從省市級優質課“力的分解”引發的思考

王賢勇

（貴州畢節市第一中學，貴州 畢節 551700）

1 問題背景

在2020年筆者有幸觀摩了貴州省第七屆物理優質課的市賽和省賽.市賽和省賽的課題之一都是選自人教社2004版高中物理必修1第3章第5節“力的分解”.其中市賽有6位教師、省賽有9位教師上了“力的分解”這節課，經筆者梳理后發現這15位教師課的設計都大同小異.體現在四個方面：一是課例幾乎一樣；二是知識方法最共性的一點是把這節課的重點放在力的“效果分解法”上；三核心素養最共性的地方都設計了科學探究；四是都用了小組合作探究模式.可見，真不愧是優質課比賽，設計還是比較潮流的.下面請跟隨筆者的梳理，一起去看看最典型的課例設計.

2 設計要點

如何去分解1個力？請看部分教師在分解方法環節和應用環節的設計.

科學探究1.以人拉拉桿箱為例（其中有的教師用人拉箱，有的教師用拖拉機拉耙）.引導學生思考人對箱的拉力產生什么效果.有4位教師用圖1所示的裝置演示實驗：用斜向上的力F拉物體，學生觀察臺秤和彈簧測力計的示數，臺秤示數減小，彈簧秤示數增大，說明拉力F產生兩個效果，一個效果是使彈簧被拉伸，一個效果是把物體豎直提起.總結得出力F按其作用的效果可分解為水平向右和豎直向上的2個分力.

圖1

科學探究2.以斜面上的物體為例，物體的重力G如何分解？引導學生思考重力G產生什么效果.有的教師用薄板和氣球觀察重力產生的效果；有的利用圖1的裝置來觀察重力產生的效果（拆去拉力，把木板的左端抬高，觀察臺秤和測力計示數的變化）；有的教師用薄板、海綿或氣球觀察重力產生的效果.如圖2（a）所示，把鉛球放在斜面上，學生觀察到薄木板被壓彎，海綿發生形變.所以得出重力G產生兩個效果，一個效果沿斜面向下，導致海綿發生形變，另一個效果垂直斜面向下，使物體擠壓斜面，于是重力G被分解為如圖2（b）所示的2個分力.

圖2

點評：這兩種設計方案的優點是引導學生從生活走向物理，建立物理模型，同時把“抽象的效果”顯現出來，能讓學生達到一聽就懂的效果.

科學探究3（應用）.塔吊吊貨物，繩拉塔吊的力如何分解？學生觀看塔吊的圖片或者視頻，結合教師提前發給學生的鉛筆、細繩、鉤碼，讓學生自己設計簡易塔吊，感受拉力產生的效果，從而作出2個分力F1和F2.流程如圖3所示.

圖3

科學探究4（應用）.展示斧頭劈柴圖片，分析斧頭刃角越小，越容易把柴劈開的原因.學生討論、教師解釋，斧頭的尖刃越薄，F1和F2越大，所以越容易把柴劈開.如圖4所示.

圖4

科學探究5（應用）.陷入泥潭的汽車，汽車上有一根繩，如何才能把汽車拉出泥潭（四兩撥千斤）？

點評：繼續培養學生建模的能力，亮點是升華到把所學知識應用于生活.

3 問題分析

筆者上網查一下“力的分解”的優質課，獲得一等獎的設計方案在力分解的環節其重點是按“效果分解法”進行的.筆者繼續在知網上查詢了“力的分解”的核心論文，同樣發現也是把“效果分解法”作為重點來設計的.筆者認為“效果分解法”是傳統的分解方法，人教社2004版教材已經摒棄，把“效果分解法”作為本節課的重點是值得商榷的，因為“效果分解法”存在諸多弊端，且對后續的學習沒有多大的價值和意義，分析如下.

3.1 “效果分解法”的難點是不好找效果

力的分解過程一般是去尋找兩個不存在的力來等效替代一個客觀存在的力.從數學的角度就是已知平行四邊形的一條對角線，去尋找這條對角線的兩條臨邊.分力既看不見又摸不著，尤其是在復雜的物理情境中不好確定“兩個效果”，即分力的兩個方向，也就無法進行分解.所以按“效果分解”來開展教學的結果往往是學生一聽就懂，一做就錯.究其原因是學生不知道分力的具體走向，他們的主觀感受好像是力怎么分都可以，故難以進行分解.還有一個物體往往受多力作用，離開受力分析和運動分析單獨去尋找某一個力的作用效果本身是沒有意義的.

3.2 “效果分解法”存在一些誤區

誤區之1.科學探究2中，通過觀察木板和海綿形變了就得出重力G的分力一個垂直斜面向下，一個沿斜面向下嗎？這顯然是不嚴謹、缺乏科學性的.原因是不管我們把重力G分解到什么方向，效果均一樣，都會觀察到同樣的現象.那說明木板和海綿的形變與重力G分解到什么方向沒有關系.同理，科學探究1中臺秤和測力計的示數與拉力F分解到什么方向也沒有關系.臺秤和測力計的示數是由物體的受力情況和運動狀態來共同決定的.

誤區2.科學探究3中，從塔吊模型到學生模擬塔吊模型，再到最后的模型所受拉力的分解都是值得商榷的.因為塔吊模型是定桿模型（支點固定），細心觀察的同學還會發現，有的塔吊沒有斜向的兩根鋼索，同樣能工作.學生模擬的是動桿模型（桿可繞支點旋轉），動桿模型受力沿桿，定桿模型的受力是不一定沿桿的.可見模型構建是缺乏科學性、嚴謹性的，甚至是錯誤的，故得出的結論也未必正確.這樣的教學設計是培養不出學生嚴謹的科學態度和正確的價值觀念的，甚至會把學生引導向錯誤的方向.

誤區3.力的作用效果有兩個，一個是使物體的運動狀態改變，一個是使物體發生形變.這兩個效果可以同時產生，也可能只有一個.按照力的“效果分解法”，很容易導致學生在某些方向上把力的“作用效果”理解錯誤.比如科學探究2中，學生觀察到氣球和木板發生了形變，他們就會自動建立這樣的關系：是重力沿斜面的分力和重力垂直斜面的分力分別作用在氣球和木板上，所以才看見形變.這種理解顯然是錯誤的.正確的理解應為：重力的效果是使物體向下運動，氣球和木板阻礙了物體向下運動，導致物體間相互接觸擠壓、形變，從而產生彈力.

科學探究4和5中，題目要考查的要點是：合力一定時，兩個等大的分力夾角越大，則分力越大.但要把這個結論運用于劈柴和拉車是非常難的，原因在于：要分解的力作用在斧子上，但結果是柴被劈開了.可見，對象是混淆的.麻煩還沒有結束，學生還會想到，這兩個分力是用來代替F的，故作用在斧子上，刃角越小，分力越大，應該是把斧子劈開才對呀！兩個分力越大和容易把柴劈開還要建立一定的邏輯關系，要去構建這樣的邏輯關系，又要涉及到研究對象的選擇、輕質模型的構建、力和運動的關系、作用力與反作用力等知識.從教學處理來看，缺乏邏輯性，知識的跨越性過大.從目前學生儲備的知識和能力來看，超越了學生的認知.故這樣的教學處理即使得出的是正確的結論，但是因為學生無法理解，所以便談不上運用，最終也是無效的.導致的結果是學生一聽就懂，一做就錯.究其原因是學生根本就沒有理解這類問題的前因后果，它們只知其然而不知其所以然.云里霧里，不知道問題出在哪里.

誤區4.力的“效果分解法”可能會把學生導向錯誤的方向.老師花大量的篇幅來講解力的效果分解法，會讓學生覺得效果分解法很重要，他們會花大量的時間去訓練效果分解法，這是得不償失的，對后面的學習也是沒有多大幫助的.因為我們知道，力的分解是為了把復雜問題簡單化，是為了解決力和運動的關系服務的，僅僅是解決問題的一種手段和方法.如果說非要采用效果分解的時候，應該從“改變運動狀態”的效果上來綜合分析才是最佳的.對比人教社2004版和2019版的教材筆者發現，為了讓教師和學生們不在力的分解上浪費過多的時間，2019版已經把力的分解與合成編排成一節內容，大大的弱化了分解的內容.所以我們應該及早走出傳統力的分解教學，這樣做無疑減輕了教師教學的負擔和學生學習的負擔，有利于增強學生學習物理的自信心.

如何才能避免以上的誤區，筆者給出的下列幾點建議供教學參考.

4 教學建議

4.1 堅持以新課標為指導

課程標準是教學的指揮棒，是教學必須要達到的基本要求.作為教師，備課前必須研讀課程標準，按照新課標的要求進行教學設計.切勿提高教學難度增加學生的負擔，打擊學生學習的積極性.2017年版高中物理新課標對力的分解有明確的指示，在能力層次方面已經從“理解”層次降為“了解”層次.在目標方面要求會把一個已知力分解成方向確定的兩個分力，并能進行簡單的運用.力的分解與力的合成是相輔相成的，很多情況下，分解的目的是為了合成.力的合成與分解應該在具體的情境中，結合受力分析、運動狀態才會有實際意義和價值.所以專家指出在新課標這節書中降低了能力層次的要求是合理的，因為學生還沒有學習力與運動的關系，降低難度不能理解為力的分解與原來相比已經不重要了.考慮到學生目前的認知，關于力的分解的意義會在以后的教學中循序漸進的推進.

4.2 堅持以教材為根基

教材是專家經過多次改編、審閱、修訂而成的.具有權威性、嚴謹性、基礎性、邏輯性、系統性等特點.一個已知力應該怎么分解呢？通讀人教社2004版高中物理必修一第3章第5節“力的分解”后筆者發現，整節書沒有提到“效果分解”這4個字.這就說明，教材編寫的專家已經注意到“效果分解法”存在一定的缺陷，沒有多大的實際意義，所以教材避而不談“效果分解法”.教材中有這樣一句話：一個已知力究竟應該怎樣分解，要根據“實際情況”確定.什么叫“實際情況”呢？也就是根據實際需要來進行分解.以斜面上物體所受重力的分解為例，教材是這樣編寫的：現在需要沿平行于斜面的方向和垂直斜面的方向對物體的運動進行研究，為此建立直角坐標系.現在把重力G沿兩個坐標軸的方向分解即可.作出平行四邊形定則，找出分力與合力的幾何關系.受此啟發，科學探究1中如何分解拉力F呢？當我們需要研究箱在水平面的運動情況和豎直面的運動情況時，就把拉力F分解到水平方向和豎直方向.這樣分解的優點是：一是減輕了學生學習的負擔，只需要學生會把力分解到需要的方向上即可；二是有效的規避了效果難找的問題，規避了受力分析時容易多加分力的問題，規避了科學探究2中物體對斜面的壓力和重力垂直斜面的分力常常混淆不清的問題；三是不管物體在斜面上是靜止還是運動的，這種分解都可以.所以這種分解方法為力和運動的關系打下基礎，潤物細無聲地培養了學生們核心素養之“相互作用觀”與“力和運動的觀念”.

4.3 堅持以素養為核心

“高中物理學科核心素養”是高中物理學科育人的核心要素，其目標是學生通過高中物理的學習，逐步形成正確的價值觀、必備的品格和關鍵的能力.那么在力的分解中可以去培養學生的哪些核心素養？

（1）可以培養學生科學思維能力.

比如通過再次分析合力與分力具有等效替代的關系，可以進一步深化學生對“等效替代法”的認識，深化學生對矢量運算的認識.從拖拉機拉耙、人拉箱等生活情境出發，引導學生從生活走向物理，從物理走向科技，可以培養學生構建物理模型的能力.從斜面上物體重力的分解，改變斜面的傾角的大小，分力大小隨之改變，引導學生思考高大的橋為什么要建長長的引橋，為什么要修建盤山路，培養學生把物理知識運用于生活的能力.

（2）可以培養學生的物理觀念.

力的分解根據實際需要來進行：通常需要研究某兩個方向的運動情況（一般這兩個方向相互垂直，為正交分解打下基礎），所以要把力分解到這兩個方向上.教材之所以這樣做，從邏輯上來說，為后面牛頓運動定律打下基礎，從核心素養的角度上看，這是為了更好的培養學生的“運動與相互作用觀”.斜面上的物體之所以和斜面接觸擠壓，是運動和相互作用的結果.

（3）可以培養學生科學探究的能力.

科學探究設計環節1、2不應用來探究一個力如何分解，而應該用來驗證力的分解是正確的.學生已經儲備了同一直線上二力平衡的知識，如圖5所示，把彈簧秤和臺秤換成拉力傳感器和壓力傳感器（沒有拉力傳感器利用臺秤和測力計也可以完成，誤差要大一些），選用表面比較光滑的斜面體和物塊，利用拉力傳感器和壓力傳感器測出T和N的大小.測出斜面的傾角θ，利用計算機算出F1和F2的大小，分別比較T和F1與N和F2的大小，在實驗誤差范圍內驗證力的分解的正確性.

增加這樣的驗證環節不僅創造性地使用了教材，更是有利于提升學生科學探究能力，培養學生在實驗操作過程中發現問題、探索問題、解決問題的能力.分解環節的驗證與合成環節的驗證前后呼應，再次證明了力矢量運算遵循平行四邊形定則，更加有利于學生去理解合成與分解互為逆運算，為理解矢量運算打下了堅實的基礎.驗證的過程構建模型，將復雜問題簡單化，對培養學生模型的建構能力有很好的幫助.

圖5

（4）可以培養學生的團隊合作、科學態度、價值觀和責任感.

設計應用和驗證環節后，學生經歷了真實的科學探究環節，領悟了科學的探究方法，總結出規律，體驗了探究的樂趣，激發了學習的興趣，培養了學生嚴謹求真的態度.同時教會學生要用學會的規律來解決實際問題，要讓學生養成理論聯系實際的良好習慣，深刻地理解科學的魅力和價值.

核心素養的提出，為高中物理的教學指明了前進的道路，要讓學生形成正確的價值觀、必備的品格和關鍵的能力，課堂教學無疑是培養的主陣地.作為教師，課堂實施必須轉變觀念，以學生為本，大膽的放手讓學生嘗試去做，去講、去練，去培養學生敢于猜想、勇于探究的意識.課堂設計要以學生的認知水平為起點，由感性認知上升到理性認識，由特殊到一般，層層遞進，逐漸升華，培養學生學習物理的興趣和科學探究的方法，形成探索物理規律的一套方法.

5 結束語

如何在“力的分解”教學過程中培養學生的學科素養，讓學生從生活走向物理，從理論走向實踐，從會做題到會解決實際問題，這是所有物理教師都要思考的問題.在教學理念、教材分析、學情分析、教學設計、小組實驗等教學環節均要進行細致深入的研究.

筆者查詢了現有各版本的教材，發現對力的分解有不同的處理方式：魯科版的教材從力產生的效果角度進行分解，此方法是傳統的分解方法，是現行用得最多的方法.人教社2004版教材對如何進行分解總結為4個字“實際情況”；人教社2019版，把力的分解與合成合并成了一節書，只講力的分解與合成互為逆運算.可見，教無定法，無論哪一種分解方式，目的都是為了更好地落實教學目標，有利于提升學生的學科素養.