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我刊入选第二批学术期刊名单
期刊类别:纯教育、G4
国际标准刊号 ISSN 2095-3089
国内统一刊号 CN15-1362/G4
邮发代号:16-129
出版日期:每月25日

我刊投稿论文
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作者:马云梦 成卒
  【摘要】物理概念是客观事物的共同物理属性与本质特征在人们头脑中的反映,是物理情境的抽象概括,是在物理教学中介绍物理规律与理论的基础。“弹力”是力学中重要的物理概念之一,也是中学物理教学中的难点。而弹力在生活中可以经常见到,故学生在学习这一节前,已经对其有一定的认知,但是对于复杂情境下对于弹力的判断存在困难。因此掌握弹力的概念尤其重要。本文以调查学生的认知情况为依据,围绕“弹力”这一物理概念,给出一些贴近学生的教学建议。
  【关键词】教学建议 弹力 概念教学
  【中图分类号】G633.7 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089(2018)19-0247-02
  一、中学物理中弹力的概念
  1.课本中“弹力”的概念
  由于物理学的基本概念和规律比较抽象,从学生不同年龄的认知结构特点和认识规律看,认识和理解不可能一次完成。因而,初高中物理教材内容作了螺旋式上升的安排,都介绍了弹力的相关知识,区别是深度有所不同,但物理概念是整个物理知识体系的基石和支撑点, 是物理理论的精髓, 是物理思维的基本单位和物理学科的基本要素。只有科学的、精确的和严密的物理概念才能准确地描述自然界的物理现象。建构科学的物理概念对物理学习非常重要,笔者对比了几个版本的物理教材中对于弹力部分的介绍。
  初中学段,苏教版八年级下册课本在《力 弹力》一节中,先介绍了形变与弹性形变。然后将“弹力”归纳为“使物体发生弹性形变的力”,最后介绍弹簧测力计的使用。北师大版八年级下册课本在《力的测量》一节中,先谈到了弹簧测力计,结合弹簧测力計的原理探究了影响弹簧产生弹力大小的因素,但没有明确提及“弹力”这一物理概念。人教版八年级下册课本在《弹力》一节中,谈到了物体由于发生弹性形变而产生的力叫弹力,随后用本节中一半的篇幅介绍弹簧测力计的使用。
  高中学段,在人教版和教科版高中物理必修一均在第三章中《弹力》这一节,给“弹力”这一物理概念下了明确的定义:发生形变的物体,由于要恢复原状,对与它接触的物体会产生力的作用,这种力叫作弹力。
  2.弹力概念的分析与归纳
  从课本中,我们可以看到在初中学段,弹簧测力计是用来讲解弹力的较为直观、简洁的例子,同时也是力的基本测量工具。但是课本对于弹力概念的界定有些模糊不清,而在实际教学中,会遇到平衡态物体的受力分析问题,显然这类问题不只是弹簧测力计中存在的弹力。因此,要想分析出复杂物理情境下,“物体是否存在弹力”这一问题,首先要界定“弹力”的物理概念,即何种情境下力属于弹力。包含以下四个方面:
  ①形变。
  首先,在所有版本的教材中都提及了弹性形变。要解释何为弹性形变,须先明确形变,即形状或体积发生改变。通过此表述,学生可以清楚、直观地判断是否有形变的产生。
  ②弹性形变。
  定义形变后,形变按照是否可以完全恢复到原状分为两类:弹性形变和范性形变(或为塑性形变)。可以完全恢复的形变叫作弹性形变。不能完全恢复的形变叫作范性形变。通过讲述法或举例法可以使学生正确分类。
  ③直接接触且挤压。
  直接接触且挤压是物体产生弹力的必要条件,此条件在部分课本中省略,故容易被学生忽略,进而在分析实际问题中会产生错误。
  ④在以上条件的发生过程中,条件消失,弹力也消失。
  有些物体完全可以具备上述条件,但仍然不存在弹力。如弹簧具备产生弹性形变的“能力”,但在处于“原长”状态下,没有处在“发生”弹性形变的过程中,故不产生弹力。在具体知识的讲法和要求上,要充分考虑不同学生身心发展的阶段性。对于逻辑思维没有完全养成的初中学生,要强调弹力的存在环境是在弹性形变的“发生”过程中。
  二、学情调查问卷结果
  根据以上四方面关于弹力概念的细化,笔者开展了学情调查。测量对象为北京市东城区某一学校726名未学习过力学的初中学生,采用网络问卷的形式进行调查初探,测量目的是对《弹力》这一节进行学情分析并以此指导本节课的教学。限定答题时间范围为每道题30秒到5分钟,所有问题均为“是否式”问题,采用实名制闭卷形式。具体情况如下(部分题干不够严谨,旨在配合学生理解):
  ①你认为只有弹簧有弹力吗?
  ②你认为海绵有弹力吗?
  ③当你躺在硬板床上,你认为硬板床存在弹力吗?
  ④弹簧在任何时候都有弹力吗?
  ⑤当你笔直地贴墙站立时,你觉得墙对你有弹力吗?
  ⑥当你倾斜倚靠在墙边,你认为墙对你有弹力吗?
  ⑦人拍球时,球受到弹力吗?
  ⑧人把球抛到空中时,球受到弹力吗?
  ⑨用弹簧拉着物体时,弹簧存在弹力吗?
  ⑩用木棍拉着物体时,木棍存在弹力吗?
  三、依据学情分析的教学建议
  1.将“微小形变”可视化
  从学生角度,由于“弹簧”中带有“弹”字且弹簧在日常生活中非常常见,因此学生对弹簧并不陌生,可以轻松判断出弹簧是可以产生弹力的。对于后面两个物体(海绵、硬板床)是否可以产生弹力的问题,92.15%的学生认为海绵可以产生弹力,而对于硬板床,认为其可以产生弹力的学生下降到64.33%。说明学生对“可以产生弹力的物体”的认识存在一定局限性。分析“弹簧”、“海绵”、“硬板床”的形态特点,学生虽然不能直接给出“形变”、“弹性形变”等词语,但是能从数据结果中反馈出:学生认为硬板床不存在弹力的原因是其形态(或体积)的变化不像弹簧、海绵一样。
  根据学生身心发展阶段性理论, 初一年级学生大多数是从功用性的定义或具体形象的描述水平向接近本质的定义或作具体的解释水平转化, 对抽象概念的掌握还比较困难, 初二、三年级学生大多是接近本质的定义或作具体的解释水平, 或者是由这类水平向本质定义水平转化,在初中物理的教学过程中,应尽可能使用图表、图解、挂图、录像、多媒体计算机等辅助教学手段增强视听效果, 以形成生动活泼、正确、持久的表象。因此,要把对事物表面现象观察所得到的经验与物理知识不一致的地方提出来,也就是让学生看到硬板床是可以产生弹性形变的。对此,我们可以利用人教版教材动手动脑学物理中的第5题,“将椭圆形厚玻璃瓶装满水,把细玻璃管通过带孔的橡皮塞插入瓶中。沿着不同的方向用力捏厚玻璃瓶,观察吸管中水面高度的变化。”如图3-1所示。除此以外,也可搭建光路,用水平桌面替代题目中的“硬板床”,通过手指按压,采用物理学中的光放大法让学生真正观察到“硬板床”的微小形变。如图3-2所示。
  2.利用探究式学习,补充“直接接触且挤压”的条件
  探究式学习法强调注重学生的学习过程和实验探究过程。亲身经历各种探究活动有助于学生建立科学的物理概念。直接接触且挤压是产生弹力的重要必要条件,此条件对于初中学生较为抽象,且在教材和实际教学中易忽略。调查结果显示,有近90%的同学确认弹簧不是在任何时候都存在弹力。这种认识也可能只就所问的问题而言,说明学生能认识到弹簧要产生弹力需要一定条件。为了确认学生的这一观点,笔者又设计了⑤⑥两个问题,旨在了解学生对“直接接触”和“相互挤压”这两个必要条件的认识程度:有相当一部分学生对接触和挤压的区别分不清楚,因此设计了如下实验以帮助学生区分“接触”和“挤压”。
  如图,在相对较为光滑的水平面上,有两组实验器材。左边一组尺子和球体直接接触但没有挤压。右边一组尺子与球体直接接触,且尺子倾斜立起,对球体有挤压。同时撤去两尺子,左图球体保持静止状态。右图球体开始运动。对比两现象,说明右图球体在开始运动前,尺子对其产生了弹力。
  此外,还可以设计下图实验。有两组实验器材,左图是在距离为2cm的竖直放置的两平板中放入一个2cm×2cm×2cm的弹性矩形物块,右图是在距离为2cm的竖直放置的两平板中放入一个相同材质的,宽度为2cm×2cm×1.8cm的弹性矩形物块,同时从同高度由静止释放,观察对比两物块运动情况。可发现左图物块运动慢。对比两装置异同并分析,可知直接接触不是弹力的必要条件,而当其相互挤压时就会受到平板的弹力(摩擦力)。
  3.利用概念分析“弹力”的产生
  “弹力”这一概念对初中学生来说是一个较难理解的概念。所以在应用这个概念时,就会产生很多问题。学生是不是真的理解“弹力”这一概念,我们设计了⑨⑩两个问题,有57.71%的学生认为用木棍拉物体运动时,木棍不存在弹力。这一调查的结果说明:对于弹力的概念教学还是要循序渐进。使学生建立科学的物理思维方式。要存在弹力,就一定符合弹力的产生条件,逆命题亦成立。教师需要引导学生真正分析,而不应该去猜测是否存在弹力。

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