用變式訓練專題提升學生受力分析能力

孫春成

江陰市教師發展中心，江蘇 江陰 214401

受力分析是高中物理教學的重要內容，對學生后續物理學習有著奠基作用，同時該內容也是高中物理教學的難點，往往使得教師難教、學生難學。為了研究受力分析難教的癥結所在，找到破解之策，為學生后續學習物理掃清障礙，本文采用小專題變式教學的方式降低教學起點，讓學生從簡單情境開始，逐漸推進到復雜情境和綜合性問題。小專題變式教學可以夯實學生的物理基礎、破除錯誤前概念、掌握受力分析細節、有效銜接初高中受力分析內容、提升學生思維品質，從而提升受力分析教學的效率，更好地讓學生掌握必備知識、習得關鍵能力。

1 受力分析在高中物理教學中具有重要地位

1.1 受力分析是后續物理學習的基礎

雖然教材沒有專門章節提及受力分析，課標也沒有提出明確具體要求，但受力分析貫穿整個物理教學始終，可以說是物理教學的重要基礎和關鍵內容。只有真正具有受力分析能力，學生才能順利完成后續力與運動、共點力的平衡、牛頓運動定律、動量、功能關系、電學、熱學（氣體壓強、熱力學定律）等主干知識的學習。

1.2 受力分析是解決物理問題的重要基礎

解決物理問題尤其是綜合性問題，往往需要確定研究對象后對其進行受力分析，研究其運動狀態、物理過程，而后運用物理規律進行求解。受力分析是問題解決的前提，也是重要基礎，如果受力分析出錯，那么對運動狀態、物理過程的分析就會出錯，從而無法正確解決問題。

1.3 受力分析是培養學生物理學科核心素養的重要載體

新課標凝練了物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任等學科核心素養。受力分析與物理觀念和科學思維這兩個維度的核心素養聯系密切。首先，受力分析研究的是物體間的相互作用，通過受力分析可以培養學生相互作用觀念；其次，受力分析往往綜合性較強，各種約束條件、各個物體之間存在相互聯系和相互制約關系，受力分析對學生邏輯思維、求異思維、思維深刻性的發展都有重要促進作用。

2 受力分析是高中物理教學的難點

2.1 學生錯誤前概念的阻礙

受力分析難教、難學是由多方面的因素造成的，其中一個重要因素是學生學習受力分析之前已經有了不少“錯誤”的前概念，阻礙了新知識的建構。受力分析時，彈力、摩擦力的有無及方向的判斷是關鍵、是基礎，但是學生由于錯誤前概念導致其對彈力、摩擦力的學習存在缺陷，從而影響了受力分析的正確性。比如，“只有運動的物體才能受到滑動摩擦力”“只有靜止的物體才能受到靜摩擦力”“滑動摩擦力總是阻力，總是做負功”等錯誤前概念。這些錯誤使學生混淆了運動與相對滑動，混淆了靜止與相對靜止等概念。

2.2 初高中受力分析臺階較高

初中階段學生遇到的問題基本上是一條直線上的力，且力的數量不多。到了高中階段，研究對象受到力的數量突然增多，力的方向也由一條直線上變成多條直線上，且高中階段學生一接觸受力分析就會遇到力的方向不在相互垂直的方向上的情境。這樣學生逐個分析力的有無、方向，以及探究不同力之間相互關系的難度都大幅提升，對學生基礎和思維能力都要求較高，較高的臺階成為學生學習的障礙，使得不少學生不能正確分析和處理受力。

2.3 受力分析思維鏈條較長

受力分析，首先需要依據研究的問題選取研究對象（涉及整體法、隔離法的選擇），然后用“條件判斷”、假設法等判斷各個力有無和方向，并畫圖表征各個力，最后將物理語言轉化成數學語言，利用三角函數或勾股定理等數學知識確定各個力的大小。這一操作過程，對已經千錘百煉的物理教師而言很簡單，但對剛上高一的學生來說，思維過程稍長，具有較大的挑戰性。高一學生思維處在快速發展期，思維鏈條越長則學習難度越大，目標達成度越低，較長的思維鏈條已成為學生學習受力分析的主要障礙之一。

3 受力分析變式教學案例簡述

3.1 受力分析變式教學時機

建議受力分析變式教學專題安排在學生學習完彈力、摩擦力、牛頓第三定律等內容之后，放在力的合成與分解教學之前。因為，此時學生已經學習了重力、彈力、摩擦力等力學中常見幾種性質的力，也學了力的圖示和力的示意圖，具備進行受力分析的基礎，且學生對牛頓第三定律的掌握有助于其在復雜情境中轉化研究對象，判斷摩擦力、彈力的有無及方向。其次，通過本專題的學習，提升了學生的作圖能力和受力分析能力，為其后續學習力的合成與分解、共點力平衡奠定基礎。因此，考慮學生學習基礎，本著循序漸進的原則，可以依次開展彈力變式、摩擦力變式、綜合受力變式等內容的教學。

3.2 受力分析變式教學題組及分析

3.2.1 彈力為主的變式題組

彈力變式題組由8個圖構建的情境組成，如表1所示，從第1行到第2行依次稱之為圖（1）到圖（8）。表1中各圖接觸面均光滑，要求學生畫出小球的受力分析示意圖。

表1 彈力變式題組

設計意圖：本題組是為了夯實彈力有無判斷和彈力方向的確定，為后面綜合性強、更為復雜情境中物體受力分析奠定基礎。初學時，學生在圖（1）、圖（7）完成受力分析后幾乎陷入思維定式，導致在圖（2）、圖（4）、圖（8）所展示的情境中，學生容易判斷錯誤，他們會認為這幾幅圖的情境中接觸物和小球之間一定有擠壓，存在彈力，相關學習可以有效破除學生的思維定式。思維定式的破除可以讓學生更好地掌握必備知識，發展科學思維能力。

3.2.2 摩擦力為主的變式題組

以摩擦力為主的變式題組，由3個小題組組成，表2中每一行為一個單獨的小題組，每一小題組由4幅圖組成，從左向右依次稱為圖（1）、圖（2）、圖（3）、圖（4），各圖中所有接觸面均粗糙，讓學生對物體進行受力分析。

表2 摩擦力變式題組

設計意圖：

題組1，圖（1）中物體放在水平面上，向右滑動，夯實滑動摩擦力在基礎情境中的判斷。圖（2）中物體在外力作用下靜止，鞏固靜摩擦力有無的判斷，確定摩擦力的方向和大小。圖（3）中物體在外力F作用下向右運動，與圖（1）形異質同，可以在受力分析結束后追問學生圖（1）中物體做何種運動，圖（3）中物體做何種運動。目的在于加深學生的印象，培養學生分類討論的能力。圖（4）在圖（3）的基礎上將運動方向改為向左，外力F與運動方向不同，受外力F的干擾，不少學生會將滑動摩擦力方向判斷錯誤，本情境的引入可以突破學生的思維定式，強化滑動摩擦力方向與相對滑動方向相反這一基本知識。

題組2，本題組可以讓學生區分清楚“運動方向”與“相對滑動方向”，為破除錯誤前概念奠定基礎。物體剛放上傳送帶時的情境分析[圖（1）、圖（3）]，可以破除“相對滑動方向就是運動方向”的錯誤認知，相對滑動是以摩擦力的施力物體為參考系，運動一般是以地面為參考系，二者未必方向一致，這兩個情境中物體相對于傳送帶向左（或沿傳送帶向下）滑動，而相對地面的運動方向是向右（或沿傳送帶向上），二者相反。圖（2）所示情境中，判斷滑動摩擦力的有無，可滲透假設法、運動狀態法，為分析圖（4）奠定基礎。圖（4）中，物塊受到的靜摩擦力是動力，做正功，學生對圖（4）與圖（1）情境判斷可以破除其如下錯誤前概念：滑動摩擦力總做負功；靜止的物體才會受到靜摩擦力；靜摩擦力不做功。

題組3，本題組是在題組1的基礎上變化而來，目的是將物體置于斜面上后受力分析變得復雜，這是學生今后經常遇到的情境，通過本題組可以強化學生對滑動摩擦力和靜摩擦力的判斷，訓練學生的思維能力，提升分析問題的能力，還可以通過圖（4）訓練學生分類討論的能力。

3.2.3 綜合性受力分析變式題組

在夯實彈力、摩擦力的基礎后，為了提升學生在復雜情境中受力分析的能力，筆者設計了表3中的題組。本題組由表3中的8幅圖、兩個小題組構成，每一行中4幅圖為一個獨立的題組，從左向右依次稱為圖（1）、圖（2）、圖（3）、圖（4）。題組1中各圖中物體A、B、C、D的質量均為m，在力F作用下處于靜止狀態，讓學生分別畫出物體A、B、C、D的受力分析示意圖，并標出各接觸面靜摩擦力的大小。題組2為疊放體問題，物體A、B疊放在一起，各接觸面均粗糙，讓學生畫出物體A、B各自的受力分析示意圖，并標注摩擦力的大小。

表3 綜合性受力分析變式題組

設計意圖：

題組1，研究對象逐漸增多，受力分析難度逐漸增加，對學生要求越來越高，學生需要不停變換研究對象，不斷切換整體法和隔離法。通過本題組可以進一步夯實彈力、靜摩擦力的知識，強化整體法和隔離法以及假設法和運動狀態法的應用，對學生掌握知識本質、領悟方法，提升思維水平有重要作用。

題組2，物體A、B疊放在一起置于水平面上，力F作用在不同的物體上、處于不同狀態時，所受摩擦力的類型、大小、方向都會隨之變化，通過4幅圖所展示的相似度極高的情境，可以更進一步促進學生掌握知識，提升思維水平。

以上各題組，都要求學生規范、認真畫出研究對象的受力分析示意圖。通過讓學生畫圖，訓練學生良好的作圖習慣，并在講解過程中規范作圖，強調作圖的細節，包括作用點的位置、箭頭的標識、線段長短大致合乎比例、線段方向要準確等。通過訓練和細節的強調，培養學生的作圖意識，提升學生的作圖能力和作圖素養。

4 受力分析變式訓練效果分析

4.1 有利于鞏固物理基礎，掌握必備知識

“必備知識與關鍵能力一樣，是學科素養的基礎支撐”。掌握必備知識，在學生頭腦中形成關于相互作用的物理觀念，才能“從物理學視角分析客觀事物的本質屬性、內在規律及相互關系”，從而實現對學生科學思維的培養。小專題變式教學起點低，各個小題組都從學生熟悉的簡單情境開始，可以照顧到各種能力水平的學生，有利于保護學生的學習積極性，與此同時，逐步推進也可以讓學生能夠更好地鞏固基礎知識、基本概念。此外，還有利于破除學生的錯誤前概念，為學生掌握必備知識奠定基礎。小專題變式教學為學生構建了不同的物理情境，這些情境有些形同質異、有些形異質同，有些與學生原有經驗吻合，有些則與學生原有認知矛盾，通過對這些情境中的物體受力分析，有利于學生去偽存真，構建正確認知，破除錯誤前概念。“在物理教學中采用變式教學有利于厘清、把握物理學科的本質屬性，從而以科學概念取代錯誤前概念。”

4.2 有利于學生掌握受力分析細節，習得關鍵能力

通過受力分析的細節可以透視學生知識掌握情況、思維水平、方法掌握情況等。夯實細節，不僅能促進學生掌握知識，更能夠提升學生的作圖能力、信息轉化能力、語言表達能力、抽象思維能力、演繹推理能力等。采用小專題變式教學，可以強化學生在受力分析時對方法的選擇、復雜情境中轉化研究對象、提升作圖精確度等能力，也可以強化學生在受力分析時按照重力、彈力、摩擦力、其他力的順序依次開展，避免漏力和添力。教學中，知識難點的教學應將過程細小化，從細處入手，小步子推進，逐漸達成目標，如此將有利于學生掌握知識、習得能力、領悟方法。

4.3 有利于促進學生深度學習，落實學科素養培養

學科素養包括學習掌握、實踐探索、思維方法3個一級指標。首先，小專題變式教學有利于讓學生掌握思維方法。小專題變式教學，在分析一些關聯度較高的形同質異或形異質同的情境時，對學生思維嚴密性、深刻性、靈活性等方面有較高的要求，需要學生深入分析，去偽存真，掌握方法，剖析本質，分析過程對學生的思維品質提升起到很好的促進作用。學生掌握了基礎知識，掌握了分析問題的方法，思維品質提升后，更易解決思維鏈條較長的復雜的綜合性物理問題。其次，小專題變式教學讓受力分析教學系統化，有利于促進學生整合知識。以往受力分析的教學，多采用見縫插針式教學，在遇到具體問題時，在習題教學中碎片式滲透教學。這會導致學生在思想上對受力分析重視不夠，即使教師反復強調其重要性，但實際教學中學生卻沒有真切的感受。此外，教學內容零散，不利于學生系統掌握受力分析的技巧、方法，不利于學生融會貫通。以小專題形式開展變式教學，可以促進學生在思想上重視受力分析的學習，更能夠讓學生高度聚焦學習內容，由淺入深逐步推進，能夠更系統地掌握受力分析的方法，提升自己受力分析的能力。