用变式训练专题提升学生受力分析能力

孙春成

江阴市教师发展中心，江苏 江阴 214401

受力分析是高中物理教学的重要内容，对学生后续物理学习有着奠基作用，同时该内容也是高中物理教学的难点，往往使得教师难教、学生难学。为了研究受力分析难教的症结所在，找到破解之策，为学生后续学习物理扫清障碍，本文采用小专题变式教学的方式降低教学起点，让学生从简单情境开始，逐渐推进到复杂情境和综合性问题。小专题变式教学可以夯实学生的物理基础、破除错误前概念、掌握受力分析细节、有效衔接初高中受力分析内容、提升学生思维品质，从而提升受力分析教学的效率，更好地让学生掌握必备知识、习得关键能力。

1 受力分析在高中物理教学中具有重要地位

1.1 受力分析是后续物理学习的基础

虽然教材没有专门章节提及受力分析，课标也没有提出明确具体要求，但受力分析贯穿整个物理教学始终，可以说是物理教学的重要基础和关键内容。只有真正具有受力分析能力，学生才能顺利完成后续力与运动、共点力的平衡、牛顿运动定律、动量、功能关系、电学、热学（气体压强、热力学定律）等主干知识的学习。

1.2 受力分析是解决物理问题的重要基础

解决物理问题尤其是综合性问题，往往需要确定研究对象后对其进行受力分析，研究其运动状态、物理过程，而后运用物理规律进行求解。受力分析是问题解决的前提，也是重要基础，如果受力分析出错，那么对运动状态、物理过程的分析就会出错，从而无法正确解决问题。

1.3 受力分析是培养学生物理学科核心素养的重要载体

新课标凝练了物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任等学科核心素养。受力分析与物理观念和科学思维这两个维度的核心素养联系密切。首先，受力分析研究的是物体间的相互作用，通过受力分析可以培养学生相互作用观念；其次，受力分析往往综合性较强，各种约束条件、各个物体之间存在相互联系和相互制约关系，受力分析对学生逻辑思维、求异思维、思维深刻性的发展都有重要促进作用。

2 受力分析是高中物理教学的难点

2.1 学生错误前概念的阻碍

受力分析难教、难学是由多方面的因素造成的，其中一个重要因素是学生学习受力分析之前已经有了不少“错误”的前概念，阻碍了新知识的建构。受力分析时，弹力、摩擦力的有无及方向的判断是关键、是基础，但是学生由于错误前概念导致其对弹力、摩擦力的学习存在缺陷，从而影响了受力分析的正确性。比如，“只有运动的物体才能受到滑动摩擦力”“只有静止的物体才能受到静摩擦力”“滑动摩擦力总是阻力，总是做负功”等错误前概念。这些错误使学生混淆了运动与相对滑动，混淆了静止与相对静止等概念。

2.2 初高中受力分析台阶较高

初中阶段学生遇到的问题基本上是一条直线上的力，且力的数量不多。到了高中阶段，研究对象受到力的数量突然增多，力的方向也由一条直线上变成多条直线上，且高中阶段学生一接触受力分析就会遇到力的方向不在相互垂直的方向上的情境。这样学生逐个分析力的有无、方向，以及探究不同力之间相互关系的难度都大幅提升，对学生基础和思维能力都要求较高，较高的台阶成为学生学习的障碍，使得不少学生不能正确分析和处理受力。

2.3 受力分析思维链条较长

受力分析，首先需要依据研究的问题选取研究对象（涉及整体法、隔离法的选择），然后用“条件判断”、假设法等判断各个力有无和方向，并画图表征各个力，最后将物理语言转化成数学语言，利用三角函数或勾股定理等数学知识确定各个力的大小。这一操作过程，对已经千锤百炼的物理教师而言很简单，但对刚上高一的学生来说，思维过程稍长，具有较大的挑战性。高一学生思维处在快速发展期，思维链条越长则学习难度越大，目标达成度越低，较长的思维链条已成为学生学习受力分析的主要障碍之一。

3 受力分析变式教学案例简述

3.1 受力分析变式教学时机

建议受力分析变式教学专题安排在学生学习完弹力、摩擦力、牛顿第三定律等内容之后，放在力的合成与分解教学之前。因为，此时学生已经学习了重力、弹力、摩擦力等力学中常见几种性质的力，也学了力的图示和力的示意图，具备进行受力分析的基础，且学生对牛顿第三定律的掌握有助于其在复杂情境中转化研究对象，判断摩擦力、弹力的有无及方向。其次，通过本专题的学习，提升了学生的作图能力和受力分析能力，为其后续学习力的合成与分解、共点力平衡奠定基础。因此，考虑学生学习基础，本着循序渐进的原则，可以依次开展弹力变式、摩擦力变式、综合受力变式等内容的教学。

3.2 受力分析变式教学题组及分析

3.2.1 弹力为主的变式题组

弹力变式题组由8个图构建的情境组成，如表1所示，从第1行到第2行依次称之为图（1）到图（8）。表1中各图接触面均光滑，要求学生画出小球的受力分析示意图。

表1 弹力变式题组

设计意图：本题组是为了夯实弹力有无判断和弹力方向的确定，为后面综合性强、更为复杂情境中物体受力分析奠定基础。初学时，学生在图（1）、图（7）完成受力分析后几乎陷入思维定式，导致在图（2）、图（4）、图（8）所展示的情境中，学生容易判断错误，他们会认为这几幅图的情境中接触物和小球之间一定有挤压，存在弹力，相关学习可以有效破除学生的思维定式。思维定式的破除可以让学生更好地掌握必备知识，发展科学思维能力。

3.2.2 摩擦力为主的变式题组

以摩擦力为主的变式题组，由3个小题组组成，表2中每一行为一个单独的小题组，每一小题组由4幅图组成，从左向右依次称为图（1）、图（2）、图（3）、图（4），各图中所有接触面均粗糙，让学生对物体进行受力分析。

表2 摩擦力变式题组

设计意图：

题组1，图（1）中物体放在水平面上，向右滑动，夯实滑动摩擦力在基础情境中的判断。图（2）中物体在外力作用下静止，巩固静摩擦力有无的判断，确定摩擦力的方向和大小。图（3）中物体在外力F作用下向右运动，与图（1）形异质同，可以在受力分析结束后追问学生图（1）中物体做何种运动，图（3）中物体做何种运动。目的在于加深学生的印象，培养学生分类讨论的能力。图（4）在图（3）的基础上将运动方向改为向左，外力F与运动方向不同，受外力F的干扰，不少学生会将滑动摩擦力方向判断错误，本情境的引入可以突破学生的思维定式，强化滑动摩擦力方向与相对滑动方向相反这一基本知识。

题组2，本题组可以让学生区分清楚“运动方向”与“相对滑动方向”，为破除错误前概念奠定基础。物体刚放上传送带时的情境分析[图（1）、图（3）]，可以破除“相对滑动方向就是运动方向”的错误认知，相对滑动是以摩擦力的施力物体为参考系，运动一般是以地面为参考系，二者未必方向一致，这两个情境中物体相对于传送带向左（或沿传送带向下）滑动，而相对地面的运动方向是向右（或沿传送带向上），二者相反。图（2）所示情境中，判断滑动摩擦力的有无，可渗透假设法、运动状态法，为分析图（4）奠定基础。图（4）中，物块受到的静摩擦力是动力，做正功，学生对图（4）与图（1）情境判断可以破除其如下错误前概念：滑动摩擦力总做负功；静止的物体才会受到静摩擦力；静摩擦力不做功。

题组3，本题组是在题组1的基础上变化而来，目的是将物体置于斜面上后受力分析变得复杂，这是学生今后经常遇到的情境，通过本题组可以强化学生对滑动摩擦力和静摩擦力的判断，训练学生的思维能力，提升分析问题的能力，还可以通过图（4）训练学生分类讨论的能力。

3.2.3 综合性受力分析变式题组

在夯实弹力、摩擦力的基础后，为了提升学生在复杂情境中受力分析的能力，笔者设计了表3中的题组。本题组由表3中的8幅图、两个小题组构成，每一行中4幅图为一个独立的题组，从左向右依次称为图（1）、图（2）、图（3）、图（4）。题组1中各图中物体A、B、C、D的质量均为m，在力F作用下处于静止状态，让学生分别画出物体A、B、C、D的受力分析示意图，并标出各接触面静摩擦力的大小。题组2为叠放体问题，物体A、B叠放在一起，各接触面均粗糙，让学生画出物体A、B各自的受力分析示意图，并标注摩擦力的大小。

表3 综合性受力分析变式题组

设计意图：

题组1，研究对象逐渐增多，受力分析难度逐渐增加，对学生要求越来越高，学生需要不停变换研究对象，不断切换整体法和隔离法。通过本题组可以进一步夯实弹力、静摩擦力的知识，强化整体法和隔离法以及假设法和运动状态法的应用，对学生掌握知识本质、领悟方法，提升思维水平有重要作用。

题组2，物体A、B叠放在一起置于水平面上，力F作用在不同的物体上、处于不同状态时，所受摩擦力的类型、大小、方向都会随之变化，通过4幅图所展示的相似度极高的情境，可以更进一步促进学生掌握知识，提升思维水平。

以上各题组，都要求学生规范、认真画出研究对象的受力分析示意图。通过让学生画图，训练学生良好的作图习惯，并在讲解过程中规范作图，强调作图的细节，包括作用点的位置、箭头的标识、线段长短大致合乎比例、线段方向要准确等。通过训练和细节的强调，培养学生的作图意识，提升学生的作图能力和作图素养。

4 受力分析变式训练效果分析

4.1 有利于巩固物理基础，掌握必备知识

“必备知识与关键能力一样，是学科素养的基础支撑”。掌握必备知识，在学生头脑中形成关于相互作用的物理观念，才能“从物理学视角分析客观事物的本质属性、内在规律及相互关系”，从而实现对学生科学思维的培养。小专题变式教学起点低，各个小题组都从学生熟悉的简单情境开始，可以照顾到各种能力水平的学生，有利于保护学生的学习积极性，与此同时，逐步推进也可以让学生能够更好地巩固基础知识、基本概念。此外，还有利于破除学生的错误前概念，为学生掌握必备知识奠定基础。小专题变式教学为学生构建了不同的物理情境，这些情境有些形同质异、有些形异质同，有些与学生原有经验吻合，有些则与学生原有认知矛盾，通过对这些情境中的物体受力分析，有利于学生去伪存真，构建正确认知，破除错误前概念。“在物理教学中采用变式教学有利于厘清、把握物理学科的本质属性，从而以科学概念取代错误前概念。”

4.2 有利于学生掌握受力分析细节，习得关键能力

通过受力分析的细节可以透视学生知识掌握情况、思维水平、方法掌握情况等。夯实细节，不仅能促进学生掌握知识，更能够提升学生的作图能力、信息转化能力、语言表达能力、抽象思维能力、演绎推理能力等。采用小专题变式教学，可以强化学生在受力分析时对方法的选择、复杂情境中转化研究对象、提升作图精确度等能力，也可以强化学生在受力分析时按照重力、弹力、摩擦力、其他力的顺序依次开展，避免漏力和添力。教学中，知识难点的教学应将过程细小化，从细处入手，小步子推进，逐渐达成目标，如此将有利于学生掌握知识、习得能力、领悟方法。

4.3 有利于促进学生深度学习，落实学科素养培养

学科素养包括学习掌握、实践探索、思维方法3个一级指标。首先，小专题变式教学有利于让学生掌握思维方法。小专题变式教学，在分析一些关联度较高的形同质异或形异质同的情境时，对学生思维严密性、深刻性、灵活性等方面有较高的要求，需要学生深入分析，去伪存真，掌握方法，剖析本质，分析过程对学生的思维品质提升起到很好的促进作用。学生掌握了基础知识，掌握了分析问题的方法，思维品质提升后，更易解决思维链条较长的复杂的综合性物理问题。其次，小专题变式教学让受力分析教学系统化，有利于促进学生整合知识。以往受力分析的教学，多采用见缝插针式教学，在遇到具体问题时，在习题教学中碎片式渗透教学。这会导致学生在思想上对受力分析重视不够，即使教师反复强调其重要性，但实际教学中学生却没有真切的感受。此外，教学内容零散，不利于学生系统掌握受力分析的技巧、方法，不利于学生融会贯通。以小专题形式开展变式教学，可以促进学生在思想上重视受力分析的学习，更能够让学生高度聚焦学习内容，由浅入深逐步推进，能够更系统地掌握受力分析的方法，提升自己受力分析的能力。