巧设进阶追问 培养科学思维

李慧玲

摘   要：培养学生的科学思维能力是物理学科教学的重要任务，在教学中应该根据学生的实际情况选择合适的教学方式进行授课。板块模型是高考的热点，综合考查动力学、动量和能量等相关知识，同时考查学生的推理分析和模型建构等关键能力，对学生的物理素养要求很高。笔者针对学生常见的思维误区，选择了进阶追问的教学方式进行尝试，取得了不错的效果，在指导学生突破板块模型问题的同时也提升了学生的思维能力。

關键词：板块模型;进阶追问;科学思维

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2021）11-0060-4

1    缘   起

1.1    培养科学思维是新课标教学和中国高考评价体系考查的要求

要培养德智体美劳全面发展的人才，科学思维的培养必不可少。对物理学科而言，培养学生的科学思维方法一直是教学中的重要任务。2020年1月，教育部考试中心出版了《中国高考评价体系》[1]和《中国高考评价体系说明》[2]，该体系对科学思维做了特别的说明：采用严谨求实、实证性的逻辑思维方式应对各种问题。能够根据对问题情景的分析，运用实证数据分析事物的内部结构和问题的内在联系，以抽象的概念来反映客观事物的本质特征和内在联系。运用抽象与联想、归纳和概括、推演与计算模型、建模等思维方法来组织、调动相关的知识与能力，解决生活实践或学习探索情景中的各种问题。

1.2    板块模型是高考的热点

纵看近几年的理综物理高考题，板块模型出现的频率很高，且大多作为选择题或计算题的压轴题出现。板块模型是典型的多物体多过程的问题，可以综合考查动力学、动量和能量等相关知识，同时考查学生的分析能力、综合能力和物理素养。题目往往通过创设递进式问题情境的方式将难度逐步提高，能很好地完成区分选拔的任务，备受命题者的青睐。

1.3    板块模型是教学中的重难点

板块模型综合性强，学生的知识必须全面，并且要有严谨的分析能力、很好的建模能力和运算能力，因此很多学生对板块模型有着畏惧的心理。笔者根据教学中学生反映的情况，将学生常见的思维误区整理如下：

（1）研究对象或研究过程不清晰;

（2）受力分析不全面，摩擦力相关知识不过关，如：摩擦力的有无，摩擦力的方向，摩擦力的种类（静摩擦力和滑动摩擦力），摩擦力的大小等;

（3）牛顿第二定律F=ma中三个物理量的一一对应关系容易混淆;

（4）临界状态的特点把握不准;

（5）分不清板和块的运动情况和相对运动情况;

（6）无法构建板块间的速度关系和位移关系。

2    巧设进阶追问，培养科学思维的实例分析

学生如果能够突破以上思维障碍，板块模型将“手到擒来”，科学思维能力也会得到提升。那么，作为学生的指导者，老师们又该如何帮助学生突破上述思维误区呢？笔者尝试用进阶追问的方法设计了一节课，循序渐进地引导学生逐步突破各个障碍，增强了学生的信心，收到了不错的效果。

【母题】 如图1所示，滑块A和木板B静止叠放在水平地面上， A、B的质量分别为m和2 m， A、B间的动摩擦因数为μ，水平面光滑，现欲施加一水平拉力F，使A、B以同一加速度运动，求拉力F的最大值。（设最大静摩擦力等于滑动摩擦力）

【进阶追问一】 理清基本概念、规律及解题方法

（1）A、B间的最大静摩擦力是多少？

（2）当A、B以同一加速度运动，A、B间是什么摩擦力？大小、方向如何？

（3）当A、B以同一加速度运动且拉力F最大时，A、B间是什么摩擦力？方向如何？

（4）分别对A、B、AB进行受力分析。

设计意图：

问题（1）、问题（2）突破摩擦力的误区：最大静摩擦力是两个接触物体处于要滑动而尚未滑动的临界状态时所产生的摩擦力，根据题意可知最大静摩擦力等于滑动摩擦力，fmax≈μN，且题中N=mg（注意，fmax≈μmg不一定成立）。而静摩擦力指的是当两个相互接触的物体保持相对静止，但有相对滑动的趋势时，接触面间产生的阻碍相对滑动趋势的力。静摩擦力的大小范围：0<f<fmax，方向与相对运动趋势方向相反;当两个相互接触的物体发生相对滑动，接触面间产生的阻碍相对滑动的力为滑动摩擦力，滑动摩擦力大小为f=μN（注意N=mg不一定成立），方向与相对运动方向相反。

问题（3）突破临界状态的特点：当A、B以同一加速度运动且拉力F最大时，A、B间的摩擦力为最大静摩擦力，且A、B的加速度相同。

问题（4）突破受力分析、整体法和隔离法的难点，由于A、B的加速度相同，既可以隔离A或B进行受力分析，也可以对AB整体进行受力分析。

【进阶追问二】 改变物理量，创设新情景

（1）若地面光滑，拉力F作用在A上;

（2）若B与地面间的动摩擦因数为■μ，拉力F作用在B上;

（3）若B与地面间的动摩擦因数为■μ，拉力F作用在A上;

（4）若B与地面间的动摩擦因数为■μ，拉力F作用在B上;

（5）若B与地面间的动摩擦因数为■μ，拉力F作用在A上。

设计意图：问题（1）和母题的地面光滑，先给学生展现一个简单的情景，若力作用在B上，根据牛顿第二定律，对A有：μmg=ma;对B有：F-μmg=2ma;对AB有：F=（m+2m）a。

若力作用在A上，根据牛顿第二定律，对A有：F-μmg=ma;对B有：μmg=2ma;对AB有：F=（m+2m）a。

通过比较引导学生灵活选择对象进行解题，突破对象的选择和整体法、隔离法的运用。很明显，在母题中选择A和AB为研究对象解题比较容易，在问题（1）中选择B和AB为研究对象解题比较容易。

加强学生的受力分析和运动分析能力，对摩擦力和相对运动、运动的关系有更深入的理解。

引导学生学会用严谨的逻辑思维方式分析问题，准确灵活地选择研究对象、突破摩擦力的障碍，理清临界状态的特点，做好受力分析，准确列式求解，并且进行概括和归纳，为下面的学习作铺垫。

【进阶追问三】 发散思维，全方位巩固

如图2，拉力F作用在A上，A、B的质量分别为mA=3 kg，mB=2 kg，A、B之间的动摩擦因数为μ1=0.5，B与地面间的动摩擦因数为μ2=0.2，重力加速度g=10 m/s2。

（1）A、B都相对地面静止，求力F的范围;

（2）A、B相对地面一起运动，求力F的范围;

（3）A、B发生相对滑动，求力F的范围。

思考：滑块A和木板B的加速度有何关系？

设计意图：（1）A、B之间的最大静摩擦力为：

fABmax=μ1mAg=0.5×3×10 N=15 N;

B与地面间的最大静摩擦力为：

fmax=μ2（mA+mB）g=0.2×（3+2）×10 N=10 N;

对A、B 进行受力分析可知，F≤fmax=10 N时，A、B都相对地面静止。

（2）F>fmax=10 N时，A、B都相对地面运动，由于A、B相对静止，A、B间的摩擦力fAB是静摩擦力。当A、B间摩擦力为最大静摩擦力fABmax时，对应的力F为A、B一起运动的最大值。对B有：

fABmax-μ2（mA+mB）g=mBa，对整体有：f-μ2（mA+mB）g=（mA+mB）a，联立两式解得：F=22.5 N，即 10 N<F≤22.5 N时，A、B相对地面一起运动。

（3）当F>22.5 N，A、B发生相对滑动。

本题是前面两个阶段的深化和升华，引导学生对板块模型进行全面的受力分析和运动分析，进行推演与计算，进一步提升思维能力。思考题的设计是运动分析的补充，学生若能分析出A、B相对地面静止时，加速度a=0;A、B相对地面一起运动时加速度a相同;A、B发生相对滑动时，aA>aB，就能掌握板块模型的主动和被动的关系。

【进阶追问四】 拓展应用，提升思维深度和广度

【拓展1】 若木板厚度不计，二者处于静止状态。现对木板施加一水平向右的恒力F，已知各个接触面均粗糙，且最大静摩擦力等于滑动摩擦力。图3中关于滑块和木板运动的v-t图像中可能正确的是（实线、虚线分别代表木板和滑块的v-t图像）（ ）

设计意图：由于滑块与木板之间有摩擦力，所以当木板做加速运动时，滑块不可能保持静止，A选项错误;当F较小时，滑块与木板一起做加速度相等的匀加速直线运动，故B选项正确;当F较大时，滑块相对木板滑动，滑块与木板都做加速运动，但木板的加速度大;二者分离后，滑块在地面上滑动，将做减速运动;木板的加速度将增大，故C选项错误，D选项正确。

本题将板块模型和图像结合起来，从图像的角度引导学生分析运动。分别考核了A、B一起運动和相对滑动两种情况，C、D选项再次展现了板块的主动和被动关系，由于是木板带动滑块，木板的加速度必定大于滑块的加速度;同时也考核了滑块从木板上掉下来的情况，滑块受到地面的摩擦力作用继续减速，而木板由于滑块的离开，合力更大，加速度更大，学生的思维再一次得到提升，而且对物体的运动分析更加全面长远。

【拓展2】 如图4，木板B放在光滑水平地面上，给其施加一个水平向右的恒力F=8.0 N，当向右的速度达到v=1.5 m/s时，有一滑块以水平向左的初速度v0=1.0 m/s滑上木板的右端。滑块A的质量m=2.0 kg，木板B的质量M=8.0 kg，A、B之间的动摩擦因数为μ=0.2，设木板足够长，滑块A可看作质点，重力加速度g=10 m/s2。求：

（1）滑块A从滑上木板B开始，经过多长时间速度减小为零;

（2）滑块在木板上相对滑动的过程中，滑块相对地面的位移;

（3）滑块和木板的相对位移。

设计意图：本题主要是引导学生突破板块间的速度关系和位移关系，分清板和块的运动情况和相对运动情况。滑块受到木板施加的滑动摩擦力向左做匀减速直线运动直到速度减到0，第1问简单考核此过程的运动时间，涉及滑块的（对地）运动情况;滑块向左匀减速到0后由于受到木板施加的滑动摩擦力，反向向右做匀加速直线运动，直到滑块和木板共速后一起做匀速直线运动，第2问中考核滑块从开始到与木板共速过程中的（对地）运动情况;第3问考核滑块和木板的相对位移，应该分析滑块和木板的运动情况，画出运动过程图帮助解题，综合提升学生抽象与联想、归纳和概括、推演与计算模型、建模等思维方法。

3    策略探讨

3.1    挖掘适切问题情景，一题多变，提高课堂效率

本节课通过在母题的基础上进行一题多变的方式来实现进阶追问，大大降低了难度，单一的物理情景更容易让学生接受，节省了模型的分析时间，提高了课堂的效率，为其他知识技能的学习腾出了时间。所以，在平时的教学中，要注重题目的分析和收集分类，根据课堂的需要挖掘适切的问题情景，将相关的题目和追问目标匹配起来进行设计，一步一步地实现课堂目标。

3.2    根据课堂教学任务和学生的实际情况将目标细分，设问难度逐步提高，梯度要合理

本节课追问的设计层层递进，一环扣一环，学生一个阶梯一个阶梯地往上走，不知不觉间思维能力得到了提升，不会感觉到特别吃力，减缓了学生对板块模型的畏惧感，学生每完成一个小任务也能获得成就感和满足感，自信心也得到了加强。所以，在教学中我们可以按照教学任务把目标进行细分，每个小任务都要符合学生的能力水平，设计问题引导学生学会分析、学会思考，在解决问题的过程中逐步掌握知识和提升能力。

3.3    改变条件设计追问，引导学生审题、分析、建模

本节课从母题开始，每个追问的条件都发生变化，且难度越来越大，先是地面光滑，再是地面有不同的动摩擦因数，再到两物体各种相对运动和图像问题等，条件不同，情景就发生变化，解题的切入点和解题方法也随之变化，这个变化过程让学生体会到审题、分析、建模的重要性。设计多变的条件让学生学会深入挖掘其中的异同，找到关键点，寻找突破口，同时，也让部分盲目背题的学生明白，物理题应该注重分析和理解，不能死记硬背，一个小小的数据发生改变，整个题目就发生了翻天覆地的变化。

4    小  结

课堂实例通过进阶设问的方法重点解决受力分析和运动分析的问题，突破了摩擦力、整体法、隔离法、牛顿第二定律、运动学公式在板块模型中的运用，学生在一环扣一环的问题指引下循序渐进地学习，知识得到了巩固，科学思维能力也得到了提升，同时收获了满足感和自信心，此方法在教学中值得推广。

参考文献：

[1]教育部考试中心.中国高考评价体系[M].北京：人民教育出版社，2019.

[2]教育部考试中心.中国高考评价体系说明[M].北京：人民教育出版社，2019.

[3]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

（栏目编辑    罗琬华）