高层建筑发生火灾:初高中物理知识衔接的难点——《受力分析》的教学研究

初高中物理知识衔接的难点——《受力分析》的教学研究

摘要：受力分析是解决力学问题的基本功之一，因受力分析的不完全或错误常常是造成学生解题错误的原因。因为这一基本功掌握不好而导致学习上的困难，从而形成对物理学习的畏难情绪，这种情况是很普通的。受力分析是物理教学中的一大难点，而这一大难点恰恰给刚刚升入高中的学生首先遇到了。因此，克服这一难点成为顺利衔接出高中物理教学的关键之一。
    关键词：初高中，物理，知识衔接，受力分析，教学研究
    受力分析是解决力学问题的基本功之一，因受力分析的不完全或错误常常是造成学生解题错误的原因。因为这一基本功掌握不好而导致学习上的困难，从而形成对物理学习的畏难情绪，这种情况是很普通的。受力分析是物理教学中的一大难点，而这一大难点恰恰给刚刚升入高中的学生首先遇到了。因此，克服这一难点成为顺利衔接出高中物理教学的关键之一。那么，形成这一难点的原因是什么？如何克服这一难点？ 
    一、难点形成的原因
    1、受力分析涉及的知识面广
    受力分析的过程涉及的不是一两个知识点，而是由许多个知识板块构成的知识群。每一种力都可以因其成因和特点的不同，成为一个独立的板块。这些不同的知识板块从力学一直贯穿整个高中物理课程。力学中涉及的重力、弹力、摩擦力就是一些基本的板块。在实际应用中，为解决某个物理问题进行的受力分析，至少要射击两个以上的力，甚至更多。学生在单独认识它们时已感不易，当那么多的力杂合在一起，要求学生作出正确的判断，其难度就可想而知了。
    2．各个知识板块的难度在高中阶段跃升很大。
    如摩擦力，在初中阶段只定性地涉及，其作用一般也只限于阻碍物体运动，而到了高中则要求定量地分析。尤其是静摩擦力，它的存在、大小和方向都可随外力的变化而变化。如果更进一步，还有摩擦力方向跟运动方向同向和反向的问题。知识的难度跃升很大，学生感到很难掌握。
    3．初中阶段不完全的学习内容和学习方法，形成的不利的思维定势。
    如弹力，在初中除了弹簧的弹力外，其余所有的弹力都从日常生活实例引出，而且都从力的作用效果来进行分析，分别把它们叫做压力、支持力、拉力等等，而不涉及其产生的原因，也不明确地把它们归入弹力范畴。在当时，这主要是为了适合初中学生的年龄特点，为了适合初中学生的形象思维特点，让学生易于接受掌握。但是却给高中阶段受力分析留下隐患，形成一种不利的思维定势。如分析在斜面上下滑的物体受力，学生往往会多出一个“下滑力”来。其实这是重力的一个沿斜面向下的分力，是它具有使物体沿斜面下滑的作用效果，但我们不能根据这个作用效果，臆造出一个“下滑力”来。又如学生也常会将向心力作为一个独立存在的力来分析。这都是初中阶段根据力的作用效果来分析力的思维定势所致。
    4．受力分析的过程复杂。
    受力分析，不但要求学生对每一个力的成因、三要素、施力体、受力体有正确的认识，还要求学生把这些分散的知识板块综合起来，经过一个完整的分析、检索、判断、检验的过程，得出正确的结论。这个过程对于一些刚从初中升入高中的学生来说应该是很复杂的。
    二、受力分析的教学研究
    基于上述原因可知，受力分析绝不是几节课所能解决的问题。因此，我们在受力分析的教学中，要掌握一个长期的循序渐进的策略，一个反复矫正不断巩固的策略。不能就事论事地教知识，而要着重于教学中构建学生良好的认知结构上下功夫，在培养学生的思维能力上下功夫：
    1．准确有效地建立学生认知结构中的各个知识板块
    在教材的知识结构中，各个知识点、各个知识板块是经过长期的教学实践不断积累不断完善，是以教学大纲为主线，以教材为载体极为系统地出现，具有严密的逻辑性和准确无误的科学性。而学生在学习过程中逐渐建立起来的认知结构，是以简要的语言文字符号用记忆的方式保留在大脑中的。因为学生的理解能力的不同，教师教学方法的不同，教材上的知识点、知识板块不一定都能很有效地纳入每一个学生的认知结构中去。因为遗忘的作用，学生的认知结构就不一定较系统，容易形成一定的缺陷和漏洞。某些难懂的知识点，甚至可以在一个较长的时期里，在学生的认知结构中呈现模糊的状态。
    因此，在对每一种力的教学中，都要努力创造条件，建立鲜明的生动的物理情景，引导学生经过自己充分的观察、比较、分析、归纳等思维过程，对各种力从表面上的感知进入到深层次的理解。把它们准确、鲜明、深刻地纳入自己的认知结构中去，尽量避免似懂非懂“烧夹生饭”。
    例如，在弹力的教学中可通过对演示实验观察展开教学活动：
    在两块木块上搁一小竹片制成一小竹桥，在桥上放一小个下端粘有球面状橡皮（从小皮球上剪下）的小木块（要稍重一点，甚至可在其内部嵌入小铁块），让学生观察。引导学生依次进行如下讨论：
    小竹桥发生了什么样的变化？（形变，向下弯曲。）木块拿走后桥的形状又如何？（向上恢复原状）木块在桥上时桥的形变能恢复吗？（不能，小木块阻碍着它。）此时桥有恢复原状的趋势吗？桥与木块间有相互的作用吗？取小木块为研究对象，小木块在桥上受几个力？各力产生的原因是什么？
    然后再请学生思考、讨论竹桥所受的弹力。最好能让学生自己（或经过暗示）发现木块下的小皮片的形变。
    再在桥下表面的钩子上挂一钩码，用上述方法分析钩码所受的力。
    设计这些翔实的例子，旨在调动学生积极地进行观察、比较、思考。反复强化对弹力生成的过程，弹力存在的条件，弹力的定义的理解，并且在这些实例中进行练习，完成一个从强烈感知到深刻理解的过程。继而作进一步的推理：既然弹力由弹性形变产生，而弹性形变只能在接触中存在，那么可自然地伸引出：
    （1）物体有几部分跟其它物体接触，最多只能产生几个弹力——“接触”就成了查找弹力的线索，接触处的个数就成了限定弹力个数的条件，即弹力的个数只能等于或小于接触处的个数。
    （2）若接触处无拉伸或挤压则不可能有形变，也不可能有弹力。——“挤压或拉伸”就成了确定弹力存在的依据。
    经过这样的过程建立的知识板块不但形象、完成、有条理地在学生的认识结构中纳入了弹力产生的原因，而且弹力的方向、弹力的作用点等知识点，也同时纳入了查找和判定弹力的方法，限定弹力个数的条件，为准确分析弹力打下了良好的基础。
    在其它各种力的教学中也应用类似的方法，尽可能设计鲜明生动的物理情景，积极调动学生的观察、思维活动，让正确的概念先入为主，在学生头脑中构建各个知识板块。尽量避免混淆不清的、似是而非的、模糊的概念进入学生头脑中的知识板块。
    2．把这些知识板块进一步构建成良好的认知结构
    应该说各个知识板块正确建立，给受力分析打下了良好的基础。但各个知识板块建立得好，并不意味着一定能很好得解决问题。常常有这样的情况，单独得对每个力进行考核时学生掌握尚可，但这些力在一个具体的物理场景中一起出现，要学生分析时，学生就会感到无从下手或出现各种各样的错误。由此可知，这时各个知识板块在学生的头脑中仍处于分散的、孤立的状况。要把这分散的孤立的知识板块有机地组织起来，建立一个良好的 认识结构，使学生能根据解决问题的需要很顺利地使用它。
    （1）使学生的认知结构具有层次性、条理性。
    可以这样引导学生：因为我们研究的问题大多数在地球上，物体必受重力作用。因为弹力也是产生摩擦力的条件之一，所以弹力必放在摩擦力之前考虑。除了这三种常见力外还可以有一些其它力，如题设的已知力，将来要学到的电场立、安培力等。我们应该把它们的关系理顺，在受力分析过程中必遵从一重力，二弹力，三摩擦力，四其它力的次序。让学生的认知结构呈现清晰的层次性、条理性。即便于记忆又能具体应用过程中有序可循。
    （2）使学生的认知结构具有双向性。
    即建立一个具有双重功能的指令：它即能指令在具备什么样的条件下应该采用的方法（使用什么知识得出结论），又能指令欲采取什么动作（使用什么知识得出什么结论），必须在怎样的条件满足之后才能进行。在受力分析中，则是要学生明白在什么条件下产生什么力，某个力的存在必有其满足的条件。让学生将所学的知识与该力的适用条件结合起来记忆，把所学的知识形成条件化的结构。一旦涉及某个知识的条件，即能在头脑中映现出相关的知识来。要用到知识的时候，则又能用其条件来进行判断。例如：观察到研究对象跟其它物体接触 ，则立即想到：可能有弹力，弹力真的存在吗？弹力存在还需什么条件？挤压？拉伸？弹性形变？有几个接触处？这些条件立即映现出来。并形成一个逻辑判断过程：
    这样，学生头脑里的知识可以很快地贴近要解决的问题，或者说能很快很准确地激活其认知结构中解决问题所需的相关知识，很快找到解决问题的方法。
    （3）把认知结构和有效的思维策略联系起来，形成正确的思维方法。
    为了有效地解决实际问题，还必须引导学生在头脑中储存和开发一些，关于如何学习和如何思维的有层次的策略性知识。并且在思维过程中要用策略性知识监控自己的学习和思维过程。在具体解决问题时，不但要注意到眼前问题的各种因素，而且要注意到自己对问题的加工过程和加工方法，不断反省自己的策略是否恰当，以优化自己的思维过程，到达有效快速准确地解决问题的目的。
    在受力分析中，各个力的知识板块是属于底层次的描述性知识。而先确定研究对象，然后一重力，二弹力，三摩擦，四其它，这种有序性的思维方法则属于高层次的策略性知识之一。但仅有这些是不够的，还要随着学习的深入，不断加以发掘使之丰富起来。如：在光滑斜面上的物体由静止自由下滑时，有没有“下滑力”？最令人信服的方法是找一找这个力的施力物体。重力的施力体是地球，斜面是弹力地施力体，若“下滑力”存在，其施力体是谁呢？找不到施力体，即可判定“下滑体”是不存在的。
    水平传送带上的物体随传送带一起匀速运动，有些学生总是认为除重力和弹力外，还受跟运动方向相同的静摩擦力作用。怎样使学生避免这种错误？最简单的方法是让学生根据牛顿第一定律或牛顿第二定律检验一下。因为物体受重力、弹力（支持力）作用，如果再受一个跟它们垂直的摩擦力，此三个力就不可能平衡，物体不可能随传送带匀速运动，所以必无摩擦力。
    凡进行受力分析必须按一重力，二弹力，三摩擦，四其它的顺序进行操作。一遇到难以确定的力，马上想到找找施力体，或者借助牛顿运动定律来判断。遇到难以入手的问题及时转换一个思维角度，换用不同的研究对象。这些都是受力分析过程中常常用到的思维策略，应该随着课程的深入有意识地逐渐渗透到学生头脑中去。并有目的地选配习题训练，逐渐使之熟练掌握。这样，在受力分析的思维过程中就有了必要的反思和监控，就不易造成错误。这样，在受力分析的思维过程中，注意力就会在认知结构与思维方法之间来回转换，思维的触须就会丰富起来、敏捷起来，容易形成发散性思维，及时找到解决问题的方法。
    总之，进行受力分析教学，在教学过程中能有效地调动学生积极的思维活动，能够帮助学生把大片的知识有机地组织起来，在学生的头脑里形成一个有层次的、有合理的思维功能的认知结构，既有利于掌握和巩固基本知识，又能有效地提高学生对这些知识的应用能力，使学生较早地融入高中的学习中,较好地解决初高中物理教学的衔接问题。