一道力學題的典型錯解引發的對科學思維素養培養的思考

?普通高中物理課程標準（２０１７年版２０２０年修訂）?以“立德樹人”為根本任務，以學生學科核心素養為培養目標．物理學科核心素養包括物理觀念、科學思維、科學探究和科學態度與責任四個方面，其中科學思維包括模型建構、科學推理、科學論證和質疑創新等要素，顯然，要培養學生科學思維素養，離不開教師科學、合理、循序漸進的教學引導．

筆者在一次閱卷中捕捉到一道力學基礎題的形形色色的錯誤解法，這些錯誤解法不僅暴露出學生對物理知識和物理規律的理解與運用、物理方法掌握的缺失，同時也折射出教師的教學行為有待進一步改善．

１ 案例呈現

原題 質量為２０kg的小孩坐在秋千板上，小孩離拴繩子的橫梁２５m，如果秋千擺到最高點時，繩子與豎直方向的夾角是６０°，當秋千板擺到最低點時（g 取１０ms－２，空氣阻力不計）．求：

（１）小孩的速度的大小;

（２）小孩對秋千板的壓力的大小．

２ 三類典型錯解分類剖析

２.１ 機械記憶公式引發的錯解

如圖１ 所示，該同學在求解第（１）問中小孩運動到最低點速度時憑機械記憶認為小孩做圓周運動．在最低點由重力提供向心力，得出速度為v＝根號下gR ＝５m·s－１．通過統計發現，有相當一部分學生都由根號下gR得出小孩運動到最低點的速度．這反映出這類學生在遇到這類問題時尚未建構出運用動能定理或機械能守恒定律解決問題的思想理念，而只是停留在“只能由圓周運動向心力求速度”的思維定式上．雖然學生的思維方式因人而異，但與教師的教學不無關聯．從此處的錯誤解答不難看出，教師的教學已經進行到了“動能定理或機械能守恒定律”部分，并且有意與圓周運動部分進行綜合滲透考查，但學生的學仍停留在圓周運動的向心力部分，可見學生的“學”沒有跟上教師的“教”，同時也反映了學生科學思維素養的培養有待進一步提高．

２.２ 物理模型建構能力不足引發的錯解

物理模型作為科學思維素養的構成元素在物理中隨處可見，培養學生在實際問題中抽象出適當的物理模型是提高學生模型建構能力、發展科學思維的重要舉措．

作為圓周運動，常見的運動模型有輕繩模型（內軌道模型）、輕桿模型（管道模型），而它們對研究對象過最高點的條件有所不同，對繩模型（軌道模型）而言，物體過最高點的條件為速度大于或等于根號下gR ，根號下gR 為繩模型（內軌道模型）通過最高點的最小速度，顯然，得出圖２中“最高點T ＝０，v＝ 根號下gR ”的錯解的原因是缺乏對繩模型或軌道模型的正確建構能力，這類學生只記得最高點T ＝０，v＝ 根號下gR 這一具體結論，將其推廣到任何位置處的最小速度，顯然是錯誤的．

眾所周知，繩模型或軌道模型中，以小球運動為例，若小球的運動僅僅局限于軌跡所在圓的水平直徑以下，小球做圓周運動的最高點速度為零，此時繩中的拉力或軌道對小球的彈力與重力沿徑向的分力大小剛好相等，繩中的張力不可能為零．教師在講解這部分內容時要分析清楚，避免學生走入誤區．當然，由學生的錯誤也可窺見教師有時為追求教學進度而忽視對學生基本運動模型建構能力的培養．

２.３ 科學推理過程的不科學引起的錯解

培養學生科學推理能力是發展學生科學思維素養的重要手段和方法，推理過程應當思維嚴密、邏輯清晰、簡潔明了、科學合理，不能違反科學原則．

圖３是某學生的錯解，其在科學推理上存在的錯誤表現在兩個方面．其一，在秋千蕩到最高點時（繩與豎直方向成６０°時），小孩所受合力不是水平向左，應當沿該處所在圓的切線方向指向左下，理由如下：當秋千蕩到最高點時（速度為零，繩與豎直方向成６０°），小孩所受向心力為零，即人的重力沿切線方向的分力等于小孩所受合力，而小孩重力沿直徑方向的分力則與秋千對人的支持力瞬間平衡，因而解中合力方向有誤，由此求得的繩中拉力T 也是錯誤的;其二，即使繩中拉力T 求解正確，但那也只是秋千和小孩速度為零時的繩中拉力，而題目要求的是小孩和秋千擺到最低點時小孩和秋千的速度．根據圓周運動知識可知，欲要根據動力學方法求圓周運動的速度，通常要通過其他方法先求出相應位置的力，再由直徑方向的合力提供向心力求出速度．而該生錯將小孩速度為零時求出的力代入小孩在最低點的向心力公式中，將物理量張冠李戴，推理過程不科學、不嚴密．

２.４ 錯解小結

從知識維度看，上述例題是一道動能定理或機械能守恒定律與圓周運動向心力相綜合的典型問題，問題設置了兩小問，旨在搭建臺階，降低難度;從能力維度看，考查學生將實際情境轉化為物理問題的運動模型建構能力和運用核心定理解決實際問題的能力;從素養角度看，命題意圖在于考查學生科學推理、科學建模等科學思維素養．但從上述出現的三類典型錯解這一表象上看，教師教學時要注意科學思維素養這一學科核心素養的培養，不能片面追求快、多、深，而忽視對基本知識、基本規律、基本方法的強化運用，錯失科學推理能力的培養機會．顯然，對學生學科核心素養的培養之路任重而道遠．

３ 科學思維素養培養的思考

科學思維素養的培養是一項系統的工程，不是一朝一夕就能完成的，教師要沉得住氣，要蓄勢待發，不可拔苗助長．教學和學習中我們要從以下幾方面作出改變．

３.１ 正確認識課程標準育人理念

或許有教師認為，課程標準與實際教學無關，不管頒布什么樣的課程標準，仍以不變應萬變，一支粉筆、一本教材、一套永不過時的備課資料、一樣的授課方式，經年不變，唯一的目標就是把知識盡可能快地、盡可能全面地灌輸給學生，學生只要會做題，能考高分就行了，始終唯分數論．持這種觀點的人應該不在少數，這是應試教育下的不良結果．教師不太重視課程標準，對課程標準提出的新的育人理念不太關注，不主動去學習課程標準內容，這是教書匠的行為，充其量只能教會學生知識，教會學生做題．隨著課堂教學的評價方式、評價機制、高考的不斷革新，相信這樣的教學行為也會逐漸改變．另外，從育人的角度思考，教師的職責是教書育人，要將學生將來走入社會解決實際問題所需的關鍵能力和必備品質在其學生生涯中就培養鍛煉出來，這是最為關鍵的地方．

３.２ 尊重知識習得規律，科學有序開展教學

知識的習得、能力的提升、思維的培養都是一個漸變的過程，教師在組織課堂教學時，要尊重個體的思維特點，循序漸進開展教學，切不可高強度、快節奏、大容量地進行教學，置學生的個性特點于不顧．

各地高中在高三上學期結束前不結束新課，其目的也是尊重知識的習得規律、科學有序開展教學．

３.３ 改進落后教學方法，探索培養素養舉措

一支粉筆、一本教材、一套備課資料配之以滿堂灌的教學方法真的應該與我們告別了．我們一線教師要改進落后的教學方法，積極探索高效的教學模式，如問題鏈驅動法、情境導入法、實驗探究法、活動體驗、多媒體輔助法、DIS數字化實驗法等方法都應融入課堂，不僅如此，我們還應盡可能帶領學生走入實驗室進行學生實驗、走出課堂開展研究性學習．只有教師做個愛學習、肯動腦、善鉆研的學習型教師，才能探索出適合學生的、更好的、更加先進的教學方法，從而為培養學生的科學思維素養作出應有的貢獻．

（完）