基于深度學習的高中物理教學實踐與思考*
——以“共點力的平衡之‘死結’和‘活結’模型”教學為例

張 麗

(烏魯木齊市天山區教研室 新疆 烏魯木齊 830000)

劉杭州

(烏魯木齊市實驗學校 新疆 烏魯木齊 830026)

深度學習是指在教師的引領下,學生圍繞著具有挑戰性的學習主題,全身心積極參與、體驗成功、獲得發展的有意義的學習過程[1].要深度學習真實發生需要學生的全情參與、深度思考、理解知識并遷移應用,同時對教師提出了更高層次的要求——深度備課.課堂是學習的主陣地,課堂效率決定了大多數學生的學習情況,一堂好課是教師和學生共同創造的,教師是先行者、節拍器、領路人.基于教師深度思考、精心準備的教學設計才有可能促成學生深度學習,發展核心素養.

1 研讀教材 明確目標

2019版人教版高中物理教材把“共點力的平衡”作為單獨的一節內容安排在了“相互作用”一章的最后一節,并且新課標明確要求“能用共點力的平衡條件分析生產生活中的問題”[2].整個章節都是為本節內容服務的,因為共點力平衡的應用是學生形成良好相互作用觀念的奠基石.教材中用典型例題和課后習題相配合,試圖讓學生分析多種情況下物體處于平衡態的受力情況及解決方法.共點力平衡問題主要有兩個方面,一是物體受力平衡,二是結點受力平衡.本節課主要應用共點力的平衡條件解決結點多種情況下受力的靜態平衡和動態平衡問題.

2 創設情境 引發思考

從生活中常見的簡單問題入手,創建所有學生都可參與的開放性物理情境,牢牢抓住學生的興趣點是實現深度學習的第一步.

問題:實驗演示儀器如圖1所示,同學們有什么辦法可以在手不直接接觸并且繩子不松弛的情況下,把懸掛在支架上的物體運送到更高的位置?

圖1 實驗演示儀器圖

設計意圖:學生支招,教師引導,引入“死結”靜態平衡問題.

3 一題多解 聚焦核心

情景1:如圖2所示,質量為m的物體用輕繩AB懸掛于支架上.輕繩OC與AB結于O點,作用于OC水平向左的拉力F1使物體處于靜止狀態,OA與豎直方向的夾角為θ,用F2表示繩OA段拉力的大小.則F1和F2分別為多大?

圖2 情景1模型圖

實驗演示:用藍色繩子在紅色繩子適合的位置綁一個“死結”,將結點移動至圓心,保證藍色繩子水平并固定,演示情景1,如圖3所示.

圖3 情景1演示圖

設計意圖:引導學生采用合成法和分解法等多種方法解決問題,讓學生體會共點力的平衡的實質是將多力平衡轉化為二力平衡.深入理解平衡條件及應用平衡條件解決問題的方法.

4 一題多變 體會方法

情景2：如圖4所示,若使O點固定不動,OA與OC垂直,OA與豎直方向的夾角為θ,分別用F1和F2表示繩OC段和OA段拉力的大小.則F1和F2分別為多大?

圖4 情景2模型圖

實驗演示:在情景1的基礎上,移動藍色繩子固定位置,演示情景2.

情景3:如圖5所示,若使O點固定不動,OC豎直,OA與豎直方向的夾角為θ,分別用F1和F2表示繩OC段和OA段拉力的大小.則F1和F2分別為多大?

圖5 情景3模型圖

實驗演示:在情景1的基礎上,移動藍色繩子固定位置,演示情景3.

設計意圖:引導學生在結點不動的情況下,將動態平衡拆分后的靜態平衡問題應用合成法解決.在解決問題的過程中,體會共點力的平衡問題的解決方法.

情景4:如圖6所示,若使O點固定不動,將OC繩的C端沿半圓支架從水平位置緩慢移動至豎直位置,則F1和F2如何變化?

圖6 情景4模型圖

實驗演示:在情景1的基礎上,移動藍色繩子固定位置,演示情景4.

設計意圖:引導學生在結點不動的情況下,通過觀察、體會、思考結合情境1、2、3中的靜態平衡問題應用圖解法解決結點不動的動態平衡問題,如圖7所示.引導學生理解動態平衡問題的實質是將多個靜態問題歸一,在變中找不變,在不變中找變.讓學生形成解決動態平衡問題的思維方法.

圖7 動態平衡圖解法示意圖

5 結點移動 遷移應用

情景5:如圖8所示,用作用于OC水平向左的拉力F1緩慢拉動繩的結點O,OA與豎直方向的夾角θ(θ<90°)逐漸增大的過程中,F1和F2如何變化?

圖8 情景5模型圖

實驗演示:保證藍色繩子水平,演示情景5.

設計意圖:引導學生應用解決結點不動的動態問題的思維方法解決結點移動的動態問題.讓學生徹底領悟解決動態平衡問題的思維方法.

小結:“死結”模型由于受結點的約束,繩子被分成了彼此獨立的兩段,且結點位置不可沿繩子方向移動,受力一般不相等.

6 層層推進 變為“活結”

情景6:如圖9所示,輕繩AB一端固定于支架上,另一端繞過動滑輪(滑輪質量忽略不計)懸掛一質量為m的重物,輕繩CO一端與動滑輪相連,另一端固定于C點,當重物處于靜止狀態時,輕繩AB與滑輪結于O點,OA與豎直方向的夾角為θ.則輕繩CO的拉力F1和輕繩OA的拉力F2分別為多大?

圖9 情景6模型圖

實驗演示:加入滑輪,演示情景6,如圖10所示.

圖10 情景6演示圖

設計意圖:將“死結”轉變為“活結”,通過解決“活結”的靜態問題讓學生體會“活結”模型的本質是“菱形”問題,并引導學生對“菱形”問題的動態變化情況加以分析,掌握“菱形”問題的解決方法[3].

情景7:一物體用輕繩AB懸掛于支架上,用力F1拉住套在輕繩上的動滑輪(滑輪質量忽略不計),系統在圖11所示位置處于靜止狀態,此時輕繩OA與豎直方向的夾角為α,力F1與豎直方向的夾角為β.當緩慢拉動圓環使α(α<90°)增大時,F1、F2和β如何變化?

圖11 情景7模型

實驗演示:緩慢拉動藍色繩子端點,演示情景7.

情景8:如圖12所示,輕質不可伸長的輕繩兩端分別固定在支架和豎直桿的A、B兩點,將質量為m的重物用光滑掛鉤掛于繩上處于靜止狀態,現將B點向上移動至B′,繩子拉力如何變化?若要增大繩子的拉力如何操作?

圖12 情景8模型圖

實驗演示:緩慢移動紅色繩子端點,演示情景8,如圖13所示.

圖13 情景8演示圖

設計意圖:通過對“分力不變,合力變”和“合力不變,分力變”兩類“菱形”動態問題(圖14)的研究,讓學生深化對共點力平衡問題的理解,更進一步地體會共點力平衡狀態下相關問題的解決方法.

圖14 “菱形”動態平衡圖

小結:活結模型由于繩子繞過光滑的滑輪、圓環、掛鉤等把繩子分為兩段,由于接觸處對繩子無約束,結點(接觸點)可自由移動,繩子上的拉力始終相等[3].

課后思考：生活中常見的“死結”和“活結”模型的應用都有哪些?

7 歸納總結 及時反思

深度學習核心要義是通過有意義的學生實驗等探究活動提升學生的思維層級,及時地反思和歸納總結對學生的思維發展起到關鍵性作用,通過深入的思考透過表象,尋找事物的本質,總結解決問題的基本方法.不論是靜態的平衡還是動態的平衡,都屬于平衡態.不論是“死結”和“活結”還是其他共點力平衡的問題,都是基于共點力的平衡條件來解決問題的.不論應用合成法還是分解法,最終都要轉化為最基本的二力平衡來解決.

8 結束語

深度學習并不是學生的獨立行為,要促使深度學習在教學環境中真實發生,取決于教師對課堂教學的探索,如教師的備課、教學設計、實驗設計、個人經歷、積極程度、思維方式等都深刻地影響著教學的進行.只有教師的精心準備、正確引導才能讓大多數學生擁有深度思考的環境.本節課令人遺憾的是沒有傳感器,無法現場探究力的變化情況,如果使用彈簧測力計會導致結點的變化,這導致多數實驗內容只能給予學生一個“物理情景”,不能達到探究或驗證的作用.