搭建自制教具平臺突破高中力學習題中疑難問題的教學策略

邵志慧 何少榮

摘要：力學是高中物理課程的重要內容，也是學生學習困難較多的內容之一。基于高中力學習題中常見的疑難問題，制作相應的力學教具，模擬再現有關力學情境，搭建教與學的實驗探究平臺，可以有效改進高中力學疑難問題的教學現狀，提高學生的學習興趣和學科素養。

關鍵詞：自制教具;疑難問題;教學策略

中圖分類號：G633? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

眾所周知，學生進入高中后，在學習物理力學知識的過程中，困難重重。究其原因主要為兩個方面：其一，高一力學知識的容量和難度相對于初中物理增加很多，抽象思維和綜合分析能力要求更高，習題量大且情景復雜。其二，高中物理教師在實際教學中，重理論分析、輕實驗探究，學生缺乏問題情境體驗和實驗探究活動。筆者通過多年的教學實踐和課題研究認為，用自制教具搭建高中力學疑難問題教學平臺，是解決力學習題中疑難問題的有效途徑之一。

1? 高中“力學習題”中疑難問題的表現及其特點

高中物理教學中力學疑難問題的類型、表現和成因有很多，有的是物理學科本身形成的，有的是學生的認知能力、邏輯思維能力存在差距形成的，有的是學生對物理學科興趣不濃厚、有的是學校資源配置不到位，物理實驗室條件差、教學儀器落后，演示實驗和學生分組實驗不能按課程標準要求開設造成的[1]。

習題設計的意圖，本是借習題的解答檢測學生對物理知識理解和掌握的情況，檢測學生運用所學物理知識和規律解決實際問題的能力。但在高一物理學習的過程中，學生常常會遇到一些在課本上沒有出現、在生活中也沒有接觸到的情境類問題，這類問題有的取材新穎、情境陌生、信息量大;有的來源于實際問題，文字描述多;有的設計過程抽象、想象不出實際情景等。學生對所陳述的問題情景缺少感知和體驗，僅憑閱讀，不能有效地理解題意和順利地解答，久而久之就變成了疑難問題。由于習題的編制對知識獲得的過程進行了或多或少的“閹割”，通過設定各種已知條件和理想情況，使學生的一部分思維活動被越俎代庖，從而疏離了作為教學根源的現象，這無疑破壞了教育情境的真實性，從而使學生無法在教學活動中得到全面發展[2]。

案例一：如圖1所示，兩輕桿和重物都保持靜止，要求畫出滑輪和結點受桿和繩的彈力方向，并結合重物的質量、輕繩與桿之間的夾角求解這些彈力的大小。

解答這類習題的前提是正確的受力分析，如圖2所示。但在實際解答中，學生往往把這兩種情況混為一種，或張冠李戴。出現錯誤的原因是學生對輕繩和輕桿上的彈力特點沒有搞清楚。對輕繩而言，只能產生沿繩且指向繩收縮方向的彈力，繩只能提供拉力;通過滑輪的一根輕繩兩側彈力一定相等，打結一處的兩段輕繩上彈力可不相等。對輕桿而言，若桿可自由轉動，桿產生的彈力一定沿桿方向;若桿不能自由轉動，桿產生的彈力則不一定沿桿方向。關于這些結論，僅憑教師的課堂講解和理論分析，不足以解決學生存在的疑惑。只要學生沒有生活感知，缺少觀察體驗，缺乏定量的實驗探究，運用所學的物理知識和規律解答實際問題就存在困難，就容易出錯，學習效果就不好。

2? 高中“力學習題”中疑難問題的解決策略

毋庸置疑，高中“力學習題”中有很多教師公認的疑難問題，比如“三力動態平衡”模型中許多實際問題的動態分析和解答，又比如“滑塊在傳速帶上運動”的各種情況分析和解答等等。學生往往表現為課堂上聽懂了，課下卻不能很好地獨立地解決相似的實際問題。即便是通過“死記硬背”掌握了某一類習題的解答方法，但學生的物理學科素養并沒有得到實質性的培養和提高。

對于這樣的力學習題中存在的疑難問題，筆者認為有效的教學策略之一，就是基于力學問題情景，利用實驗室已有的器材，以及身邊的廢舊物品和簡易材料等設計制作教具，用自制教具來搭建力學疑難問題的教學平臺，利用教具開展有關教學和進一步的探究活動。

對于“案例一”所涉及的問題，筆者就利用家裝木板邊料、筒式測力計、小滑輪、細繩、鉤碼等制作了一套自制教具，如圖3所示。這套自制教具可以很好地模擬再現多種繩、桿架構的力學平衡情境，使問題可見、可變化，使學生可觀察、可感知，通過該教具輔助教學后，學生對輕桿上的彈力，什么情況下沿桿的方向，什么情況下不沿桿的方向，有轉軸的“活桿”和有鉸鏈的“死桿”到底有什么區別等，就有了清晰的感知和認識。

案例二：如圖4所示，用一根輕繩通過光滑動滑輪O懸掛一重物G，繩A、B端在同一水平面上，A端固定，B端可動。現讓B端沿水平方向緩慢移動到C處，再沿豎直方向緩慢移動到D處，問繩上的彈力大小如何變化？

在實際教學中，筆者和學生多次遇到在該力學情境基礎上設計的不同習題。大部分學生都會在B端由C處緩慢移動到D處的設問中判斷錯誤。原因就是搞不清楚B端移動時，繩OA段和OB段上拉力的大小關系以及動滑輪的移動特點。這種情景的習題，就可以確定為教學中的力學疑難問題。解決這樣的問題，最簡單、最有效的方法就是通過自制教具來演示和探究，而不是單純的理論分析和講解。

針對“案例二”所涉及的問題和力學情景，筆者就制作了圖5所示的自制教具，只需一個筒式測力計（或一段橡皮筋）、小滑輪、一根細繩、一塊重物就能進行課堂演示和組織教學。通過這套簡單的自制教具可以使學生很清楚、很容易掌握該類問題的要點，即“B端移動時，繩OA段和OB段上拉力的大小始終相等;動滑輪會緩慢移動;繩OA段和OB段與豎直方向的夾角始終相等;B端由C處緩慢移動到D處的過程中，繩OA段和OB段與豎直方向的夾角不變，繩上的拉力不變。”這些現象和結論非實驗不能很好地呈現，非實驗不能激發學生的進一步學習和理論探究的熱情。

案例三;如圖6所示，是筆者組織教師制作的一套自制教具，即《小球沿豎直面內光滑軌道運動規律模擬探究演示儀》，所需的材料為家裝木工板、塑料線槽、小金屬球等。

小球沿豎直面內的光滑斜面軌道和圓軌道的內側或外側運動問題是高中物理力學中常見的問題模型，如“過山車模型問題”。在這類問題情境中，小球什么情況下能沿軌道運動，什么情況下離開軌道運動？如何理解小球通過圓軌道最高點的臨界情況？這些問題往往是高中物理教學的重點，也是學生學習中的難點。

以這個自制教具為教學平臺，在課堂教學中，先通過自制教具，再現學生遇到的實際問題的情境，讓學生通過觀察物理過程和物理現象，感知問題所描述的情景，以亟待解決問題的真實表現，再讓學生應用所學的物理知識和物理規律解答有關習題問題。教師先做實驗，讓小球從斜面軌道上的不同位置由靜止釋放，讓學生觀察小球在豎直光滑圓軌道的內側（或外側）運動，看小球是否沿軌道運動？能否通過軌道的最高點？演示結束后，組織學生陳述觀察到的物理現象，并運用機械能守恒定律和牛頓第二定律進行解釋。最后再出示有關習題問題，引導學生獨立解答。

3? 基于該教學策略的實踐和效果

筆者組織一線教師進行了多年的實踐研究，取得了較好的教學效果。基于高中力學疑難問題設計和制作教具，再利用自制教具搭建力學疑難問題的教學平臺，輔助課堂教學，這在筆者所在的學校已成為物理學科校本教研活動的一個主要內容。如圖7所示的“傳速帶自制教具”和“鏈條傳動自制教具”等，這兩組教具相同點都是基于力學疑難問題自主設計的，利用生活中的簡易器材制作，就是為了給學生創設物理問題情境、還原物理過程，增加學生感性認識，提高學生探究能力和學科素養制作的。在課堂教學中，很受師生的歡迎。

針對前述的案例一和案例二兩組力學疑難問題，筆者曾設計了一項調研任務，在吳忠市某重點中學組織2017屆高一兩個班共108名學生進行了測試。

3.1? 測試項目：探究繩桿結構模型中彈力的特點

3.1.1? 請參與測評的學生如實填寫以下信息

3.1.2? 請在規定的時間內完成下列問題

①在下圖中，輕桿都保持靜止，試畫出滑輪和結點所受桿和繩彈力的方向。

②如圖所示，水平橫梁的一端A插在墻壁內，另一端裝有一小滑輪B。一輕繩的一端C固定于墻壁上，另一端跨過滑輪后懸掛一質量m=10千克的重物，∠CBA=30°，則滑輪受到繩子的作用力為（g取10m/s2）（? ? ?） 。

A.50N? ? ? ? ? B.

C.100N? ? ? ? ? ? D.

③某學習小組為了探究輕桿上的彈力的方向，設計了如圖所示的實驗裝置。調整輕桿左端的轉軸使其處于自由活動狀態，用一根輕繩通過桿右端固定的滑輪（光滑），下端掛重錘，上端鏈接測力計。調整輕桿，當輕桿與豎直立柱之間的夾角為θ時，桿和重錘都處于靜止。根據實驗探究，下列判斷正確的是（? ? ）。

A.測力計的讀數大于重錘的重力

B.測力計的讀數一定等于重錘的重力

C.θ可以為90°（即桿處于水平）

D.θ一定為小于90°的某一特定值

④如圖所示，用一根細線穿過光滑的動滑輪O，繩兩端A、B處于同一水平面上，滑輪下端掛一重物G。現使A端固定，B端可動。

（1）若讓B端沿水平方向緩慢移動到C處，細繩OA和OB段上的拉力大小如何變化？________ （ 填“變大”“不變”或“變小”）

（2）若讓B端從C處沿豎直方向緩慢移動到D處，細繩OA和OB段上的拉力大小如何變化？________? （ 填“變大”“不變”或“變小”）

⑤如圖所示，長為5m的細繩的兩端分別系于豎立在地面上相距為4m的兩桿的頂端A、B。繩上掛一個光滑的輕質掛鉤，其下連著一個重為12N的物體。（1）物體平衡時，繩中的張力大小為 ________ 。（2）若將B端沿豎直方向向下移動一點，繩中的張力將________ （ 填 “變大”“不變”或“變小” ）

3.1.3? 經過測試后，你出現的主要錯誤是什么？原因是什么？

3.2? 測試結果

從測試的結果可以明顯看出，學生用所學的力學知識解答實際力學問題遠沒有達到教學目標。學生出現的錯誤類型和筆者的預測是一致的，從學生自己分析的原因來看，主要是對輕繩和輕桿上的彈力方向的特點沒有理解掌握，對“活桿”和“死桿”、“活結”和“死結”等缺乏感知，對具體的力學情境陌生。追究這些原因的本質，最大的問題還是高中物理教學中缺乏實驗探究所致。

3.3? 教學改進

通過測試，我們準確地找到了學生在這一類力學問題中存在的疑難。基于此，一線教師制作了相應的自制教具，并在2020年高三總復習時，仍選擇高一時的測試對象（大部分學生還在）進行基于自制教具平臺的復習教學，課堂上，學生興致很濃，觀察仔細，討論熱烈，在實驗演示和探究的基礎上，以前出現的問題得到了形象而有效的解答，學習輕松，再次測試的效果明顯好于沒有教具支持學習的平行班級，這樣的復習方式也得到了高三學生的喜歡和肯定。

基于高中力學疑難問題設計和制作教具，利用自制教具搭建解決力學疑難問題的教學平臺，可以提高物理教學實效，有效落實物理學科核心素養。同時，自制力學教具，能很好地促進教師和學生的動手能力，也能不斷充實學校實驗室。希望更多的教師參與到自制教具的研究和使用中來，將自制教具應用于教學實踐，改善教師課堂教學行為，激發學生的學習興趣，提升學生綜合分析能力，培養學生的創新意識。

（責任編輯：張? 瓊）

參考文獻：

[1]張剛剛.高中物理教學中力學疑難問題調查研究——以秦安縣S中學為例[D].西北師范大學，2015.

[2]邢紅軍，童大振.聚焦課堂教學：學生發展核心素養的生命之源——以物理高端備課的研究為例[J].教育科學研究，2019（09）：61-66+72.