基于物理学科核心素养的《力的分解》教学设计

李文清

（福州第十八中学，福建 福州 350025）

素质的外观显性化表述就是素养，物理学科的核心素养［1］就是学生在物理教学过程中逐步形成并内化的带有物理学科特有的品质和能力。力的分解是高中力学知识应用的基础，是解决动力学问题的有效手段。教师在教学过程中应注重学生科学思维和探究能力的培养，让学生通过实验探究体会到运用“等效”思想研究问题是物理学研究中的一种重要方法，并能从同类现象中找到共同规律并建构物理理想模型，从而联系生产生活以严谨的科学态度按力的实际作用效果分解力，为今后《力与运动》的研究奠定基础。因此，笔者从落实物理学科核心素养的角度出发对《力的分解》进行教学设计。

一、对现行教材的问题分析

图1

现行人教版教材先是为了建立“分力”和“力的分解”的概念，以拖拉机对耙的拉力（如图1）作为教学引入，说“为了研究耙的运动情况和它在泥土中陷入的深度，就要在水平和竖直两个方向上分别进行讨论”，只字不提拉力产生什么样的效果。这样的引入太过突兀，忽视了学生已有的认知结构和物质观念，存在教学逻辑颠倒问题。［2］奥苏贝尔认为，应从学生已有的认知出发来吸收和巩固新知识。［2］接着教材指出，如果没有限制，同一个力F可以分解为无数对大小、方向不同的分力。让学生感受到实际问题的复杂性，这本是激起学生物理思维的关键。然而，教材没有趁热打铁，却只说“一个已知力究竟应该怎样分解，要根据实际情况确定”。接着举例：一个放在斜面上的物体受到的重力，根据需要沿平行于斜面的方向和垂直于斜面的方向对物体的运动分别进行研究，为此建立直角坐标系把重力沿两个坐标轴的方向分解，求两个分力的大小。这个例子只说根据需要对物体的运动进行研究，并没有真正地从物理学角度对客观事物的内在规律和相互关系出发，引导学生依据事实证据，进行逻辑分析和科学探究，从而得出解决问题的办法。如果教材能充分利用上节课“力的合成”中的等效替代的科学思想，启发学生用已学知识和亲身感受去寻找一个力产生的效果，是否会让学生在学习力的分解时更加的得心应手些呢？

现行鲁科版教材是用生活中常见的例子——手提一只沉重的箱子，作为教学引入，这让学生有亲近感。教材并通过这个例子说明提的力产生两个效果：一个是竖直向上的作用效果，另一个是水平压紧大腿外侧的效果，从而引出“分力”和“力的分解”。教材的编写做到强化学生应用等效替代思想的能力，渗透科学思维。接着，教材为了让学生感受力的作用效果，分别设计两个小实验：如图2、如图3所示。

图2

图3

虽然这两个小实验可操作性强，实验现象明显，但是力学结构复杂，学生在分析受力时感觉太过突兀，不利于作为新课教学中建构物理模型［1］的首例来分析。而且教材中力按效果分解和力按正交分解的编写混杂交替在一起，缺乏逻辑条理性和建模意识。这将导致逻辑思维不清晰，教学目标不明确，进而增大了学生对力的分解的学习难度。

二、教学设计与阐释

基于上述对现行人教版和鲁科版教材编写问题的分析和梳理，教师在遵循物理教学的逻辑性和培养学科核心素养的基础上，找准教学起点，准确把握教学重心，［2］对力的分解的教学设计进行了新的探究和整合，从整体上将力的分解教学分为三个环节：

（一）亲身体验引出问题，初步建立分力的概念，提升物理观念

教师在黑板上固定了两根橡皮绳，用细绳套把它们的自由端连结在一起，形成一个共同结点。先用一个竖直向下的拉力将它们的结点拉到O点位置，让学生看到一个竖直向下的拉力能把两根橡皮绳同时拉到0位置。这说明一个拉力同时产生两个效果。

接着教师提问学生：如果用两个拉力分别同时作用在左右两边的橡皮绳上，可以产生跟刚才用一个拉力时相同的效果吗？

学生互相讨论猜想：可以产生相同效果。

这时教师让两个学生上台演示并验证猜想：分别沿两个互成角度的方向同时从结点出发拉两根细绳套。结果大家可以看到两个互成角度的拉力同时作用也能将结点拉到相同的O点位置。（如图4所示）

图4

如此这般，让学生亲身体验到用两个互成角度的拉力F1、F2来代替先前一个竖直向下的拉力F，它们产生的效果完全相同。进而教师可以用三角板和直尺在黑板上示范性画出一个关于拉力F、分力F1、F2所对应的平行四边形。这样真实自然的教学引入，有意识地让学生进一步认识力的相互作用关系，同时让学生再次体验等效替代思想的魅力，从而初步建立并提炼了“分力”和“力的分解”的物理概念。

事实证明，选择准确的教学起点，直接影响着教学逻辑的走向，进而决定教学效果的优劣。［2］各版本教材均以生产和生活的实例为教学引入，从而告诉学生分力和力的分解的概念。这种教学引入与直接告诉学生分力和力的分解的概念要好些，但是并不能使学生从物理的视角去认识事物和解决问题。基于此，利用学生在学习本节内容前已经掌握了互成角度的二力合成遵循平行四边形定则的知识，并通过上节课熟悉的橡皮绳装置亲身体验引出问题，这不仅能够充分调用学生的已有知识，而且能使学生形成积极主动探索新知识的学习品质。

（二）运用科学思维方法，有效实验探究，掌握力的分解模型

教育的最终目的是发展学生的核心素养，但发展核心素养不是抽象的，它必须通过各学科课程的学习来落实。因此，教师在教学过程中就不能简单地用教材，而是要在使用教材的过程中明确本学科对学生发展核心素养的贡献，融入自己的科学精神和教学智慧，要对教材所呈现的知识进行整合、重组和创新，设计出适合自己学生的课堂教学。教师将教材知识激活，让学生高效地学到知识技能的同时获取终身受用的品格和能力。

各版本教材都指出：力的分解有多种方式，已知一个力可以有无数种分解方向，可以画出无数个平行四边形。可见要画出唯一的一个平行四边形必须找到两个分力的方向。所以，教师要引导学生提出必须要解决的问题：如何确定两个分力的方向？因此教师要让学生通过前面的新课教学引入的学习，形成解决问题的思想、方法和观点，从而在学生的头脑中逐步构建物理基本观念和科学思维。学生将得出答案：必须明确这个力产生的两个效果，就可确定两个分力的方向，从而画出唯一的一个平行四边形。

步骤如下：

（A）分析一个已知力的作用效果，确定它产生哪两个效果；

（B）根据效果，用虚线画出两个分力的方向；

（C）明确以已知力作为平行四边形对角线，以两个分力作为平行四边形的邻边；

（D）根据平行四边形定则画图，确定两个分力的大小；

（E）用数学方法求出两个分力的大小。

在这个有条理的作图步骤的指导下，学生学习目的性明确了，思维清晰了。于是师生一起走进生产生活中的实例进行分析探究。

1.水平面上的物体力的分解模型

现行人教版教材以水平面上拖拉机对耙的拉力（如图1）为例，这个情景比较复杂，不利于学生初步建构力的分解模型。而且学生受认知所限不易找到拉力产生的两个效果。因此，教师可以用生活中最常见的实例——水平面上斜拉箱子，引导学生初步建构力的分解的简单模型。

教师提出问题：这个向上斜拉的力会产生哪两个效果？让学生思考，并引导学生做个简易打操作：用绳子斜拉桌上的实验小车往前运动，观察并感受拉力的产生效果。教师因势利导，学生结合实际得出结论：向上斜拉的力产生两个效果，一个是水平向前拉箱子的效果，另一个是竖直向上提箱子的效果。这时教师示范，严格按作图步骤画图并利用三角函数求解两个分力F1、F2。（如图5所示）

图5

2.斜面上的物体力的分解模型

斜面是生产生活中常见的结构体，也是高中物理中的一个重要模型。因此教师要有意识地去培养学生建构物理模型的意识和能力。对于斜面上的物体所受重力的分解将是本节课的重难点，也是高中阶段既基础又重要的技能之一。

教师要引导学生提出问题：放在斜面上的物体受的重力会产生哪两个效果？当然，学生凭着生活经验会有所假设和猜想。实践是检验真理的唯一标准，有效的实验探究是关键。学生通过实验来求证自己的猜想。

实验（一）：用一长木板斜面，直接放上重物，看不到明显的挤压形变；在斜面上垫上一块海绵，再重复上面的实验。这样的对比实验，同时渗透着微小形变放大的实验方法。学生做到了，同时也看到明显形变，充满强烈的理性认识。

实验（二）：用一长木板斜面，放上一辆小车，先用绳子拉住小车，后烧断绳子，学生看到小车沿斜面下滑。

学生通过两个小实验的现象，不难得出斜面上的物体所受重力产生的两个效果。教师应该把握时机引导学生按上面力的分解步骤作图，画出唯一的平行四边形，并让学生利用三角函数知识求得斜面上的物体所受重力按产生的效果分解的两分力：G1=G·sinθ；G2=G·cosθ（如图6所示）。

图6

物理学科核心素养倡导在物理教学的过程中必须让学生树立“科学—技术—社会—环境（STSE）”紧密结合的理念。［1］教师必须趁机引导学生去发现实际生活中的斜面，并给合现代教学工具展示精彩视频：游乐场中的滑梯、闽江上大桥的引桥、城市的立交桥以及张家界的盘山公路等真实斜面。设问：为什么大桥的引桥部分要修的很长很缓？学生结合分力的式子不难得出结论：G1和G2的大小与斜面的倾角有关，进而从安全性和节能性角度悟出引桥很长很缓的道理。由此教师有意识地培养学生具有珍惜生命，热爱自然，节约资源，保护环境的责任感和使命感。［1］

3.三角支架力“塔吊”的分解模型

在鲁科版教材的课后练习中有塔式起重机的生产实例，因此教师在教学内容处理上增添另一个实例“塔吊”，这样的调整使学生对科学和技术应有的正确态度以及责任感起到了积极的促进作用。同时，进一步培养学生建构物理理想模型的能力。

图7

教师通过现代教学工具展示生活中的精彩瞬间：高楼空调外机固定支架、繁忙建筑工地上的塔式起重机、闽江上斜拉式大桥。学生通过视频观看会发现三角支架就在身边。接着教师引导学生把这些复杂的三角支架简化为便于分析的物理模型。如图7所示重物对A点产生拉力F，现要将拉力F按产生的效果来分解。提出问题：拉力究竟产生什么作用效果?当然学生基本上没有这些效果的真切感受。这时教师引导学生设计小实验，让每个学生动手做，感受钩码向下的拉力产生的效果。学生经历亲身体验，感受到两个效果：中指被绳子往外斜向下拉的效果和掌心被笔尖往里压的效果。这样很快就能把生活中常见的三角支架上重物对A点的拉力的分解图画出，进而用三角函数求得分力F1、F2。

（三）拓展思维，学以致用，培养科学态度

1.延伸课堂，拓展思维

学生通过前面的几个课堂活动掌握了按力产生效果分解力的模型，这是本节课的主要目标。然而，在有些受力复杂的物理情境中，尤其是遇到要分解多个力的情况下，就淡化力产生的效果，化繁为简直接按正交分解力，是另一种解决力的分解的巧妙方法，也是学生后续的课程中要掌握的第二类分解模型。此时，教师可以先向学生初步介绍正交分解，即在已知力的作用点处建立XOY直角坐标系，沿X、Y两个坐标轴分解已知力，画出矩形，确定两个分力的大小，用三角函数求出沿着X、Y坐标轴上两个分力的大小。教师可以指出，力的正交分解，其实可认为是力按效果分解的一个特例——两个效果不同的分力恰好相互垂直正交时的情况，例如以上水平面和斜面的分解模型中两个分力就是垂直正交的。教师将教材通过这般处理，既突出本节课的重难点又将本节问题化繁为简，从而使教学更加有效。

2.学以致用，培养科学态度

通过以上的课堂学习，学生已经能基本正确认识力的分解的作用和本质，具有一定的学习和研究相关物理问题的能力。这时教师设置适当难度的生产生活中的案例，让学生通过相互协作相互讨论建构物理模型完成案例分析。

案例1如图8所示，刀刃在物理学中称为“劈”。请用本节课所学知识分解刀刃在劈物体时的力，并讨论分析为什么刀刃截面夹角要小？

图8

案例2如图9所示，用钢索把载重卡车和大树栓紧，在钢索的中央用较小的垂直于钢索的侧向力就可以将陷入泥坑的载重卡车拉出，请你能否用学过力的分解的知识对这一方法作出解释？

图9

学生通过这样的进一步的学习和研究，不仅通过相互协作讨论强化了按照力产生的效果分解的应用，而且训练了根据事实建构理想模型的能力。同时将有限的课堂容量向广阔的生产生活延伸，从而进一步树立“科学—技术—社会—环境”（STSE）紧密结合的理念。

三、总结和启示

随着物理课程标准的逐步实施，越来越重视对学生科学素养的考查。因此，作为一线的物理教师必须更加注重对学生科学素养的培养，在教学过程中必须坚持以传授所需科学知识及其技能为基础；以培育科学态度、情感与价值观为主导；以发展学生创新精神、养成应用科学方法的行为和习惯为重点；以了解科学、技术与社会的关系为背景，渗透科技意识，从而提高学生的科学素养。

综上，文章本着培养学生物理学科核心素养的理念，合理改进教学内容，通过导入部分的改进演示实验以及一系列的实例探究，让学生去亲近生产生活，把枯燥抽象的物理知识带到生产生活中去，把复杂的生活结构体化为理想的物理模型，为课堂注入生机与活力，落实物理学科核心素养的培养。