端A點由靜止開始下滑到B點時的速度為v；然后又在水平面上滑行s的位移后停止在C點.（假設從斜面到水平面速度大小不變）如圖2所示.設物體在斜面上和在水平面上的動摩擦因數相同，求全過程物體克服摩擦力做的功.

師：請按剛才總結的思路進行分析.

生6：研究對象為質量為m的物體；研究過程為全過程.物體運動分斜面勻加速下滑和平面勻減速滑行.

師：請學生自己畫出各階段受力情況.

（在學生畫圖的同時，教師在黑板上展示正確規范的受力情況.以便學生自己完成后核對，加深印象，并“看”教師的規范解法.這個過程部分教師有兩個誤區：一是簡單口頭描述一遍后讓學生訂正；二是拿有問題的學生進行投影糾正.無論哪種都不及用自己結果與標準答案對比來得直接有效.尤其是學生還沒有達到熟練的程度）

師：請學生分析各個過程各個力做功情況.（如圖3）

生7：物體從A—B勻加速下滑，重力做正功，摩擦力做負功，彈力不做功.

物體從B—C勻減速運動，摩擦力做負功，重力、彈力不做功.

整個過程，重力做正功，摩擦力做負功，彈力不做功.

師：請兩位同學上黑板列式.

生8：根據動能定理有 mgh+Wf=0-0

則 Wf=-mgh

所以克服摩擦力做功為mgh.

（即使之前有所強調，但最后一句話教師必須認真地書寫在黑板上.好的習慣要重復多次，缺少嚴格寫在黑板上，學生往往印象不深刻）

此題也有學生會采用分段處理，甚至用牛頓第二定律.可以讓學生小組討論，分析動能定理的優缺點.

教師總結：用牛頓第二定律解答，過程要求細致，較復雜；用動能定理解答，由于不涉及到中間細致過程，解題簡單，當物理過程越復雜，其優越性越突出.

（同樣要寫在黑板上或用PPT展示，這么長的話，只說不寫，只教師展示，學生不記錄，可能效果為0.這是第二次對比動能定理方法和牛頓第二定律方法，而且這次總結得更全面.）

例3 一個質量為m的物體，從傾角為θ，高為h的斜面上端A點由靜止開始下滑到B點時的速度為v（AB段為圓弧的四分之一）；然后又在水平面上滑行s的位移后停止在C點.（假設從斜面到水平面速度大小不變）如圖4所示.設物體在斜面上和在水平面上的動摩擦因數相同，求：

（1）物體在AB軌道上克服摩擦力做功Wf；

（2）全過程克服摩擦力做功Wf.

師：請按剛才總結的思路進行分析.

生9：研究對象為質量為m的物體，物體運動分曲線加速下滑和平面勻減速滑行，受力情況如圖5所示.

師：請學生分析各個過程各個力做功情況.

生10：物體從A—B沿曲線加速下滑，重力做正功，摩擦力做負功，彈力不做功.

物體從B—C勻減速運動，摩擦力做負功，重力、彈力不做功.

整個過程，重力做正功，摩擦力做負功，彈力不做功.

師：請學生板演整個過程.

生11板演：

研究對象：質量為m的物體.

研究過程：（1）物體在AB軌道上運動

物體受力：重力mg、彈力N1、阻力f1；其中重力做正功，彈力總是垂直軌道不做功，摩擦力做負功.

根據動能定理有 mgh+Wf =12mv2-0

Wf=12mv2-mgh

所以，物體在AB軌道上克服摩擦力做功為

W=mgh-12mv2.

（2）全過程客服摩擦力做功Wf總

物體受力：重力mg、彈力N1、阻力f1；其中重力做正功，彈力總是垂直軌道不做功，摩擦力做負功.

根據動能定理 mgh+Wf總=0-0

Wf總=-mgh

全過程克服摩擦力做功mgh.

教師總結：牛頓定律不易解決變力做功問題，很多情況牛頓定律無法解決.動能定理不考慮中間過程，所以能適用范圍更廣，而且過程簡單.因此解決力學問題應首選動能定理.

（在表達同時也要自己板書，讓學生自己把這句記下來.這是本課第三次分析動能定理方法的優越性，相信教師一遍遍書寫定能讓學生深刻認識到該方法的優點）

2 結束語

采用思維圖象法能夠減輕學生抽象思維的壓力，讓學生看到教師的“思維過程”，從而達到更好的學習效果.

2.1 思維圖象法緊扣夸美紐斯的直觀性原則

常言道：“耳聞不如一見”.傳統物理教學看似在引導學生思考，實則學生以聽居多[1].學生聽講過程中，難免會丟失或誤解教師所講的內容，造成學習效果不佳.思維圖象法的出發點就是要讓學生“看”教師過程，看懂之后自己寫，再“看”自己的思路，對比自己與教師的不足[2]，從而達到知識技能的強化.

2.2 了解學生實際

教育家葉圣陶說：“教材只能作為教課的依據，使學生受益，還要靠教師善于運用，這就要求教師備課時首先要了解學生實際情況.”物理教師備課時常常感嘆部分學生的思維能力跟不上自己的教學節奏.既然我們教師知道學生的思維能力不統一，那就應該思考所有學生都具備的能力是什么.“看”是幾乎所有學生都能夠做到的，所以我們教師就更應該抓住這一點.讓學生在“看”中了解，在“看”中學習，在“看”中領悟.

2.3 思維圖象法迎合了目前流行的“問題引領”教學模式

很多學者如盧梭、福祿貝爾、斯賓塞等都強調問題引導有利于學生學習與研究[3].思維圖象法不僅僅是教師展示自己的思維過程.從上面的教學設計中可以看出，每一個大問題都有很多小問題，在一個接一個小問題被解決后，大問題也就解決了[4].在問題引領下，教師邊講邊展示才會收到更好的效果，才會在潛移默化中讓學生掌握知識與技能.

當然思維圖象法也對教師提出了巨大的挑戰.教師必須在緊張的教學時間中耐心展示自己的思維過程.教師還必須熟練掌握多媒體操作，才能實現這一過程，僅用一支粉筆幾乎無法實現思維圖象法的教學.教師更不能因為是自己展示，就帶有隨意性，必須要把自己的架子放下，把自己看成是學生，該作答時就作答，該用尺時就用尺，該打草稿時就打草稿，一步一步地演示給學生看.在思維圖象法引導下的課堂教學，教師書寫的規范程度直接決定的學生的學習效果.相信經過以后不斷努力和完善，思維圖象法能夠讓更多的學生學好物理，更好地培養學生的科學興趣和素養.

參考文獻：

[1]張誠志. 物理實驗教學中應注重直觀性[J]. 中學物理教學參考. 2015.12.

[2]殷英. 一種簡便直觀分析測試信息的方法——S-P線圖形信息分析[J]. 中學物理教學參考. 2014.14.

[3]金玉芳. 思維導圖在物理概念教學中的應用[J].中學物理. 2014.07.

[4]鮑淑潔. 一種形象直觀理解“能量守恒定律”的方法[J]. 物理教師. 2014.01.