中学物理力学的教学及解题思维能力的训练讨论

苏东龙

中学物理知识内容是物理学的初级层次。严格地讲，它的科学性、系统性都受到了一定的限制。它只是阐述了物理学中最基本、最基础的知识，并不是十分严谨的物理理论。其主要内容是经典物理学的基础知识，其重点教材是力学和电学。今就力学部分，谈些看法。

一、教材结构的分析与学习

从全局观点分析力学部分教材，揭示物理学的基本规律，有目的地提高学生的思维品质，增强学生的物理思维能力，对此应从以下三个方面认真分析教材。

1.力学教材的基本知识结构

牛顿运动定律是经典力学的基础，也是经典物理的基础之一。动能定理和动量定理及其守恒定律为经典力学的栋梁。现行教材的体系是先讲静力学，后讲运动学，最后讲动力学。把牛顿三定律按三、一、二的顺序安排，第三定律放在静力学中讲授。这种安排符合由易到难、循序渐进的原则。学习牛顿第二定律时，有力的合成与分解作先行，通过静力学的教学，要求学生正确理解力的概念。

物体受力分析是力学中的关键，几乎所有的力学问题都要涉及物体的受力分析，所以静力学教学是最重要的基础。

“力”要重点讲清三种力产生的条件及力的大小和方向，为物体受力分析做好准备。力的三要素，在初中已经讲过，对质点来说不会发生关于力的作用点的问题，而对刚体来说，力的作用效果除了跟力的大小和方向有关外，还跟力的作用点的位置有关。教材中虽然没有明确提出刚体概念，但所说的物体都是指刚体，力的作用点可以沿力的作用线移到刚体内任一点而不改变力的作用效果。因此，与其说力的作用点是一个要素，还不如说力的作用线是一个要素。物体的平衡，用了“平衡”和“固定转动轴的物体”等理想模型方法；“力的分解和合成”用了分析、综合、等效的方法。

“物体的运动”用了理想模型(过程模型)的方法。高中教材以初中教材为基础，先提出质点这个理想化模型，在研究物体在一直线上的运动以后，立即研究物体在一个平面内运动的有关概念、规律和描述方法。运动学是力学的重要组成部分，是学习其它各章的必备知识。对平面运动的速度的合成与分解运用了分析、综合、等效的方法。

“牛顿运动定律”用了经验归纳方法论。虽然第一定律不能用实验直接证明，但由第一定律推导出的一切结论都与实验结果相符合，这就间接地证明了牛顿第一定律的正确性。牛顿第二定律是通过实验归纳得出的。在功和能，机械能守恒定律，动量、动量守恒这几章中，主要是用了推理的方法。如教材中机械能守恒定律是借助于运动学和动力学的知识推导出来的，但应当明确一点，这是一条实验规律，是实践经验的总结，是客观规律的反映，这些规律能相互推导，这说明它们之间存在着内在联系。动量定理出自于牛顿第二定律，又异于牛顿第二定律，牛顿第二定律是一个瞬时的关系，而动量定理则说明状态过程，它可以按过程始末状态处理物体的动量变化，而不必涉及过程的细节。如果只考虑两个物体的孤立体系，把牛顿第三定律与牛顿第二定律结合起来，就得到作用前后的总动量不变，我们可以用实验进行检验，牛顿也正是用这个方法验证牛顿第三定律的。

“振动与波”一章研究的主要方法是从一般到特殊的推理过程，运用了动力学和运动学的基本规律，导出机械波和机械振动规律的新结论。

2.数学是表达物理规律最精确的语言

在教学过程中，只有将教材的结构搞清楚，才能达到运用数学方法解决物理问题的目的。在“力”这一章中，重点解决的是矢量和矢量的运算方法问题。对物理矢量必须透彻理解，掌握其数学运算法则——矢量的平行四边形法则，引导学生对“代数和”与“矢量和”进行对比，体会它们的差别，从而自觉地运用矢量运算法则。在“物体的运动”这一章中，先提出质点这个理想化模型，并研究质点动力学中的几个基本概念、位移、速度、加速度等。从数学角度分析这些量之间的函数关系(包括文字叙述、数学公式、函数图象等)，再进行运动的合成与分解的矢量运算。

在“牛顿运动定律”这一章中，牛顿运动定律起着承上启下的作用，即能进一步加深对静力学、运动学知识的理解，又能为顺利学习机械能和动量铺平道路。牛顿第二定律的数学表达式，只有以地球和相对地球静止或做匀速直线运动的物体为参照系才是适用的。教材由分析物体只受一个力产生加速度与力的关系，过渡到分析物体受几个力产生加速度，以及加速度与力的关系，从而概括出能适合各种情况的牛顿第二定律的数学表达式∑F=ma在公式中，力与加速度都是矢量，故此式是一个矢量式。牛顿第二定律概括了力的独立性原理(或力的叠加原理)，即几个力同时作用在一个物体上所产生的加速度，应等于每个力单独作用时所产生的加速度的叠加——矢量和。在解题中，运用了正交分解法等基础知识。

机械能和动量这两章是在运动学动力学的基础上，讨论力的空间和时间积累效应，从而引出功和能、冲量和动量等概念。功和能将矢量运算变成了代数运算。教材从力对物体做功引出动能和动量定理，研究了重力、弹力做功的特点，引出势能的概念，得出在只有重力、弹力做功时，机械能守恒。最后，从一般的功能原理阐明功的本质是能量变化的量度作为本章的总结。能的转换和守恒揭示了物理学各部分的内在联系。在讨论动量定理时，应强调牛顿第二定律的关系式是一个瞬时关系，而动量定理则说明状态过程，应用它研究某一过程而不是研究某一瞬时，只有在t→0时，才是相等的。实验是讲述动量守恒定律的基础，教材这样处理是考虑到动量守恒定律的产生不是从牛顿运动定律推导得出的，而是一个独立的物理规律，而动量守恒定律的适用范围远远超出牛顿力学的适用范围。对动量守恒定律的数学表达式没有具体给出，目的是避免学生只是死记公式，注重培养学生学会运用物理规律对具体问题进行具体分析的能力。在应用动量守恒定律时，应选用惯性系，物体的动量mv、速度v的大小和方向也与参照系的选取有关，应特别注意计算同一系统中各部分的动量不能用不同的参照系。机械振动和机械波是较复杂的机械运动，它需要力学、圆周运动，运动图象等知识作基础。简谐运动是最简单、最基本的振动。建立振动和波的联系与区别，是突破机械波教学难点的关键。

物理教学即要发展学生的智力，又要培养学生的能力，而后者较前者更为重要。从物理学本身来看，它研究的各种现象和规律是互相联系的。教学职能即要从人类知识的总汇中挑选最精华的，运用最科学的方法传授给学生，又要使他们具有独立获取知识和驾驭知识的能力。要重视知识的传授，离开知识的掌握，能力的发展就成为无源之水，无本之木。

3.系统化、结构化的教学

在中学物理教学中，贯穿力学的两条主线——动能定理和动量定理、机械能转换和守恒定律及动量守恒定律。这两个定理、两个定律来源于牛顿运动定律，与牛顿三定律一起构成质点动力学的基本规律，是力学部分的重点知识。围绕这两条主线，要深入分析牛顿运定律，

为这两个定理打好基础。动量定理、动能定理是在牛顿定律基础上派生出来的定理或推论，它们提供的表达式与牛顿运动定律等价，可代替牛顿二定律的矢量表达式中的的某分量式，而不是什么新的表达式。但是动量守恒定律是自然界最普遍的规律之一，能量守恒和转换定律也反映自然现象的最重要的规律之一。它们的作用远远超出了机械运动的范围。

4.培养学生的独立实验能力和自学能力

要培养思想活跃，有创新精神和创造能力的人才，必须加强学生的实验能力和自学能力。物理实验是将自然界中各种物理现象在一定条件下，按照一定的物理规律创造一定的条件使它重现。做物理实验，必须满足于一定的条件才能获得预想的结果，如设计实验步骤、选择测量仪器、正确观察现象、完整的读取数据、严格的计算，是做好实验不可缺少的过程，让学生按照上述过程有目的的科学训练，自觉地掌握科学实验的规律，激发学生的学习积极性就能增强学生灵活运用物理知识解决实际问题的能力。

培养学生的自学能力是教师的一项重要工作任务。调动学生的学习积极性，就得改变由教师“一讲到底”的状况，避免由于教师教学方法的单调，而使学生产生厌烦情绪。

二、解题思维训练

在重视力学概念、规律教学的同时，把重点放在力学解题的思维过程上，增强学生力学解题思维的自我调控意识。把学生解题过程看作是“获取信息、思维启动、思维逻辑、思维深化”的过程。在指导学生解题上，抓以下四个方面：

1、认真审题、明确对象、联想图景、启动思维

力学习题有的给出一个物体，有的给出两个或多个相关联的物体。从物理过程看，有的给出部分，有的给出全部。所有的力学解题开始应对研究对象作必要的力图，进行受力分析，列出公式，代入运算时统一用力学的国际单位制，解题结束应对结果的合理性作出判断。对题目给定的研究对象进行抽象思维，形成一定条件下的清晰的物理图景，有助于学生思维的正常启动。

2、弄清概念、策略认知、分配注意、发散思维

物理概念是物理知识的重要组成部分。物理概念有严格的科学界定。同一物理概念在不同的物理学识水平阶段严密的程度不同。一些能力较差的学生对物理概念的界定模糊不清，思维混乱，无法解题。为了解决这个问题，我引导学生强化以下两方面意识：(1)强化物理概念的物质意识。每引入一个力学概念，应充分利用实验或学生生活积累的已有经验，把物理概念建立在充实的物质基础上。

(2)强化物理概念的界定意识。速度与加速度二者仅一字之差，都是力学中的重要物理量。一些认知策略较差的学生把速度与加速度归结在一个“光环”上，认为速度为零，加速度必为零。应区别物体运动快慢与运动状态变化快慢是速度与加速度的界定。速度和速率、功和功率、动能和动量、重量和质量等也是一字之差，它们的物理意义却不相同。功和能的单位相同，前者是过程量，后者是状态量，它们也有严格的界定。

学生树立界定意识可养成良好的科学素质，有利于增强解题思维的自我调控意识。

3、运用规律、感知范围、网络信息、逻辑思维

中学的力学内容主要有：牛顿运动三定律、万有引力定律、机械能守恒定律、动能定理、动量定理、动量守恒定律等。一些能力中下的学生把物理规律成立的条件及适用范围置于思维盲区，需要对已建立的解题信息加以选择。

(1)根据物理过程选择规律。

(2)从已知条件选择物理规律。

(3)从解题结果检验物理规律选择的合理性。

4、设疑开拓、点拨解惑、触类旁通、深化思维

课本上的力学习题是教学大纲的最低要求，一些能力较强的学生从中获取了探求知识的方法，思维敏捷。一些能力较差的学生解题一旦受阻，思维停滞，需要点拨才能展开。通过设疑→点拨→探究→解惑，学生思维进入新的层次。点拨的方式有：

指导点拨，资料点拨，情境点拨，交流点拨，一题多解点拨。

在力学解题中增强解题思维的自我调控意识是发展智力、培养能力、提高素质的必要条件。在力学解题全过程中有计划、有目标、由简到繁、循序渐进、反复多次地引导学生自己实践，是提高力学解题效益的充分条件，对中学生感到力学习题难的心理障碍可以逐渐排除。

总之，以“学科体系的系统性”贯穿始终，使知识学习与智能训练融合于一体，可形成一个系统的完整框架。所以系统化、结构化的教学，使学生头脑中形成力学体系的清晰图象，有益于培养学生的探索精神，从被动的学习转为主动的学习，才能用自己的智慧和力量去攻克学习难关，取得良好的学习效果。