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项目学习提升学生学科素养——整体法在高中物理中的应用

发表时间：2021/8/13 来源：《中小学教育》2021年9月3期作者：樊洁杨利斌

[导读]

樊洁杨利斌山西省晋城市泽州县第一中学校
中图分类号：G652.2 文献标识码：A 文章编号：ISSN1001-2982 （2021）09-197-02

        一、项目概况：
        本项目是在我校进行课堂改革的背景下，本着以人为本的教育理念，倡导教师为主导、学生为主体的新教学理念，在课堂上尽量发挥学生的主观能动性，让他们不断尝到成就感。在教师的启发引导下，学生形成积极主动、合作探究的学习态度，使获得基本知识、基本技能的同时，成为学会学习和形成正确价值观的过程。
        二、项目设计：
        （一）课题背景：
        我所带的班级是一个高三班级，学生每每做一些题目时，会感到似曾相识，但又必须重新思考。有时候做完题了，才会恍然大悟，想到用一些简单的、系统的方法，这样浪费了时间。物理研究是是物质的运动现象及基本规律，这样高中物理力学、运动学是重中之重，是基础。教学中，培养学生分析问题、解决问题的能力是至关重要的，要使学生掌握解决问题的方法，在众多方法中，整体法是一种常用的方法。在教学中要渗透系统科学的整体原理，发展学生整体思维能力，逐步培养学生的科学世界观和方法论。整体思维的基本特点是整体性，任何一个客观事物都是一个整体，因此我们可以把研究对象当作一个整体来加以思考，通过整体思维就能认识事物整体的全貌，抓住整体的本质，把握整体的变化规律。如果仅仅把视野局限在部分，只能了解事物的某些特征，就会“不识庐山真面目”了，究其原因就是“只缘身在此山中”之故。因此，我想到“整体法在高中物理中的应用”这样一个项目，让同学们发挥主动学习的兴趣，通过自己以前做过的试卷、相关的书籍、杂志或网上查找进行总结总结、归纳。
        （二）项目学习目标：
        1.知识目标：
        掌握整体法在物理中的应用，并利用整体法解决一些物理问题。
        2.能力目标：
        （1）通过书籍、杂志和网络等媒介搜集相关问题，培养学生的归纳、总结的能力。
        （2）通过讨论、分析问题，培养学生严谨的思维能力和语言表达能力。
        项目内容：
        1.给整体下定义，看做一个整体的条件，高中物理碰到过哪些情境。
        2.给高中物理知识归类，哪些问题中会用到整体法。
        3.分类找相关的典型的例题，求解比较。
        4.归纳一下，哪些问题可以用整体法求解。
        项目分工：
        1.第1、2小组，收集整理关于“力”方面的问题。
        2.第3、4小组，收集整理关于“运动”方面的问题。
        3.第5、6小组，收集整理关于“电学”方面的问题。
        小组内有组长具体分工，做到有人收集、有人整理、有人总结。
        交流项目成果过程：
        师：各小组通过2周的时间查找资料，整理资料，现在我们来交流一下，第一个问题：什么是整体？
        第1、2小组：我们认为，整体应该是一个集体，在物理中，它是指多个物体或多个质点，并且物体或质点之间应该有某种作用和联系。
        第3、4小组：我们认为，他们说的不全对，整体也可以是一个物体或一个质点，例如：一个物体从静止开始做匀加速直线运动，经t时间后，做匀速直线运动，我们可以将整个过程看作一个整体。所以说，整体也可以是一个过程。
        第5、6小组：我们在电学方面收集了一些例题，能利用整体法解决的也都是几个电荷组成的一个系统，或一个带电体的多个运动过程。
        师：从你们的收集、整理中，我们可以给整体定义为：所谓整体是指整个集体或整个事物的全部，而物理学中的整体第一可视物体系为整体，第二可将物理“全过程”视为整体。那么，整体法就是指对物理问题的整个系统或整个过程进行研究的方法。现在我们来研究一下，整体法可以解决哪些物理问题。
        第1、2小组：（展示他们收集的问题，并达到结论）
        例1.如图1所示，A在沿斜面向上的推力F作用下静止，下面说法中正确的是（      ）
        A.地面与B没有摩擦力
        B.地面给B的摩擦力向右
        C.地面对B的支持力大于A和B的重力之和
        D.地面对B支持力等于A和B的重力之和
        例2.如图2所示.质量为m的物体A以一定的初速度沿光滑斜面体B向上滑，然后又返回，B与地面间没有移动，那么在这一过程中（   ）
        A.B与地面间的摩擦力大小、方向都变化。
        B.B与地面间的摩擦力大小不变、方向变化。
        C.B与地面间的摩擦力大小变化、方向不变。
        D.B与地面间的摩擦力大小、方向都变。

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        在例1中，由于A和B都相对于地面静止，故将它们看做一个整体，进行受力分析，可得（B）正确。在例2中，A物体虽然是运动的，但它是做匀速直线运动的，受力平衡，这样A和B都是出于平衡状态，将它们视为一个整体，进行受力分析，可得（D）正确。
        从以上2个例题中，我们可以看出，利用整体法解决问题时，必须具备的条件是：两物体相对静止或具有相同的加速度或均处于平衡状态。除此之外，整体法还可以处理叠加在一起的问题和连接体。
        第3、4组：（展示运动中的问题）
        例5.如图所示，轻杆AB长2L，A端连在固定轴上，B端固定一个质量为2m的小球，中点C固定一个质量为m的小球。AB杆可以绕A端在竖直平面内自由转动。现将杆置于水平位置，然后由静止释放，不计各处摩擦与空气阻力，求：
        （1）AB杆转到竖直位置时，角速度ω多大?
        （2）AB杆从水平转到竖直位置的过程中，B端小球的机械能增量多大?
        在例5中，两个小球做的是两个不同半径的圆周运动，并且互相影响，具有相同点的角速度，虽然线速度不同，却成比例。将两个小球看做一个整体时，可以利用能量守恒定律来解。
        并且，，这样可求得角速度。
        问题②的机械能的增量更是应用整体法，末状态的机械能减去出状态的机械能。由此可见，应用整体法解多个过程的问题，主要是应用能量守恒定律或功能原理。
        第5、6小组展示：（展示电学方面的典型例题）
        例6.如图6所示，在光滑绝缘桌面上固定三个等质量的带电小球A、B、C，三球排成一条直线，若释放A球瞬间，它的加速度大小为1m/s2,方向向左；若释放C球瞬间，它的加速度大小为2m/s2,方向向右，现同时释放三球，求释放时B球的加速度。
        求最后两球的机械能与电势能的总和与烧断前相比改变了多少(不计两带电小球间相互作用的静电力)。
        在例6中，如果先对三球进行受力分析，然后运用牛顿第二定律列方程求解，由于所列方程多，求解繁杂。我们如取三球为一个研究对象，由于系统所受合外力为零，同时释放三球瞬间，A、C球的受力情况与分别释放A、C球时受力情况相同，因此A、C球的加速度不变。应用牛顿第二定律：
        可得：，方向向左。
        师：通过几个小组的展示，我们可以看到，学生们在课堂下是下了功夫的，从查找资料，到选题，到归纳都有独到的见解。现在我们可以看出：利用整体法可以解决两种类型的问题，一是将多个物体视为整体，多个问题可以是静止的，可以是具有相同的加速度，若不具备这样的条件，我们就应该从整体的角度出发，抛开内力，分析问题在受外力或不受外力时的整体特点。二是利用整体法，可以解决多个运动的问题，主要是利用功能原理和能量守恒定律。这也是我们今天研究的第三个问题，在什么情况下，我们可以采用“整体法”求解。相信通过谈论大家都明白了。
        最后，各组学生通过用不同方法解题，一致认为在物理学解题中优先考虑整体法可以大大提高解题效率,加快解题速度。同时还可以抛开一些不必要考虑的内力因素。
        三、项目成果
        第一、我们进行项目学习时，不一定就非得从高一、高二学生入手，或进行实地考察，可以与常规教学接轨，使学生形成学习的需要，为学习知识形成网络。
        第二、充分发挥项目学习的综合功能。这次项目学习实现了如下综合功能：通过转变学习方式促进每一个学生的个性健全发展，为每一个学生个性的充分发展创造了空间。我国当前的教育形式以接受式学习为主，它有优势和弊端，而项目性学习正是弥补其缺陷的有效的教育和学习方式。在研究过程中，牵扯到许多其他学科的知识，通过问题解决在不同学科之间建立了一条纽带。
        第三、巧妙发挥教师的指导作用。在项目学习的过程中，老师的指导是必不可少的，老师指导的技巧是，用商量的口吻去和学生交流。当学生遇到棘手问题一筹莫展时，教师可以把握时机、适时参与，以和学生平等的协作者身份给学生以必要的启发和引导，当学生忽略了某一重要环节或关键问题时，教师可以就与之相关的问题假装向学生求助，教师的指导变得隐蔽，其作用的结果通过学生的行为表现出来，教师精心的指导往往体现在似乎无心之处。让学生始终感到，他们是学习的主人，遇到问题需要自己解决，不能依赖别人。
        学生在参加这次项目学习时的体验
        以下是学生的体验：①开阔了解题的思路。我们想不出那么多方面，听到其他同学提出了例题，用的都是我们过去学过的知识，我们学习的知识原来有这么重要的用途，我深为自己知识的匮乏而遗憾。学过的知识如果不会应用等于没有学，今后我要找机会应用所学的知识解决实际问题。②知道了“合作”的重要性。自己花很长时间只能归纳一些东西，在大家共同的努力下，总结的才会更全面。③体会到了自己是学习的主体，教师只是一个指导者。过去我们认为老师怎么知道问题那么系统，自己就不会或就记不牢。这些体验是课堂教学所不曾有的，能力是必须锻炼的，要做好准备，自己努力得来的东西才记得牢，理解的清。
        四、项目评估与反思
        第一、关于选题。往往看到同事们很会选择课题，总是会找一些实际中的例子，并且很有意义，自己却不知从何写起。通过这个课题，我觉得对学生项目学习的科研价值不要苛求，在问题的提出和选择上，不一定要追求问题的学术价值，只要是学生们在实际生活中发现的问题，再小也有意义。
        第二、开发和利用课程资源、建立案例的成功资源库。新课程改革为我们教改提供了一个宽松的环境，我们应大胆地实践、尝试，了解周围的社会环境和自然环境，并开发利用作为课程资源。这是深入开展项目性学习必须经历的阶段，不能仅仅停留到“先进的理念”层面，一谈实际操作就觉得空泛，要让先进的理念在实践中扎下根来。
        第三、项目学习对教师的要求有所提高，研究性学习对教师的教育理论素养、知识水平、教学能力和综合素质都有较高的要求，老师要不断学习，提高自身素质。
        第四、项目学习是培养高素质人才的必经之路。通过研究性学习，可以培养学生们发现问题，分析问题，解决问题的能力；同时还更好的培养了学生们的合作精神，归纳、总结的能力，以及语言表达能力，为学生们在未来探究未知领域打下了一个坚实的基础。