立足經(jīng)典模型培養(yǎng)思維能力-以一道計(jì)算題教學(xué)為例 論文

立足經(jīng)典模型培養(yǎng)思維能力——以一道計(jì)算題教學(xué)為例摘要：光滑水平面上的板塊模型與非彈性碰撞的動(dòng)量和能量的關(guān)系是一致的，可以將板塊的相互作用過(guò)程看作是延時(shí)的非彈性碰撞。在教學(xué)過(guò)程中立足這些經(jīng)典的過(guò)程模型的講解，進(jìn)行模型間的對(duì)比、分析、拓展應(yīng)用；不斷深化學(xué)生對(duì)物理模型的理解，以落實(shí)培養(yǎng)學(xué)生將較復(fù)雜的實(shí)際問(wèn)題中的過(guò)程轉(zhuǎn)換成物理模型的課程目標(biāo)，提升學(xué)生的科學(xué)思維能力。關(guān)鍵詞：物理模型；科學(xué)思維；非彈性碰撞；過(guò)程轉(zhuǎn)換2017版《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》凝練了學(xué)科的核心素養(yǎng)。物理學(xué)科核心素養(yǎng)主要包括“物理”“科學(xué)思”“科學(xué)探”“科學(xué)態(tài)度與”四個(gè)方面。在教學(xué)時(shí)它們是相互交融的，但在教授不同內(nèi)容時(shí)，是有側(cè)重的。例如：選擇性必修1第一章第四節(jié)《彈性碰撞和非彈性碰撞》的教學(xué)，側(cè)重于科學(xué)思維的模型建構(gòu)。從認(rèn)識(shí)物理模型到應(yīng)用物理模型的過(guò)程中，伴隨著學(xué)生思維能力的培養(yǎng)。在實(shí)際教學(xué)中，可以以新的情境的問(wèn)題為抓手，通過(guò)分析問(wèn)題，對(duì)比已學(xué)過(guò)知識(shí)將問(wèn)題情境抽象為物理經(jīng)典模型解決問(wèn)題。筆者以一道計(jì)算題為例，談?wù)勛约旱恼J(rèn)識(shí)和思考。例：如圖，水平面上固定兩根足夠長(zhǎng)的平行直導(dǎo)軌MN、PQ，兩導(dǎo)軌間靜置一質(zhì)量M=2.0kg的外壁光滑環(huán)形空心玻璃管ABCD，BC、DA段均為半圓管，AB、CD段是長(zhǎng)度均為L(zhǎng)=3.0m的直管.管內(nèi)CD段放置有質(zhì)量為m=1.0kg的小球，小球在AB段相2對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)受到得摩擦力f=0.3mg，玻璃管內(nèi)其余部分光滑，g取10m/s.現(xiàn)給玻璃管水平向右的初速度v=6.0m/s，求：(1)從開(kāi)始運(yùn)動(dòng)到小球與玻璃管共速，玻璃管對(duì)小球的沖量的大??；2)小球第一次通過(guò)玻璃管中A點(diǎn)時(shí)的速度大小.第（1）問(wèn)考查的重點(diǎn)是物理觀念?？梢岳脛?dòng)量守恒定律和動(dòng)量定理很輕松的解決，1
2但是第（2）問(wèn)有難度，難度在于問(wèn)題情境較復(fù)雜，大部分學(xué)生在讀完題后不能明白歸根結(jié)底是學(xué)生將較復(fù)雜的實(shí)際問(wèn)題中的過(guò)程轉(zhuǎn)換成物理模型的能力較弱。下面就該題為例，通過(guò)利用經(jīng)典的模型對(duì)比講解，讓學(xué)生對(duì)經(jīng)典的模型理解會(huì)更深入，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維的水平。在分析第（2）問(wèn)時(shí)，可以啟發(fā)學(xué)生將整個(gè)過(guò)程分為兩個(gè)階段。首先，小球從C到B的過(guò)程中，是球與管的相互作用過(guò)程，因?yàn)闆](méi)有摩擦，系統(tǒng)動(dòng)能沒(méi)有減少且水平方向系統(tǒng)不受外力，這一過(guò)程符合彈性碰撞的特點(diǎn)。所以在該過(guò)程中可以理解為玻璃管碰撞小球，C點(diǎn)碰撞開(kāi)始，B點(diǎn)碰撞結(jié)束。利用彈性碰撞模型，求出小球運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)時(shí)的速度v和此時(shí)玻璃管的速度v1.可見(jiàn)小球到達(dá)B點(diǎn)時(shí)的速度比玻璃管的速度大，小球?qū)腂點(diǎn)向A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，有些學(xué)生提出一些問(wèn)題。小球會(huì)A點(diǎn)嗎？小球會(huì)相對(duì)玻璃管回走嗎？小球和動(dòng)是怎樣的？問(wèn)題的出現(xiàn)也是思維發(fā)展的前奏。“不憤不啟，不悱不發(fā)”，此時(shí)啟發(fā)正當(dāng)時(shí)。于是畫(huà)出經(jīng)典的板塊模型，提出問(wèn)題并讓學(xué)生解答：某時(shí)刻物塊處于板長(zhǎng)L=3.0m為木板的左端，且木板的速度v，物塊的速度1v2，在光滑的水平面上運(yùn)動(dòng)，木板與物塊0.3，問(wèn)物塊能否A點(diǎn)（，3）若不能到達(dá)A點(diǎn)，分析兩者狀態(tài)？（4）若能到達(dá)A點(diǎn)，則在物塊到達(dá)A點(diǎn)時(shí)，兩者的2
2速度分別為多大？這一模型過(guò)程從牛頓第二定律就開(kāi)始學(xué)習(xí)，學(xué)生非常熟悉，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的思考，依次回答如下。第（3）問(wèn)可以定性分析，物塊受到向左的滑動(dòng)摩擦力作用，木板受向右的滑動(dòng)摩擦力作用。木板勻加速，物塊勻減速，若二者共速時(shí)物塊還在木板則之后兩者共速；所以此時(shí)可以否定小球在玻璃管中會(huì)回走。會(huì)不會(huì)共速時(shí)沒(méi)脫離？學(xué)生可以通過(guò)動(dòng)量守恒和能量守恒分析得到，二者速度相等時(shí)，相對(duì)位移的值大于木板的長(zhǎng)度。根據(jù)第（3）問(wèn)的分析可知小球?qū)牟點(diǎn)向A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程轉(zhuǎn)化為板因?yàn)榘鍓K的終態(tài)要么共速要么脫離時(shí)物塊的速度大于木板的速度，A點(diǎn)時(shí)，物塊的速度為6m/s，木板的速度為3m/s.該題學(xué)生在獨(dú)立的運(yùn)算完成后，例題的第（2）問(wèn)也就分析完畢。6個(gè)計(jì)算式的分析過(guò)程也是對(duì)經(jīng)典模型深入理解的過(guò)程，通過(guò)這樣的分析可以讓學(xué)生體會(huì)到解決復(fù)雜過(guò)程的問(wèn)題時(shí)應(yīng)將其轉(zhuǎn)換為合適的物理模型分析。在答本道例題的第（2）問(wèn)時(shí)，只需①⑥兩式聯(lián)立即可，得到小球的速度6m/s，玻璃管的速度等于3m/s.至此學(xué)生的深度學(xué)習(xí)還未結(jié)束。先來(lái)考慮剛剛分析的在光滑水平面上的板塊運(yùn)動(dòng)過(guò)程與非彈性碰撞過(guò)程動(dòng)量和能量的關(guān)系一致，據(jù)此可以將物塊相對(duì)木板的運(yùn)動(dòng)看作延時(shí)的非彈性碰撞。進(jìn)一步明確例題當(dāng)中的小球從C到A的運(yùn)動(dòng)過(guò)程相對(duì)應(yīng)的過(guò)程模型，用我們學(xué)過(guò)的碰撞知識(shí)來(lái)分析，計(jì)算題的2）問(wèn)實(shí)際可以把小球從C到B的過(guò)程看作是彈性碰撞過(guò)程，玻璃管碰撞小球；從B到A的過(guò)程可以看作是非彈性碰撞，小球碰撞玻璃管。而小球從C到A的運(yùn)動(dòng)全過(guò)程又可以看作非彈性碰撞的過(guò)程。本題通過(guò)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)的分析將題目中的過(guò)程轉(zhuǎn)換為學(xué)習(xí)過(guò)的經(jīng)典模型，并將經(jīng)典模型進(jìn)行深度的學(xué)習(xí)總結(jié)，不僅解決了題目中的問(wèn)題；更重要的是學(xué)生對(duì)經(jīng)典模型特點(diǎn)理解會(huì)更深入，掌握在分析實(shí)際問(wèn)題的過(guò)程中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)過(guò)程的模型轉(zhuǎn)換。學(xué)生在老師的引領(lǐng)下不斷的分析、探討、對(duì)比，解決問(wèn)題的能力和思維水平都會(huì)得到提高。在物理學(xué)科核心素養(yǎng)的水平劃分中，將科學(xué)思維分為五個(gè)等級(jí)，其中水平5指出能[1]將較復(fù)雜的實(shí)際問(wèn)題中的對(duì)象和過(guò)程轉(zhuǎn)換成物理模型。這就