帮助学生建构程序化的受力分析思维

摘"要：本文在单元设计教学思想的指导下，在“相互作用——力”的教学中将受力分析思路总结为四个核心意识与两个核心方法，以帮助学生建构程序化的受力分析思维。这有利于加强知识联系，优化思维路径，更好地实现物理学的育人功能。

关键词：相互作用；受力分析；问题解决教学设计

1"引言

受力分析贯穿整个高中物理学习过程，力学、电磁学、热学中很多问题的解决都离不开受力分析。如果教师在讲解受力分析方法时，只注重具体问题的解答，忽视对学生受力分析思维方式进行系统化、程序化的建构，必然会导致学生头脑中的受力分析方法是零碎的、不成体系的。学生在解题时出现“少分析力”或“多分析力”的错误，或在处理复杂情境中的问题时存在“不知如何分析力”的思维障碍。这些问题在很大程度上体现出了学生缺乏系统化的受力分析思维。若教师帮助学生建构程序化的受力分析思维，逐步进行受力分析教学，则可以有效地避免这些问题。本文在单元设计教学思想的指导下，就如何帮助学生建构程序化的受力分析思维展开讨论。

2"建构程序化的受力分析思维之准备

《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）解读》中提到，初中物理包括了重力、弹力、摩擦力的初步知识，高中物理对受力分析的要求高一些。对重力、弹力、摩擦力的理解，应该和受力分析的要求相吻合。［1］

在“相互作用——力”（2019年人教版高中物理必修第一册第三章）的教学起始阶段，教师应首先让学生知道，高中物理学习过程中将涉及很多力及其分析方法，而该章所探讨的力及其相应的受力分析方法仅是其中的一部分。随着“运动和力的关系”章节的深入学习，学生将进一步掌握更多的受力分析技巧。此外，在其他物理知识模块的学习中，还将接触到其他类型的作用力及其分析方法。因此，“相互作用——力”的学习是受力分析学习的起点，而非终点。这样的教学引导旨在帮助学生认识到受力分析的学习是一个循序渐进、不断深入的过程，当前的知识储备尚不足以解决所有受力分析问题，从而使他们为后续的学习做好充分的心理准备。

并且，在受力分析教学之初，教师还应使学生建立一些基本认识，如：受力分析的目的是分析研究对象受到的力，其对外界的作用力不能作用于它自身；物体受到力的作用时，一定有施力物体存在；一些力的产生是有条件的；力不可传递；高中阶段主要研究的仍是共点力等等。教师还应了解学生的具体情况，如采取前测或访谈的方式，收集学生对受力分析的种种认识，以了解学生有关受力分析的错误认识。

3"建构程序化的受力分析思维之策略

3.1"明确受力分析的四个核心意识

在单元设计思想的指导下，教师在备课之时，应有意识地将零散的知识整合起来，集零为整。教师形成有条理地进行受力分析的习惯，有助于在授课时将程序化的受力分析思维渗透给学生，使学生在较短的时间内掌握正确的方法，而不是让学生在教师讲授后仍需大量的机械训练才能逐步摸清门路。此外，教师还应力求将整合的内容以合适的方式传递给学生，以逐步引导替代强硬灌输，以积极内化代替死记硬背，力求用最精简的教学活动达到最佳的教学效果。笔者将受力分析的基本认识总结为如下四个核心意识，并简要阐述教学中应注意的问题。

3.1.1"对象意识

学生应该认识到，在面对与受力分析有关的问题时，第一步不是急于寻找物体受到哪些力的作用，而是要明确研究对象。当一个系统中涉及多个物体时，是以某一个物体为研究对象，还是以系统中某几个物体乃至整个系统为研究对象，这需要根据所求问题进行判断，不可盲目进行受力分析。

教师应认识到，教学刚开始时，简单问题的受力分析对象一般较为明确，无需刻意进行选取便可直接进行受力分析，此时强调“对象意识”似乎不能引起学生的共鸣，而等学生遇到复杂问题时再强调似乎又太迟了，使学生在何时建立起该种意识是一个难点。笔者主张在“重力与弹力”的习题教学之初便设计如下问题，将简单问题中明确的条件模糊化，以探测学生的思维路径，在讨论与交流中丰富学生对研究对象的认识。

例题"如图所示，在水平桌面上叠放着三个盒子A、B、C，它们保持静止，请进行受力分析。

笔者在此问题中并未明确受力分析的对象，此缺口可以作为某些学生的提问点。若有学生提出要以什么为研究对象，教师则可组织学生讨论研究对象的可能性，学生讨论不完全的部分，教师需要进行引导，直到学生认识到研究对象的六种可能性，即A、B、C、AB、BC、ABC。若没有学生对题干的缺口提问，教师可预留一分钟时间让学生画出受力分析示意图，在巡视过程中收集不同的答案，获得最终结果。将学生的课堂练习作为展示，总结出知识、结论，也不乏是一种通过交流共同生成知识的方式。学生在日后遇到复杂问题时，便具备了以系统中的不同部分作为研究对象的意识。

3.1.2"观察意识

在明确研究对象后，观察哪些物体与研究对象会产生相互作用？哪些力直接作用在研究对象上？这是极为重要的，是预防“少分析力”的一个关键。

观察看似简单，但实际操作起来并不容易。如果学生的认识不到位，在复杂问题的分析过程中不仔细观察，便会出现“少分析力”的情况。因此，在教学之初，教师可设置几个易错的题目，根据学生的作答情况，反复强调此意识，使学生明白其重要性。这也有利于培养学生严谨的学习态度，增强其责任心，在潜移默化中展现物理教育的育人价值。

例题"已知图中三个盒子所受重力均为5 N，在A盒子上施加一个方向水平向右，大小为10 N的拉力FA，在B盒子上施加一个方向水平向左，大小为5 N的拉力FB。

①若此时整体保持静止，请画出A的受力分析示意图，并求出各个力的大小；

②若增大FA，仅使A与地面之间产生相对滑动，请写出A下表面所受滑动摩擦力的表达式（各表面间的动摩擦因数均为μ）。

在问题①中，与A直接接触的物体是地面和B，但A上表面所受压力与B、C整体的重力相等，因此是B、C整体与A相互作用；在问题②中，与地面直接接触的物体是A，但在计算A下表面所受到的滑动摩擦力时，不能想当然地仅代入A自身的重力对地面产生的压力，因为是ABC整体与地面相互作用。认识到是BC整体与A相互作用以及ABC整体与地面相互作用是一个重点，这是“对象意识”与“观察意识”共同作用的结果。课堂上，教师可提问不同水平的学生，询问他们的观察思路与分析结果，若出现错误，可以即时纠正，以不断强化正确的、整体性的观察意识。

3.1.3"顺序意识

预防“少分析力”的另一个关键意识是顺序意识。很多学生在受力分析时会出现“想到哪个力就分析哪个力”的情况，导致有时忘记分析重力，有时忽略了物体之间的弹力等等，自然会出现错误，而帮助学生建立顺序意识便可有效避免这一问题。因为问题情境中物体的受力情况必然存在着非常严谨的逻辑关系，自然就会形成一定的顺序逻辑。［2］

场力应是最先分析的。由于通常没有可见的施力物体，因而场力很容易被忽视。当然，学生此时还没有建立“场”的概念，教师可以先简单说明重力应该先行分析，因为地球上的所有物体都会受到地球引力的作用，在后续学习电场之后再对场力做具体说明：物体处于某种场中，如果满足受力条件，会受到相应场力的作用。总之，应让学生建立起在做受力分析时第一时间想到场力的意识。

接下来则应该考虑弹力，弹力有多种表现形式，如压力、支持力、推力、拉力等。在复杂情境中，结合观察意识，寻找接触点，分析接触的物体间有没有弹力，弹力的方向又如何。

因为接触面存在挤压是产生摩擦力的一个必要条件，因此，在分析弹力之后马上分析摩擦力就显得自然且有逻辑性。由于摩擦力的分析方法有很多，而且很多情况下需要结合运动状态才能判断物体是否受到摩擦力、受到的是静摩擦力还是滑动摩擦力，有时还需要运用牛顿第二定律。因此，在“相互作用——力”的教学中，教师应使学生明确，摩擦力等被动力的分析，是需要逐步学习的。这可以适当激发学生的求知欲，避免学生产生畏难情绪。

最后分析问题中提到的“特殊”力，如空气阻力、空气中或水中的浮力等等，因为这些力并不是在所有问题中都需要考虑的。整个“顺序意识”思维流程如图1所示。

可以看到，顺序意识中的整体内容，乃至整个受力分析的思想，是有逻辑的。它们的内容描述的是“为什么与是什么”，是陈述性知识，而这些知识最终指向的是“怎么做”，类似于程序性知识。学生知道先分析什么、后分析什么只是学习的开始。程序性知识着重“外化于行”，学生能够按步骤熟练地进行正确的操作，才是掌握知识的标志。因此，在教学过程中，教师应适当采用教授程序性知识的策略，积极了解学生的操作过程，以提问代替讲授，考查学生的思维过程，对症下药，让更多的学生实现从理解到操作，再到熟练操作的进步。

3.1.4"规律意识

规律意识，即使用物理规律来解决问题的意识。高中物理特别强调使用物理规律，而非经验来解决问题，但刚入学不久的高一学生显然对此认识不深。例如，一些学生在初学动力学的分析时，往往会从经验出发，“认为”或“感觉”力的存在及其方向，有时甚至完全不知从何下手。没有借助物理规律解决问题的意识，也是受力分析常出现错误的一个重要原因。帮助学生增强使用物理规律分析受力的意识，不仅有利于其对受力分析的学习，还对学生整个高中物理的学习乃至思维的培养都有很大的作用。学生学会依据规律分析，在分析问题时就会多一些“根据……定律，所以……”的理性思考，少一些“我觉得”“我认为”“感觉是”“应该是”的主观想法，这有利于学生形成严谨认真的科学态度。下面将介绍受力分析的核心方法以培养学生的规律意识。

3.2"内化受力分析的两个核心方法

3.2.1"单体平衡下的反推受力法

“根据运动状态反推受力”方法的本质是使用牛顿第二定律，在教学中按照系统所受合外力是否为零分为“平衡状态”和“加速状态”（即有加速度）。在“相互作用——力”这一单元的教学中，涉及的均是物体静止或做匀速直线运动，即平衡问题。但是从下一单元“运动和力的关系”开始，就不只是处理平衡状态的受力分析问题了。学生学习牛顿第二定律后，则可对此方法形成更加全面的认识。知识与方法前后呼应，全面展现出运动与相互作用之间的联系，有利于培养学生的运动与相互作用观念。

运动与相互作用之间的紧密联系是“反推受力法”的思想渊源。因此，分析前先明确研究对象的运动状态，是正确进行受力分析的前提；并且，在受力情况发生改变时，需要立即根据已知条件明确受力情况改变后研究对象的运动状态，以进行下一步的受力分析。整个“反推受力法”思维流程如图2所示。

例题"如图所示，一木块放在水平桌面上，在水平方向共受到三个力作用，即F1、F2和摩擦力，木块处于静止状态，其中F1＝10 N、F2＝2 N。若撤去F1，则木块在水平方向受到的合力是多大？

本题中木块起初处于静止状态，竖直方向上受重力和支持力，二者平衡；水平方向上受摩擦力和两个推力，三者平衡。因为木块静止，其所受的摩擦力为静摩擦力，大小为8 N，方向水平向左。撤去F1后，受力情况改变，需要重新分析其运动状态。若木块仍静止，水平方向需要大小为2 N、方向水平向右的静摩擦力。这个力显然小于8 N，地面可以提供，因此木块仍可保持静止状态，合外力为0。

本题如果依靠感觉分析，撤去左侧较大的推力后，木块似乎会因为水平方向受力变少而运动起来，但事实并非如此，说明在受力情况发生改变时，需要根据已知条件明确受力情况改变后研究对象的运动状态，从而为正确地分析奠定基础。教师在教学中需注意学生分析问题的过程，使学生积极内化知识，逐步意识到使用规律解决问题的重要性，养成良好的分析与解决物理问题的习惯。

3.2.2"多物体平衡下的整体法与隔离法

在多物体平衡问题中，整体法即把几个物体视为一个整体，作为研究对象，进行受力分析时，只分析这一整体之外的物体对整体的作用力（外力），而不考虑整体内部之间的相互作用力（内力）。［3］而隔离法就是把要分析的物体从相关的物体系统中抽离出来，作为研究对象，以分析该研究对象以外的物体对该对象的作用力。［4］

隔离和整体是相对的，内力和外力也是相对的。在具体操作过程中，什么时候使用整体法，什么时候使用隔离法，需要根据实际情况选择。一般来说，求解系统外力宜使用整体法，求解系统内力必须使用隔离法。使用隔离法时，应优先分析受力个数较少的物体。当然，为了培养学生分析、比较、综合、建构、推理、解释、交流等方面的能力，该结论不应由教师直接给出，应让学生在例题的解决中进行分析与比较，再结合小组讨论的方式，集思广益，共同得出结论。历经思考与探索的过程，学生对技能与方法的理解更深刻，素养得到提升，解决问题的能力也能得到提高。

例题"叠放在水平地面上的四个完全相同的球如图所示，质量均为m，相互接触，球与地面间的摩擦因数都是μ，则（""）。

A. 上方球与下方三个球间均没有弹力

B. 下方三个球与水平地面间均没有摩擦力

C. 水平地面对下方三个球的支持力均为43mg

D. 水平地面对下方三个球的摩擦力均为43μmg

首先隔离分析上方球，其受到重力和下方三个球的支持力而平衡，故选项A错误。对于选项B、C，选项中提及下方三个球与水平地面间的支持力与摩擦力，以下方三个球整体为研究对象，它们在竖直方向上受到重力、地面的支持力和上方球的压力而平衡，则支持力大小为4mg，根据对称性，下方每个球所受地面的支持力均为4/3mg，故选项C正确。初学者可能不易判断排球与地面间是否存在摩擦力。运用前文讲的反推受力法，下方三个球在水平方向上保持静止，所受合力必为0，再隔离分析下方任意一个球，易得其受到重力、支持力和斜向下的弹力，为保持平衡，其在水平方向上一定受地面摩擦力作用，故选项B错误。那为何选项D也是错误的呢？因为排球静止，下面三个排球受到的是静摩擦力，其大小不能根据滑动摩擦力公式来计算。

综上，可以得到受力分析的整体思维路径，如图3所示。

4"结束语

为帮助学生建构程序化的受力分析思维，教师在“相互作用——力”的教学时，可以逐步渗透本文提出的受力分析的四个核心意识与两个核心方法，注重学生应用受力分析思维路径解决问题的效果，及时了解学生学习的心理动向。如此教学，学生学习到的知识是成体系的、有逻辑的；学生头脑中的受力分析的思路是程序化的、易操作的。学生学习到的是“渔”而非“鱼”，这可以显著提高教学效果和学生的学习成效。

参考文献

［1］廖伯琴.普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）解读［M］.北京：高等教育出版社，2020：75.

［2］郜建辉.中学物理受力分析的原则与方法初探［J］.物理教学探讨，2021，39（11）：55"-59，63．

［3］陈继萍.高中物理习题教学中培养学生创造性思维的研究［D］.昆明：云南师范大学，2008：42．

［4］邹威.浅谈整体法和隔离法在高考中的应用［J］.读写算，2018（19）：124．