变式教学提升学生解决物理问题能力的实践研究与思考

曹义才

摘 要：纵观当前的物理教学，“一讲就懂，一做就错，一点就通”是教学中普遍存在的现象，如何在物理教学中真正实现做一题会一类，达到举一反三、触类旁通的高效的教学效果，本文就变式教学促进学生提高解决问题能力，进行了实践研究和反思。

关键词：变式教学；物理问题；实践研究

在教学实践中发现：影响学生解决物理问题的最大障碍就是看到问题不能正确地建立相应的物理模型。为了提高物理课堂教学的有效性，笔者在教学实践中进行了变式教学促进学生提高解决问题能力进行实践研究。

一、问题提出

纵观当前的物理教学，大部分就是在不停地做题、解题。教师忙碌、学生辛苦，到头来学生物理题目解了不少，但解决问题的能力依然不足，成绩也未明显得到提高，不会做的题目还是不会做，会做的题目也只局限于见过或做过的，甚至部分同学就连做过的题目改个条件或换个背景也束手无策。究其原因，笔者认为：原因是平时在解决物理问题时，学生和老师基本上就题论题，没有认真反思和总结题目背后隐藏的“故事”。解题实际问题是高中物理教学的重心，我们不能仅仅满足得到了结果，在物理教学中还应注意适时引导学生作深入研究，分析物理模型，找到解题规律，掌握规律才能走出题海，提高解决物理问题的能力。

二、实践探索

如何在物理教学中真正实现做一题会一类，达到举一反三、触类旁通的高效的教学效果，值得我们深思。本文以高一物理必修1核心问题分析为例共同探讨如何利用变式教学提高教学的有效性。

例题1 如图1所示，一物体在水平地面上做匀减速直线运动，已知v0=12m/s， vt=0，t=2s，求加速度a和位移s.

调查与分析：问题展示后，让同学们独立解答，笔者所任教的两个班级共计101人，87位同学顺利求出答案，正确率为86%，只是个别同学解答不够规范。笔者所任教的高一学生生源为县级三类生源，学生有如此高的正答率，原因很简单：题目直接给出了已知条件，指明了运动状态，学生只需套用匀变速直线运动规律公式就可以直接求解。

变式1：在一段平直道路上，一辆汽车遇紧急情况刹车，刹车后车轮由于在路面上滑动并留下一段笔直的刹车痕迹，如图2所示。从监控录像中得知该车从刹车到停止的时间为1.5 s，刹车前的速度为15m/s，请你根据上述数据计算该车刹车的的加速度和刹车痕的长度.

调查与思考：在大多数同学们顺利解答例题1后，并在师生共同进行了规范解答的基础上，思考变式训练1。结果显示：两个班级共计101人其中只有53位同学顺利求出答案，正确率为52%。究其学生失误原因：（1）不能把实际问题转化为物理模型（匀减速直线运动）；（2）不能从题中读出有效的信息（匀变速运动参量）；（3）学生还是习惯“已知、求、解”解决问题的单纯思维模式。

变式2：我国歼-15舰载战斗机首次在“辽宁舰”上成功降落。降落时在水平甲板上受阻拦索的拦阻，如图3所示，速度从v0=20m/s减小到零所用时间t=2s.若将上述运动视为匀减速直线运动， 求战斗机在“辽宁舰”上滑行的距离.

调查与思考：结果显示：经过变式1的训练，同学们此题的正答率为89%。研究发现：影响同学们解决物理问题的主要障碍是不能正确建立物理模型，在建立物理模型的基础上获取有用信息的能力不足。

变式3：在一段限速为50 km/h的平直道路上，一辆汽车遇紧急情况刹车，刹车后车轮在路面上滑动并留下9.0 m长笔直的刹车痕迹，如图2所示。从监控录像中得知该车从刹车到停止的时间为1.5 s。请你根据上述数据计算该车刹车前的速度，并判断该车有没有超速行驶.

调查与思考：

通过以上变式训练，大部分学生明白刹车是匀减速直线运动，也能从题中找出运动参量，但是在套用匀变速直线运动规律公式时发现，没有一个公式能直接求出刹车前的速度（初速度v0）。导致本题正答率为38%。究其原因：很多同学在解决物理问题时还停留在一个公式计算一个结果的单一思维，缺少联立方程寻找物理量关系的关联思维。

例题2 如图4所示，一物体在斜面上做匀加速直线运动，已知v0=0， a=2m/s2，s=9m，求vt .

调查与分析：例题2是物体在斜面上的匀加速直线运动，题意简单，已知条件清晰，知识单一，加上问题1的变式操练，学生正答率高达91%。

变式1：一个质量为m=50kg的物体，在倾斜斜面上滑行时所受的阻力为重力的0.3倍，水槽的坡度为θ=30°。若物体从斜面顶部由静止开始滑行s=12m后经斜槽底部的O点。求：物体滑到斜面底部O点时的速度大小.

学生失误分析：

（1）受力分析错误。

（2）不能利用正交分解求合外力。

（3）联立方程解决问题的意识欠缺。

教學启示：加强受力分析和正交分解法的操练，有意识地培养学生联立方程解决问题的习惯思维。

变式2：一个滑雪的人，质量m=75kg，以v0=2m/s的初速度沿山坡匀加速地滑下，山坡的倾角θ=30°，在t=5s的时间内滑下的路程s=60m，求滑雪人受到的阻力（包括滑动摩擦力和空气阻力）。

调查与分析：变式2是变式1的逆向思维，大部分学生还是不明白滑雪人受到的阻力和什么量是直接关联的，一环扣一环，从而理清解决问题的思路。在教师点拨的基础上，大约50%的学生能找到解决本题的思路。

在例题1和例题2两个模型的基础上，进行整合分析，设置以下情景。

例题3 如图5所示为水上游乐场中 “激流勇进”的娱乐项目示意图，人坐在船中，随着提升机到达高处，再沿着水槽飞滑而下。假设设乘客与船的总质量为m=120kg，在倾斜水槽和水平水槽中滑行时所受的阻力均为重力的0.3倍，水槽的坡度为θ=30°。若乘客与船从槽顶部由静止开始滑行s=20m后经斜槽底部的O点进入水平水槽（设经过O点前后速度大小不变）（取g=10m/s2）。求：船进入水平水槽后继续滑行的距离。

调查与分析：例题3是例题2和例题1的组合应用，在例题1和2理解的基础上，例题3应该迎刃而解。然而许多同学面对综合问题还是头绪混乱，不知从哪里开始分析解答，往往只关注最后要解决的问题，不能分段研究，每段分别做什么运动，每段运动对应的运动学和动力学方程如何，步步为营，写出相应的规律，组合成方程组。

三、教学启示

“一讲就懂，一做就错，一点就通”是教学中普遍存在的现象，如何有效地减轻高中学生繁重的学业负担，提高学习兴趣，培养物理素养，是摆在物理教师面前的一个非常实际的问题。变式教学对实施有效的物理课堂教学有着十分重要的作用。

所谓变式教学，就是通过渐进式、有层次的变式训练，有意识地引导学生从“变”的现象中发现“不变”的本质，从“不变”的本质中探究“变”的规律，从中概括出问题的本质属性，加深对问题的深刻理解，有效促进学生的物理学习。研究表明，变式教学是对学生进行物理技能和思维训练的重要手段，通过对问题的变式探索，可以提高学生的物理思维能力，改善学生的思维品质，培养学生的创新意识。

1.利用变式教学把握物理概念的本质特征

在物理概念学习中， 学生很容易犯非本质属性泛化的错误，这是非本质属性负迁移的结果。作为克服这类负迁移的有效方法，教学中常常运用正例变式和反例变式，帮助学生把握物理基本概念的本质属性。

正例变式主要体现为原型及其变式，在物理概念教学中，教师往往引导学生先建立概念的原型与典型的表象，再辅以变式训练，从各个角度来揭示概念的本质属性，使学生能恰当地建立概念的正确的典型的表象。除了正例变式外，还必须有意识地采用反例变式，以达到对物理基本概念的深刻理解。

2.加强例题的变式教学， 促进应用迁移

现代认知心理学的知识分类学习论告诉我们：程序知识或智慧技能学习一般要经历三个阶段，其发展的最后阶段是通过变式训练来实现操作技能的自动化。在知识的转化和应用阶段，加强例题的变式教学，将有助于学生获得熟练解决问题的能力。

在例题的变式教学中，最初的变式题设计应与例题较为相似，最后过渡到学生感到陌生的新颖题目上，这样做是为了让学生在练习过程中不至于遭到过多挫折而丧失继续学习的信心，同时也促进学生概念和规则的纵向迁移。

3.变式教学与认知策略教学相结合

变式教学不仅要让学生在变式活动过程中进行全方位、深层次的主体性和实质性的参与，更关键的是要让学生充分认知变式的自然性、可行性和操作性，学生意识到变式的依据、条件，意识到变式的总体方向和思路，涉及到思维的目的指向性，思维的目的指向性是个体认知策略和元认知的最重要的标志， 如何进行变式的过程是一种策略运用的过程，解决“变”出来的物理问题的过程也是一种策略运用的过程，可见变式教学过程总是伴随着认知策略和元认知的过程。

新课程背景下，物理探究已成为高中物理教学的重要方法，而变式教学正是进行物理探究的有效手段。在教学中，我们要始终本着“教师主导，学生主体”的教学理念去指导教学，经常对学生进行变式训练，以實现物理教学的最根本目标，即培养学生具有独立思考问题、分析问题和解决问题的能力。