牛顿定律复习中典型学习障碍的分析及对策

2016-01-12韩志祥

物理通报 2015年9期

关键词：受力习题对象

韩志祥

(常州市第三中学　江苏常州　213000)

牛顿定律复习中典型学习障碍的分析及对策

韩志祥

(常州市第三中学江苏常州213000)

摘要：学生的学习情况是教师教学的依据，通过作业批改反馈、部分学生访谈等途径寻找学生利用牛顿定律解题中的障碍并分析其成因，最终形成行之有效的高三物理习题教学策略．

关键词：牛顿定律解题障碍学情分析教学策略 4.1构建图形情境体会的内隐含义

1研究背景

高三力学复习时经常会出现这样的问题：学生处理单个物体的受力及运动基本都能够胜任，但是一旦遇到较为复杂的连接体问题，多数学生会出现各种各样的差错．通过对2014年江苏高考考试说明的分析可知，牛顿定律中要求学生能够灵活地运用整体法和隔离法处理力学问题，加速度大小不同的连接体问题的计算仅限于两个物体的情况[1]，也就是说加速度相同的连接体个数不限，如果再加入摩擦力的临界问题，则显然会加大学生解题的难度．学生之所以在这儿出现问题，与教师的习题教学策略密切相关，通常教师在习题教学中比较多的是沿着题目本身的内在逻辑展开，直接给出解题程序，但由于很少从学生思维的障碍出发，所以教学的效果并不尽人如意．基于以上思考，调查学生学习情况就具有了一定的研究价值．

2牛顿定律复习中的学情分析

学情分析就是分析学生在学习方面有何特点．包括基础如何、学习方法怎样、习惯怎样、兴趣如何等．主要的手段就是通过调查学生解题过程的每一步，剖析其思维的障碍，了解学生迫切需要得到教师怎样的帮助，从而为教师的有效教学提供最直接的证据．

本次调查的目的是研究学生在牛顿定律分析过程中出现的障碍，最终为有效教学策略的制定提供依据．选取的样本为一个高三物理班，共计52人，其中男生26人，女生26人．调查的内容是一道自编习题和一道现成习题，主要涉及牛顿定律中的整体法与隔离法的应用．调查的手段主要通过作业批改和部分学生访谈．

2.1作业批改反馈

【例1】溜冰的时候需要人们的脚摆出向后蹬的“外八字”从而产生前进的动力，摆出“内八字”即能产生阻力.图1所示，是溜冰场上常见的场景“推火车游戏”：不会溜冰的甲和乙脚部基本平行从而使阻力可以忽略不计，而最后一个人丙的脚步呈现“外八字”产生恒定的动力F，若3人的体重相同，求乙对甲的推力是多少？获得稳定速度后，3人脚部均保持平行．当遇到前面有障碍时，第一个人看见后将脚摆出“内八字”产生恒定的阻力F，其他人保持原状，求乙对丙的作用力是多少？

图1　溜冰场上的“推火车”游戏

数据统计与分析：28.8%(15人)的学生所做作业此题完全空白，其中女同学占据了19.2%(10人).因为他们题目都没能看懂，想象不出所描述的场景是怎样的，还有学生认为题目给定的条件过少，无从入手．57.7%(30人)的动笔的学生中，基本都是认为乙对甲的力仍然为F，这些人中有7.7%(4人)也是没理解题意，只是凭感觉写了个答案，剩余的50%(26人)的人都认为力具有传递性，所以都应该是F，当然也有13.5%(7人)学生能够理解该情境，并能够成功解答．

【例2】如图2所示，小车的质量为M，人的质量为m，人用恒力F拉绳，若人与车保持相对静止，且地面光滑，又不计滑轮与绳的质量，则车对人的摩擦力可能是

A．0

图2

数据统计与分析：从学生解答题目的痕迹看出96.2%(50人)的学生都做了，因为题干部分条件充分，情境描述以模型图代替更加直观．86.5%(45人)的学生都能顺利地选取整体分析出共同的加速度．但是有75%(39人)的学生在隔离人作为研究对象进行受力分析时出现了障碍：

(1)认为人向右拉绳，所以人受到一个向右的拉力的同学占了28.8%(15人)．

(2)在分析人受到的摩擦力方向时都认为肯定水平向右，而且未考虑其他可能性的同学占了67.3%(35人)．

(3)认为人受绳子的拉力与摩擦力相等的同学占了38.5%(20人)．

2.2部分学生访谈

(1)学有余力的学生：完成基本没有什么困难，头脑中具有清晰的情境，能够比较熟练地使用整体法与隔离法，会利用加速度方向准确地进行受力分析，但在遇到多个物体且涉及到摩擦力的临界问题时，仍然感到比较困难．

(2)大多数学生：看到文字描述较短的题目能够耐心地分析，如果能够配有情境图就更好上手了，审题时苦于关键信息的挖掘，在头脑中很难构建清晰的运动过程和受力情景，画受力分析时，偶尔忘记受力分析的顺序、要么少力、多力、要么力的方向画反、绝大多数学生无法画出精确的受力分析图，遇到复杂问题时，大多数时候都未曾考虑过物体的运动状态，基本默认合力为零，解题中经常凭借回忆曾经做过的类似题型来解题．

(3)学习困难的学生：整个解题环节都处于无序状态，毫无解题思路可言，丧失学习物理的兴趣．

综上所述，学生在牛顿定律复习过程中的主要问题集中在以下3个方面：审题时无法建立清晰的物理模型，提取不了关键信息；研究对象的选取不确定，没有明确的原则；受力分析图总是画不准．

什么原因导致学生会产生上面3种典型的解题障碍呢？

3学生解题障碍成因

3.1审题障碍的生理原因

记忆的生理学研究表明[2]：左脑随着年龄增大而衰退，负责语言记忆、浅层记忆、少量、低速马上就会忘记；右脑具有后天开发的可能性，负责图像性记忆、深层记忆、大量、高速，可以随时再现．通过分析后，可知，在解题时非常重要的一步就是审题，审题的作用其实就是将大量的难以记忆的的文字内容包括一些隐藏着丰富物理信息的关键词转化为很容易记忆的图形内容，如果记忆深刻，则大脑更容易提取和分析．

3.2解题障碍的心理原因

初中生接触的基本都是力的平衡问题，所以平衡的认知结构已经稳定建立．当学生遇到新的事物，总是用平衡图式同化它们，如果获得成功，原有图式便会得到巩固和加强，认识达到平衡；如果失败，便会调整原有图式或创立新的图式以顺应现实，使认识达到新的平衡．当然这中间需要自我调节(主观努力)．自我调节的职责就是保证主体以正确的同化或顺应方式实现认知结构的平衡[3]．显然问题就是出在学生的自我调节环节，当学生思维中同化占据主导就很难建立起非平衡态的正确图式．所以教师应该从此处入手，通过各种手段培养学生自我调节能力，特别引导学生建立非平衡态图示并达到顺应，打破学生认识的定势．

弄清了学生的思维障碍，并在理论上找到了原因后，破除学生的解题障碍便有了可能．

4基于学情分析的习题教学策略

首先，注重在平时的课内课外进行习题情境教学，渗透关注生活的意识，通过播放视频，查阅网络资料充分让学生了解体育、科技、生活中的物理情境．接着，既然文字情境很难进入记忆长久保存，所以习题教学中要培养学生将之转化为图形情境的能力，即建立物理模型．最后，当模型建好后，分析题目中的关键词所隐藏的信息，从而为物理规律及方法的选择提供充足的条件．

比如例1中的情境教学可以先让溜过冰的同学表演一下溜冰的“外八字”和“内八字”动作，分析其向前的动力实际上就是冰面对人的摩擦力，向后的阻力也是冰面对人的摩擦力．

例1中的文字情境就可以转换成下面的图形情境：

如图3所示，3个质量相同的物体甲、乙和丙，紧靠在一起放在光滑的水平面上，如果它们受到水平推力F作用，则乙施于甲的作用力的大小为多少．(具体解答略去)

图3

针对例1的审题，特别要理解文字情境中的“外八字”的内隐含义：人的脚如果向后蹬便会受到冰面向前的摩擦力，也就是恒力F．在恒力F推动下，甲、乙、丙一起向前匀加速，在这儿隐藏了她们具有共同的加速度这一关键信息．

4.2排除干扰因素学会聚焦研究对象

分析任何物理问题均始于选取研究对象，研究对象的选取往往是根据问题的需要和条件的多少进行的，如果问题研究的对象不便于分析，往往要通过牛顿第三定律进行研究对象的转换．

针对力学中的多物体问题，首先，判断多个物体是否具有共同加速度，如果有，则先整体后隔离，隔离时遵循由易到难的原则，无论是整体法还是隔离法在受力分析前务必做到“聚焦”，聚焦的方法就是利用学生学过的质点模型，忽略研究对象的形状和大小，这样便可以排除内力的干扰．研究整体时，将整体看成点，但凡是整体外的物体对它产生的力都得画在受力分析图中；研究个体时就将个体看成点，同样要画好所受外力．

4.3关注运动状态确保精准受力分析

学生在聚焦研究对象后，必须结合物体的运动状态，最关键的就是利用加速度方向画好精准的受力分析图，当然在此过程中为了避免受力分析时出现多力或者少力，需要引导学生重温力的定义，即力是物体间的相互作用．为了让学生更有针对性地使用力的定义，可以具体转换为以下的模式：谁对研究对象施加了朝哪边的什么力．同时还要牢记受力分析的顺序：先场力后接触力．在平时的受力分析过程中加强对学生的专门训练，从而最终让学生学会精准的受力分析．

比如在例2中，我们可以引导学生这样进行解题：首先，审题时，抓住题目中人与车相对静止，隐藏了它们具有共同加速度的物理信息．接着，选择人+车作为研究对象．

根据“谁对研究对象施加了朝哪边的什么力”进行分析，人向右拉绳，受力物体是绳，但是我们选择的研究对象是人和车，所以必须进行研究对象的转换，根据牛顿第三定律可知，绳必定对整体中的人施加了水平向左的拉力，同时绳子也对整体中的小车施加了水平向左的拉力，因为滑轮不改变力的大小，所以均为F，人与车之间的力属于内力，不能画出，所得受力分析图如图4所示，可知

方向水平向左.然后，选择人作为研究对象．