从省市级优质课“力的分解”引发的思考

王贤勇

（贵州毕节市第一中学，贵州 毕节 551700）

1 问题背景

在2020年笔者有幸观摩了贵州省第七届物理优质课的市赛和省赛.市赛和省赛的课题之一都是选自人教社2004版高中物理必修1第3章第5节“力的分解”.其中市赛有6位教师、省赛有9位教师上了“力的分解”这节课，经笔者梳理后发现这15位教师课的设计都大同小异.体现在四个方面：一是课例几乎一样；二是知识方法最共性的一点是把这节课的重点放在力的“效果分解法”上；三核心素养最共性的地方都设计了科学探究；四是都用了小组合作探究模式.可见，真不愧是优质课比赛，设计还是比较潮流的.下面请跟随笔者的梳理，一起去看看最典型的课例设计.

2 设计要点

如何去分解1个力？请看部分教师在分解方法环节和应用环节的设计.

科学探究1.以人拉拉杆箱为例（其中有的教师用人拉箱，有的教师用拖拉机拉耙）.引导学生思考人对箱的拉力产生什么效果.有4位教师用图1所示的装置演示实验：用斜向上的力F拉物体，学生观察台秤和弹簧测力计的示数，台秤示数减小，弹簧秤示数增大，说明拉力F产生两个效果，一个效果是使弹簧被拉伸，一个效果是把物体竖直提起.总结得出力F按其作用的效果可分解为水平向右和竖直向上的2个分力.

图1

科学探究2.以斜面上的物体为例，物体的重力G如何分解？引导学生思考重力G产生什么效果.有的教师用薄板和气球观察重力产生的效果；有的利用图1的装置来观察重力产生的效果（拆去拉力，把木板的左端抬高，观察台秤和测力计示数的变化）；有的教师用薄板、海绵或气球观察重力产生的效果.如图2（a）所示，把铅球放在斜面上，学生观察到薄木板被压弯，海绵发生形变.所以得出重力G产生两个效果，一个效果沿斜面向下，导致海绵发生形变，另一个效果垂直斜面向下，使物体挤压斜面，于是重力G被分解为如图2（b）所示的2个分力.

图2

点评：这两种设计方案的优点是引导学生从生活走向物理，建立物理模型，同时把“抽象的效果”显现出来，能让学生达到一听就懂的效果.

科学探究3（应用）.塔吊吊货物，绳拉塔吊的力如何分解？学生观看塔吊的图片或者视频，结合教师提前发给学生的铅笔、细绳、钩码，让学生自己设计简易塔吊，感受拉力产生的效果，从而作出2个分力F1和F2.流程如图3所示.

图3

科学探究4（应用）.展示斧头劈柴图片，分析斧头刃角越小，越容易把柴劈开的原因.学生讨论、教师解释，斧头的尖刃越薄，F1和F2越大，所以越容易把柴劈开.如图4所示.

图4

科学探究5（应用）.陷入泥潭的汽车，汽车上有一根绳，如何才能把汽车拉出泥潭（四两拨千斤）？

点评：继续培养学生建模的能力，亮点是升华到把所学知识应用于生活.

3 问题分析

笔者上网查一下“力的分解”的优质课，获得一等奖的设计方案在力分解的环节其重点是按“效果分解法”进行的.笔者继续在知网上查询了“力的分解”的核心论文，同样发现也是把“效果分解法”作为重点来设计的.笔者认为“效果分解法”是传统的分解方法，人教社2004版教材已经摒弃，把“效果分解法”作为本节课的重点是值得商榷的，因为“效果分解法”存在诸多弊端，且对后续的学习没有多大的价值和意义，分析如下.

3.1 “效果分解法”的难点是不好找效果

力的分解过程一般是去寻找两个不存在的力来等效替代一个客观存在的力.从数学的角度就是已知平行四边形的一条对角线，去寻找这条对角线的两条临边.分力既看不见又摸不着，尤其是在复杂的物理情境中不好确定“两个效果”，即分力的两个方向，也就无法进行分解.所以按“效果分解”来开展教学的结果往往是学生一听就懂，一做就错.究其原因是学生不知道分力的具体走向，他们的主观感受好像是力怎么分都可以，故难以进行分解.还有一个物体往往受多力作用，离开受力分析和运动分析单独去寻找某一个力的作用效果本身是没有意义的.

3.2 “效果分解法”存在一些误区

误区之1.科学探究2中，通过观察木板和海绵形变了就得出重力G的分力一个垂直斜面向下，一个沿斜面向下吗？这显然是不严谨、缺乏科学性的.原因是不管我们把重力G分解到什么方向，效果均一样，都会观察到同样的现象.那说明木板和海绵的形变与重力G分解到什么方向没有关系.同理，科学探究1中台秤和测力计的示数与拉力F分解到什么方向也没有关系.台秤和测力计的示数是由物体的受力情况和运动状态来共同决定的.

误区2.科学探究3中，从塔吊模型到学生模拟塔吊模型，再到最后的模型所受拉力的分解都是值得商榷的.因为塔吊模型是定杆模型（支点固定），细心观察的同学还会发现，有的塔吊没有斜向的两根钢索，同样能工作.学生模拟的是动杆模型（杆可绕支点旋转），动杆模型受力沿杆，定杆模型的受力是不一定沿杆的.可见模型构建是缺乏科学性、严谨性的，甚至是错误的，故得出的结论也未必正确.这样的教学设计是培养不出学生严谨的科学态度和正确的价值观念的，甚至会把学生引导向错误的方向.

误区3.力的作用效果有两个，一个是使物体的运动状态改变，一个是使物体发生形变.这两个效果可以同时产生，也可能只有一个.按照力的“效果分解法”，很容易导致学生在某些方向上把力的“作用效果”理解错误.比如科学探究2中，学生观察到气球和木板发生了形变，他们就会自动建立这样的关系：是重力沿斜面的分力和重力垂直斜面的分力分别作用在气球和木板上，所以才看见形变.这种理解显然是错误的.正确的理解应为：重力的效果是使物体向下运动，气球和木板阻碍了物体向下运动，导致物体间相互接触挤压、形变，从而产生弹力.

科学探究4和5中，题目要考查的要点是：合力一定时，两个等大的分力夹角越大，则分力越大.但要把这个结论运用于劈柴和拉车是非常难的，原因在于：要分解的力作用在斧子上，但结果是柴被劈开了.可见，对象是混淆的.麻烦还没有结束，学生还会想到，这两个分力是用来代替F的，故作用在斧子上，刃角越小，分力越大，应该是把斧子劈开才对呀！两个分力越大和容易把柴劈开还要建立一定的逻辑关系，要去构建这样的逻辑关系，又要涉及到研究对象的选择、轻质模型的构建、力和运动的关系、作用力与反作用力等知识.从教学处理来看，缺乏逻辑性，知识的跨越性过大.从目前学生储备的知识和能力来看，超越了学生的认知.故这样的教学处理即使得出的是正确的结论，但是因为学生无法理解，所以便谈不上运用，最终也是无效的.导致的结果是学生一听就懂，一做就错.究其原因是学生根本就没有理解这类问题的前因后果，它们只知其然而不知其所以然.云里雾里，不知道问题出在哪里.

误区4.力的“效果分解法”可能会把学生导向错误的方向.老师花大量的篇幅来讲解力的效果分解法，会让学生觉得效果分解法很重要，他们会花大量的时间去训练效果分解法，这是得不偿失的，对后面的学习也是没有多大帮助的.因为我们知道，力的分解是为了把复杂问题简单化，是为了解决力和运动的关系服务的，仅仅是解决问题的一种手段和方法.如果说非要采用效果分解的时候，应该从“改变运动状态”的效果上来综合分析才是最佳的.对比人教社2004版和2019版的教材笔者发现，为了让教师和学生们不在力的分解上浪费过多的时间，2019版已经把力的分解与合成编排成一节内容，大大的弱化了分解的内容.所以我们应该及早走出传统力的分解教学，这样做无疑减轻了教师教学的负担和学生学习的负担，有利于增强学生学习物理的自信心.

如何才能避免以上的误区，笔者给出的下列几点建议供教学参考.

4 教学建议

4.1 坚持以新课标为指导

课程标准是教学的指挥棒，是教学必须要达到的基本要求.作为教师，备课前必须研读课程标准，按照新课标的要求进行教学设计.切勿提高教学难度增加学生的负担，打击学生学习的积极性.2017年版高中物理新课标对力的分解有明确的指示，在能力层次方面已经从“理解”层次降为“了解”层次.在目标方面要求会把一个已知力分解成方向确定的两个分力，并能进行简单的运用.力的分解与力的合成是相辅相成的，很多情况下，分解的目的是为了合成.力的合成与分解应该在具体的情境中，结合受力分析、运动状态才会有实际意义和价值.所以专家指出在新课标这节书中降低了能力层次的要求是合理的，因为学生还没有学习力与运动的关系，降低难度不能理解为力的分解与原来相比已经不重要了.考虑到学生目前的认知，关于力的分解的意义会在以后的教学中循序渐进的推进.

4.2 坚持以教材为根基

教材是专家经过多次改编、审阅、修订而成的.具有权威性、严谨性、基础性、逻辑性、系统性等特点.一个已知力应该怎么分解呢？通读人教社2004版高中物理必修一第3章第5节“力的分解”后笔者发现，整节书没有提到“效果分解”这4个字.这就说明，教材编写的专家已经注意到“效果分解法”存在一定的缺陷，没有多大的实际意义，所以教材避而不谈“效果分解法”.教材中有这样一句话：一个已知力究竟应该怎样分解，要根据“实际情况”确定.什么叫“实际情况”呢？也就是根据实际需要来进行分解.以斜面上物体所受重力的分解为例，教材是这样编写的：现在需要沿平行于斜面的方向和垂直斜面的方向对物体的运动进行研究，为此建立直角坐标系.现在把重力G沿两个坐标轴的方向分解即可.作出平行四边形定则，找出分力与合力的几何关系.受此启发，科学探究1中如何分解拉力F呢？当我们需要研究箱在水平面的运动情况和竖直面的运动情况时，就把拉力F分解到水平方向和竖直方向.这样分解的优点是：一是减轻了学生学习的负担，只需要学生会把力分解到需要的方向上即可；二是有效的规避了效果难找的问题，规避了受力分析时容易多加分力的问题，规避了科学探究2中物体对斜面的压力和重力垂直斜面的分力常常混淆不清的问题；三是不管物体在斜面上是静止还是运动的，这种分解都可以.所以这种分解方法为力和运动的关系打下基础，润物细无声地培养了学生们核心素养之“相互作用观”与“力和运动的观念”.

4.3 坚持以素养为核心

“高中物理学科核心素养”是高中物理学科育人的核心要素，其目标是学生通过高中物理的学习，逐步形成正确的价值观、必备的品格和关键的能力.那么在力的分解中可以去培养学生的哪些核心素养？

（1）可以培养学生科学思维能力.

比如通过再次分析合力与分力具有等效替代的关系，可以进一步深化学生对“等效替代法”的认识，深化学生对矢量运算的认识.从拖拉机拉耙、人拉箱等生活情境出发，引导学生从生活走向物理，从物理走向科技，可以培养学生构建物理模型的能力.从斜面上物体重力的分解，改变斜面的倾角的大小，分力大小随之改变，引导学生思考高大的桥为什么要建长长的引桥，为什么要修建盘山路，培养学生把物理知识运用于生活的能力.

（2）可以培养学生的物理观念.

力的分解根据实际需要来进行：通常需要研究某两个方向的运动情况（一般这两个方向相互垂直，为正交分解打下基础），所以要把力分解到这两个方向上.教材之所以这样做，从逻辑上来说，为后面牛顿运动定律打下基础，从核心素养的角度上看，这是为了更好的培养学生的“运动与相互作用观”.斜面上的物体之所以和斜面接触挤压，是运动和相互作用的结果.

（3）可以培养学生科学探究的能力.

科学探究设计环节1、2不应用来探究一个力如何分解，而应该用来验证力的分解是正确的.学生已经储备了同一直线上二力平衡的知识，如图5所示，把弹簧秤和台秤换成拉力传感器和压力传感器（没有拉力传感器利用台秤和测力计也可以完成，误差要大一些），选用表面比较光滑的斜面体和物块，利用拉力传感器和压力传感器测出T和N的大小.测出斜面的倾角θ，利用计算机算出F1和F2的大小，分别比较T和F1与N和F2的大小，在实验误差范围内验证力的分解的正确性.

增加这样的验证环节不仅创造性地使用了教材，更是有利于提升学生科学探究能力，培养学生在实验操作过程中发现问题、探索问题、解决问题的能力.分解环节的验证与合成环节的验证前后呼应，再次证明了力矢量运算遵循平行四边形定则，更加有利于学生去理解合成与分解互为逆运算，为理解矢量运算打下了坚实的基础.验证的过程构建模型，将复杂问题简单化，对培养学生模型的建构能力有很好的帮助.

图5

（4）可以培养学生的团队合作、科学态度、价值观和责任感.

设计应用和验证环节后，学生经历了真实的科学探究环节，领悟了科学的探究方法，总结出规律，体验了探究的乐趣，激发了学习的兴趣，培养了学生严谨求真的态度.同时教会学生要用学会的规律来解决实际问题，要让学生养成理论联系实际的良好习惯，深刻地理解科学的魅力和价值.

核心素养的提出，为高中物理的教学指明了前进的道路，要让学生形成正确的价值观、必备的品格和关键的能力，课堂教学无疑是培养的主阵地.作为教师，课堂实施必须转变观念，以学生为本，大胆的放手让学生尝试去做，去讲、去练，去培养学生敢于猜想、勇于探究的意识.课堂设计要以学生的认知水平为起点，由感性认知上升到理性认识，由特殊到一般，层层递进，逐渐升华，培养学生学习物理的兴趣和科学探究的方法，形成探索物理规律的一套方法.

5 结束语

如何在“力的分解”教学过程中培养学生的学科素养，让学生从生活走向物理，从理论走向实践，从会做题到会解决实际问题，这是所有物理教师都要思考的问题.在教学理念、教材分析、学情分析、教学设计、小组实验等教学环节均要进行细致深入的研究.

笔者查询了现有各版本的教材，发现对力的分解有不同的处理方式：鲁科版的教材从力产生的效果角度进行分解，此方法是传统的分解方法，是现行用得最多的方法.人教社2004版教材对如何进行分解总结为4个字“实际情况”；人教社2019版，把力的分解与合成合并成了一节书，只讲力的分解与合成互为逆运算.可见，教无定法，无论哪一种分解方式，目的都是为了更好地落实教学目标，有利于提升学生的学科素养.