摭谈由“平衡位置”实施的“云课堂”微研究教学

季志锋

(江苏省西亭高级中学，江苏 南通 226301)

问题引入:虽然动力学知识是学生进入高中阶段首先学习的物理知识,这部分知识也接近学生生活利于学生理解和接受,同时这部分内容也是其他知识的基础,相对而言学生掌握情况较好.但是,笔者在高三动力学模块的复习中发现学生掌握的牢固程度并非想象的那么好.例如,给学生练习的2018年江苏卷第7题全班有22%的学生错选(B)选项.

图1

(2018年江苏卷第7题)如图1所示,轻质弹簧一端固定,另一端连接一小物块,O点为弹簧在原长时物块的位置.物块由A点静止释放,沿粗糙程度相同的水平面向右运动,最远到达B点.在从A到B的过程中,物块

(A) 加速度先减小后增大.

(B) 经过O点时的速度最大.

(C) 所受弹簧弹力始终做正功.

(D) 所受弹簧弹力做的功等于克服摩擦力做的功.

在纠错后,笔者将本题变式增加了一项判断“若物块接着从B点再向A点运动,速度最大的位置与从A向B运动速度最大的位置相同”,全班竟然有近40%的学生不能第一时间辨别正误.究其原因,一方面学生没有根据题意建立正确的物理情境,原题中弹簧从压缩状态开始恢复,而变式中弹簧从伸长状态开始恢复;另一方面学生也没有根据物理情境进行完整的受力分析并写出加速度方程式kx-μmg=ma,得出物块做的是加速度减小的加速运动,即当加速度为0时速度最大;再一方面部分教师在讲评这类问题时自认为是常见模型,往往从平衡位置运动特点的角度一带而过,即物体经过平衡位置时速度最大,很少再从物体的受力、加速度和运动的角度详细讲评.久而久之,学生脑海里只留下了固化的平衡位置的概念,而何为平衡位置,如何确定平衡位置,以及物体经过平衡位置时有什么特点,学生更是混淆不清.学生对平衡位置这一概念只停留在表象的记忆,不知其内涵更没有形成相应的物理观念.其实,江苏高考2015年第9题、2017年第9题、2018年第7题都涉及物体最大速度的位置,从题号的顺序来看,这些题目的设置还是处于中上难度水平,从考试的频率来看,笔者判定历届学生在高考中此类习题的得分率并不高.笔者为了学生能廓清“平衡位置”概念,以及能更好的理解与应用这一概念,尝试指导学生进行一次“云课堂”微研究教学,以便其他概念教学或复习时借鉴.

1 “云课堂”微研究教学概念的界定

“云”的理念之一体现在服务的按需性,狭义的云计算指IT基础设施的交付和使用模式,在远程的数据中心,大量电脑和服务器连成一片,按照各自的需求进行存储和运算,即通过网络以按需、易扩展的方式获得所需的资源.[1]延伸到教育教学上,则是教师根据学生的实际水平、现有技能、兴趣爱好和求知的内驱力,提供文献资源、网络资源或是实验器材等,创设可以满足学生多重选择的“云”资源库,形成广泛意义上可供学生学习的空间——“云课堂”.学生则根据自身需求,借助“云课堂”中的资源库自主收集、整理相关素材,经过比较、分析形成清晰的物理概念和规律,并深刻理解这些物理概念和规律.

“云课堂”微研究教学是教师根据教学内容创设可供学生多重选择的“云课堂”学习空间,学生根据自身兴趣爱好、能力基础和在教师激发下而形成的迫切需求,在云资源库里完成一次自主研习实践并获得较为系统的认识、理解知识的过程.

2 “云课堂”微研究教学实施过程

2.1 追“本”溯源

教科书是云资源库的重要资料,“平衡位置” 的概念在高中课本中多次出现,笔者指导学生从书本中查找出相关概念并摘抄放置在一起做出比较性分析.现举例说明.

出处1:物理必修1在共点力的平衡条件中讲到平衡状态:桌上的书、屋顶的灯,虽然都受到力的作用,但仍保持静止.火车车厢虽然受到重力、支持力、牵引力、阻力作用,但仍可能做匀速直线运动.如果一个物体在力的作用下保持静止或者匀速直线运动状态,我们就说这个物体处于平衡状态.[2]

出处2:物理选修3-4在弹簧振子中讲到平衡位置:如图2所示,把一个有孔的小球装在弹簧的一端,弹簧的另一端固定,小球穿在光滑的杆上,能够自由滑动,两者之间的摩擦可以忽略,弹簧的质量与小球相比也可以忽略.把小球拉向右方,然后放开,它就左右运动起来.小球原来静止时的位置叫做平衡位置.[3]

图2

图3

出处3:物理选修3-4在单摆中讲到平衡位置:如图3所示,摆球静止在O点时,悬线竖直下垂,摆球受到的重力G与悬线的拉力F平衡.小球受的合力为0,可以保持静止,所以O点是单摆的平衡位置.[3]

物理必修1书本,给出物体在力的作用下保持静止或者匀速直线运动的状态即是平衡状态的定义,亦可理解物体处于平衡状态的位置即平衡位置.物理选修3-4书本,关于“平衡位置”概念的呈现也都是对应一个特定的物理情境.这些物理情境也就赋予这个“平衡位置”的特殊意义.概念不是凭空产生的,它是借助于表象的,但表象亦不是概念.正如佐藤正夫所说,概念是借助抽象的、概括化的、推论性的思维形成起来的,是反映事物与现象一般本质特征的观念.所谓形成概念,就是凭借思维,从一定事物与现象中抽离出本质特征,加以总结,并用语言加以界定.

2.2 思“变”清源

“平衡位置”的概念是孕育在物理情境之中,那么,在同一模型、不同的物理情境中,平衡位置是否不变、是否唯一?例如,在图1情境中,如果根据小物块静止的位置来确定平衡位置,那就是一个区域范围,即小物块受到静摩擦力与弹簧弹力相平衡的位置.因为静摩擦力可以在0到最大静摩擦力之间变化,所以弹簧弹力也就有一个变化的区间,故小物块的位置也就出现了一个区域范围.如果小物块从A向B运动,当弹簧弹力等于滑动摩擦力时的位置是平衡位置,有且只有一个位置,并在O点的左侧.这时弹簧处于压缩状态.如果小物块从B向A运动,当弹簧拉力等于滑动摩擦力时的位置是平衡位置,有且也只有一个位置,并在O点的右侧,这时弹簧处于伸长状态.不同的情境则可以有不同的“平衡位置”,但本质都是共点力平衡合力为0的位置.

2.3 悟“错”正源

物理必修1中定义了平衡状态,处于平衡状态的位置亦可理解为平衡位置,而物体在运动过程中经过平衡位置时,是否真的处于平衡状态?反思在单摆中平衡位置的确定,是利用悬线竖直下垂,摆球静止在O点的位置来定义的,即原先静止时的位置.其实,当摆球运动后经过O点时,摆球做圆周运动,存在向心加速度,需要向心力,即合力不为0,不是真正意义上的“平衡位置”,存在法线方向的合力.如果从摆球运动的切线方向考虑,切线方向的合力在改变小球的速度大小,由牛顿运动定律可以分析出摆球从最高点向O点运动时切向加速度减小而速度增加,小球在经过O点时,切线方向(沿速度方向)的合力为0,速度最大,该“平衡位置”亦可认为摆球运动时切线方向或是在改变速度大小方向上的平衡位置,即是回复力的平衡位置.

2.4 辩“伪”还源

图4

在涉及连接体时,一个物体处于平衡状态,而另一个物体是否处于平衡状态?一个物体经过平衡位置时另一个物体是否也在平衡位置?如图4所示,A、B两物块用不可伸长的轻绳连接,轻绳跨过光滑轻质小滑轮,物块B放在固定的光滑斜面上,B与滑轮间的轻绳与斜面平行.弹簧的上端连接在B上,下端固定在斜面上.用力作用在A上,使轻绳刚好伸直且绳中的张力为0,A、B处于静止状态.现撤去外力让A沿竖直方向向下运动(A不会碰到地面),则B向上运动速度最大时,A的速度也最大吗?

图5

如图5所示,足够长的光滑直杆倾斜固定,杆上套有质量为m的小滑块A,用足够长、不可伸长的轻绳将A与另一质量为2m的小物块B绕过光滑的定滑轮相连接,A位于O点,此时滑轮左侧轻绳恰好水平.现将A从O点由静止释放,B在运动过程中不触碰滑轮和直杆,则物块B向下运动速度最大时,滑块A的速度也最大吗?

图4情境中,A、B物块的速度、加速度均沿轻绳的方向,当B的加速度为0时,A的加速度也为0,也就是B在平衡位置时,A也在平衡位置,即B的速度最大时A的速度也最大.

图5的情境中,滑块A与物块B的速度、加速度均不沿轻绳的方向,分析时可以作一条过滑轮边缘垂直于直杆的辅助线,垂足M点.分析滑块A的运动可以从A的受力的角度入手,在OM的范围内,A一定受到沿杆向下且不为0的合力,A的平衡位置也必在M点的下方某位置.物块B则需要从运动的角度进行分析,滑块A在M点时,B则在最低点,即B从静止开始运动至最低点的过程中肯定要经历加速和减速两个运动过程,合力为0的位置即平衡位置在此过程中的某个位置,即物块B向下运动速度最大时,滑块A还处在加速状态.

2.5 探“本”归源

“平衡位置”只是给物体在某个力学特征下特定位置的一个名称,对物体受力分析是本源,即物体所受合力为0的位置,或是物体运动中沿速度方向的合力为0的位置.通过前面的比较分析,在研究物体经过平衡位置时具有最大速度的特点,应该从牛顿运动定律这一根本的方法入手,通过对物体受力分析,建立加速度方程式,分析出物体运动的速度与加速度的关系,由物体做加速度减小的加速运动——这一运动特点得出物体加速度为零时速度最大.

2.6 追“远”溯源

学生经历“平衡位置”的探源、溯源、辨伪并厘清平衡位置的定义、特质和运动学特点的研学过程,可以在头脑中提炼和升华物理概念,提升“物理观念”,同时可以对“平衡位置”的本质属性、内在规律从物理学的视角进一步加深理解和认识,锤炼了“物理思维”.教师进一步指导学生利用网络百度百科,再次对概念进行广泛的甄别,同时指导学生搜索全国各地高考中涉及“平衡位置”模型的真题和高考模拟试题,让学生根据自己的新认识分析命题立意、命题情境,甄别试题的科学性,进而从信息的获取与处理、物理问题的论证与解释等角度培养学生“科学探究”的方法.例如,在图5中,给出光滑直杆与竖直方向的夹角,指导学生从动力学和功能关系的角度分析滑块A在M点下方运动时能否出现速度最大的位置与A、B质量的有无关系,以及A、B是否能同时达到最大速度.

3 “云课堂”微研究教学的意蕴

“云课堂”微研究教学是基于学生自需,教师指导学生研究、引导学生自主学习的一种教学方式.“云课堂”微研究教学是教学方式的一种创新,其旨在通过创设学生积极参与、乐于探究、善于实验、勤于思考的学习情境,培养和发展学生的自主学习能力.教学方式多样化是新课程标准提出培养新型人才的需求.高中物理新课程提倡通过多样化的教学方式,利用现代信息技术,引导学生理解物理学的本质,整体认识自然界,形成科学思维习惯,增强科学探究能力和解决实际问题的能力.[4]

“云课堂”微研究教学是基于学生有一定知识、能力基础和兴趣爱好的一种单元整体教学实践.学生需要通过多个情境,利用多种知识分析理解同一概念或规律,通过去伪留真、辨析缘由以达到对概念和规律的自我认识.正如佐藤正夫所说只有当学生自己去获得概念时,即概念的个别特质是通过学生个人主动地进行思维,加以掌握时,概念才能实际成为学生自身的东西.学生以这种方式,从无知到知,从不准确、不完全的知到更准确、更完全的知,在基本的科学概念获得有次序、有系统的发展时,得以掌握知识.[5]

“云课堂”微研究教学是立足于云数据和资源,学生根据兴趣自主研究的一种学习方式.就学习方式上而言更是侧重于学生个体的自主研习.从学习本质上说,个别学习必须依靠学习者自己去独立解决问题、完成课题、独立思考和行动.从教育学的角度正确地插入符合目的的个别学习,对于自我教育态度与能力的培养具有特别的意义.[5]从科学素养的落实上来说,学生自主研学可以保留其学习和研究物理的好奇心与追求欲,可以使其主动与他人合作,尊重他人,能基于证据和逻辑发表自己的见解,实事求是,不迷信权威,[8]形成科学的探究意识和科学态度与责任.