一道力学题的典型错解引发的对科学思维素养培养的思考

«普通高中物理课程标准（２０１７年版２０２０年修订）»以“立德树人”为根本任务，以学生学科核心素养为培养目标．物理学科核心素养包括物理观念、科学思维、科学探究和科学态度与责任四个方面，其中科学思维包括模型建构、科学推理、科学论证和质疑创新等要素，显然，要培养学生科学思维素养，离不开教师科学、合理、循序渐进的教学引导．

笔者在一次阅卷中捕捉到一道力学基础题的形形色色的错误解法，这些错误解法不仅暴露出学生对物理知识和物理规律的理解与运用、物理方法掌握的缺失，同时也折射出教师的教学行为有待进一步改善．

１ 案例呈现

原题 质量为２０kg的小孩坐在秋千板上，小孩离拴绳子的横梁２５m，如果秋千摆到最高点时，绳子与竖直方向的夹角是６０°，当秋千板摆到最低点时（g 取１０ms－２，空气阻力不计）．求：

（１）小孩的速度的大小;

（２）小孩对秋千板的压力的大小．

２ 三类典型错解分类剖析

２.１ 机械记忆公式引发的错解

如图１ 所示，该同学在求解第（１）问中小孩运动到最低点速度时凭机械记忆认为小孩做圆周运动．在最低点由重力提供向心力，得出速度为v＝根号下gR ＝５m·s－１．通过统计发现，有相当一部分学生都由根号下gR得出小孩运动到最低点的速度．这反映出这类学生在遇到这类问题时尚未建构出运用动能定理或机械能守恒定律解决问题的思想理念，而只是停留在“只能由圆周运动向心力求速度”的思维定式上．虽然学生的思维方式因人而异，但与教师的教学不无关联．从此处的错误解答不难看出，教师的教学已经进行到了“动能定理或机械能守恒定律”部分，并且有意与圆周运动部分进行综合渗透考查，但学生的学仍停留在圆周运动的向心力部分，可见学生的“学”没有跟上教师的“教”，同时也反映了学生科学思维素养的培养有待进一步提高．

２.２ 物理模型建构能力不足引发的错解

物理模型作为科学思维素养的构成元素在物理中随处可见，培养学生在实际问题中抽象出适当的物理模型是提高学生模型建构能力、发展科学思维的重要举措．

作为圆周运动，常见的运动模型有轻绳模型（内轨道模型）、轻杆模型（管道模型），而它们对研究对象过最高点的条件有所不同，对绳模型（轨道模型）而言，物体过最高点的条件为速度大于或等于根号下gR ，根号下gR 为绳模型（内轨道模型）通过最高点的最小速度，显然，得出图２中“最高点T ＝０，v＝ 根号下gR ”的错解的原因是缺乏对绳模型或轨道模型的正确建构能力，这类学生只记得最高点T ＝０，v＝ 根号下gR 这一具体结论，将其推广到任何位置处的最小速度，显然是错误的．

众所周知，绳模型或轨道模型中，以小球运动为例，若小球的运动仅仅局限于轨迹所在圆的水平直径以下，小球做圆周运动的最高点速度为零，此时绳中的拉力或轨道对小球的弹力与重力沿径向的分力大小刚好相等，绳中的张力不可能为零．教师在讲解这部分内容时要分析清楚，避免学生走入误区．当然，由学生的错误也可窥见教师有时为追求教学进度而忽视对学生基本运动模型建构能力的培养．

２.３ 科学推理过程的不科学引起的错解

培养学生科学推理能力是发展学生科学思维素养的重要手段和方法，推理过程应当思维严密、逻辑清晰、简洁明了、科学合理，不能违反科学原则．

图３是某学生的错解，其在科学推理上存在的错误表现在两个方面．其一，在秋千荡到最高点时（绳与竖直方向成６０°时），小孩所受合力不是水平向左，应当沿该处所在圆的切线方向指向左下，理由如下：当秋千荡到最高点时（速度为零，绳与竖直方向成６０°），小孩所受向心力为零，即人的重力沿切线方向的分力等于小孩所受合力，而小孩重力沿直径方向的分力则与秋千对人的支持力瞬间平衡，因而解中合力方向有误，由此求得的绳中拉力T 也是错误的;其二，即使绳中拉力T 求解正确，但那也只是秋千和小孩速度为零时的绳中拉力，而题目要求的是小孩和秋千摆到最低点时小孩和秋千的速度．根据圆周运动知识可知，欲要根据动力学方法求圆周运动的速度，通常要通过其他方法先求出相应位置的力，再由直径方向的合力提供向心力求出速度．而该生错将小孩速度为零时求出的力代入小孩在最低点的向心力公式中，将物理量张冠李戴，推理过程不科学、不严密．

２.４ 错解小结

从知识维度看，上述例题是一道动能定理或机械能守恒定律与圆周运动向心力相综合的典型问题，问题设置了两小问，旨在搭建台阶，降低难度;从能力维度看，考查学生将实际情境转化为物理问题的运动模型建构能力和运用核心定理解决实际问题的能力;从素养角度看，命题意图在于考查学生科学推理、科学建模等科学思维素养．但从上述出现的三类典型错解这一表象上看，教师教学时要注意科学思维素养这一学科核心素养的培养，不能片面追求快、多、深，而忽视对基本知识、基本规律、基本方法的强化运用，错失科学推理能力的培养机会．显然，对学生学科核心素养的培养之路任重而道远．

３ 科学思维素养培养的思考

科学思维素养的培养是一项系统的工程，不是一朝一夕就能完成的，教师要沉得住气，要蓄势待发，不可拔苗助长．教学和学习中我们要从以下几方面作出改变．

３.１ 正确认识课程标准育人理念

或许有教师认为，课程标准与实际教学无关，不管颁布什么样的课程标准，仍以不变应万变，一支粉笔、一本教材、一套永不过时的备课资料、一样的授课方式，经年不变，唯一的目标就是把知识尽可能快地、尽可能全面地灌输给学生，学生只要会做题，能考高分就行了，始终唯分数论．持这种观点的人应该不在少数，这是应试教育下的不良结果．教师不太重视课程标准，对课程标准提出的新的育人理念不太关注，不主动去学习课程标准内容，这是教书匠的行为，充其量只能教会学生知识，教会学生做题．随着课堂教学的评价方式、评价机制、高考的不断革新，相信这样的教学行为也会逐渐改变．另外，从育人的角度思考，教师的职责是教书育人，要将学生将来走入社会解决实际问题所需的关键能力和必备品质在其学生生涯中就培养锻炼出来，这是最为关键的地方．

３.２ 尊重知识习得规律，科学有序开展教学

知识的习得、能力的提升、思维的培养都是一个渐变的过程，教师在组织课堂教学时，要尊重个体的思维特点，循序渐进开展教学，切不可高强度、快节奏、大容量地进行教学，置学生的个性特点于不顾．

各地高中在高三上学期结束前不结束新课，其目的也是尊重知识的习得规律、科学有序开展教学．

３.３ 改进落后教学方法，探索培养素养举措

一支粉笔、一本教材、一套备课资料配之以满堂灌的教学方法真的应该与我们告别了．我们一线教师要改进落后的教学方法，积极探索高效的教学模式，如问题链驱动法、情境导入法、实验探究法、活动体验、多媒体辅助法、DIS数字化实验法等方法都应融入课堂，不仅如此，我们还应尽可能带领学生走入实验室进行学生实验、走出课堂开展研究性学习．只有教师做个爱学习、肯动脑、善钻研的学习型教师，才能探索出适合学生的、更好的、更加先进的教学方法，从而为培养学生的科学思维素养作出应有的贡献．

（完）