浅谈变式教学在物理教学中的运用

浅谈变式教学在物理教学中的运用
作者：潘俊伟
来源：《中学物理·高中》2014年第10期
广义的“变式教学”是指在教学过程中通过变更概念非本质的特征、改变问题的条件或结论、转换问题的形式或内容，有意识、有目的地引导学生从“变”的现象中发现“不变”的本质，从“不变”的本质中探究“变”的规律的一种教学方式.
物理“变式教学”是指通过变试题，对有关物理概念、定理、公式、法则、习题等进行不同角度、不同层次、不同情景的变化，有意识地引导学生从“变”的现象中发现“不变”的本质，从“不变”中寻找规律，逐步培养学生灵活多变的物理思维，以不变应万变，从而促进学生掌握物理学科的精髓——实验能力.
根据最近发展区理论，在学习过程中新知识的输入、同化和操作取决于原有的认知结构，因而原有的认知结构对新知识的学习具有制约作用.一般而言，当新、旧知识之间跨度较小，相互容纳时，学习就能顺利进行.反之，当新知识和学生的原认知结构脱节时就必然形成学习的难点.这就需要教师结合学生的实际利用变式教学在学生学习过程中起到一个过渡和支架的作用.以下是笔者在物理教学中运用“变式教学”的做法和体会.
1通过“变式”帮助学生建立物理概念
物理概念是物理基础知识中最基本也是最重要的内容，是构成物理规律、形成物理理论的基本单元，每一个物理概念都有相应的物理意义，有它的内涵与外延，在实际教学中，可以通过变式教学从不同角度、不同层次帮助学生建立完整的物理概念.比如功的概念的学习：
①如何判断力是否做功可以通过几个简单的变式来完成教学
A.某同学提一质量为1 kg的物体上楼
B.该同学提一质量为1 kg的物体在水平楼道上匀速前进
C.该同学提一质量为1 kg的物体下楼
试判断以上三种情况中，拉力是否做功
②如何正确计算恒力做功，通常利用功的定义式W=FLcosα进行计算.可以通过以下（图1）三种情况来判断位移
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2通过“变式”帮助学生理解物理规律
物理规律是在物理概念的基础上，建立起来的物质运动和相互作用的规律，是物理教学的主要任务.每一条规律都有其相应的归纳论证过程，都有相应的使用特点，需要学生在理解的基础上，在各种情景中选用合适的物理规律来分析讨论物理问题，通过变式教学就可以高效的达成这一目标.比如平抛运动规律的教学：
情景小球从距地面高为h=20 m处水平抛出，初速度大小为v0=5 m/s，空气阻力不计，重力加速度为g=10 m/s2，求小球经多长时间落地？落地点距抛出点的水平距离为多少？
变式一斜面上的平抛运动
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变式二类平抛
A.有一个很深的竖直井，井的横截面为一个圆，半径为R，且井壁光滑，有一个小球从井口的一侧以速度v0抛出与井壁发生碰撞，撞后以原速率反弹，求小球与井壁发生第n次碰撞处的深度.
B.有一个很深的竖直井，井的横截面为一个圆，半径为R，且井壁光滑，有一个质量为m 小球从井口的A点沿井口圆周切线方向以速度v0水平射入井内，并贴着井壁运动，若要从A 点正下方h处的B点飞出，求小球在A处的速度应满足什么条件？在运动的过程中，球对井壁的压力为多少？
通过各种情景的分析与讨论，让学生体会并掌握处理平抛运动的规律，抓住规律中不变的本质.
3通过“变式”帮助学生掌握物理方法
解决物理问题的一条常规思路就是将未知的问题转化成已知的相近问题，将复杂的大问题分解成若个简单的子问题，但往往由于未知（复杂）问题与已知（简单）问题之间没有明显的联系，可以通过一些变式在两者之间巧设的台阶，以使学生顺利地解决问题，从中体会到解决物理问题的方法.比如多过程问题的分析：
情景一平直的传输带以v0=5 m/s的速度匀速运动，A、B相距L=2.5 m.从A处把工件无初速度地放到传输带上，物体与传输带的动摩擦因数为0.5，求物体从A到B的时间为多少？
分析物体可能存在两种运动情况，一是一直匀加速运动，二是先加速后匀速直线运动.解决问题的关键在于物块受力情况（摩擦力）的分析，运动情况（速度相同）的分析，为达到学生能掌握分析物体运动情况的方法，可设置如下变式：
变式一传输带仍然水平，对A、B间的距离或物块与传输带的动摩擦因数的不同设定，物体运动情况有不同的可能性.
变式二传输带仍然水平，对物块初速度的大小与方向给出不同的设定，物块运动情况会有所不同.
变式三把传输带改成倾斜，再重新考虑各种情况.
变式四在水平传输带末端加上圆周运动轨道或者让物块冲出传输带做平抛运动等.
总之，可以在最简单的水平传输带问题基础上不断的变换情景加大问题的复杂性、未知性，通过此类问题的分析与讨论，帮助学生抓住分析方法的本质.
4通过“变式”培养学生物理思维能力
物理思维，就是物理学中的科学思维，是具有意识的人脑对客观物理事物的本质属性、内部规律性及物理事物间的联系和相互关系的间接的、概括的和能动的反映.具体到物理学习中就是运用物理方法分析解决物理问题的过程.分析物理问题的方法很多：类比法、整体法、假设法、等效法、逆向法等等，方法多，就会面临选何种方法来分析，往往会造成学生在思维上的障碍，可以通过一系列的变式，让学生体会物理分析方法的使用特点，帮助学生养成科学的思维习惯.比如等效思维的培养：
情景A如图3甲，竖直平面的光滑圆轨道半径为0.4 m，轨道内质量为0.1 kg的小球，沿轨道运动，为保证小球在运动过程中不脱离轨道，小球在轨道最低点的速度为多少？
分析小球不脱离轨道的运动情况有两种，一是通过最高点完成完整的圆周运动，这种情况关键的点在于能不能通过重力场中的最高点，二是在下半个圆中做往复运动.可为此情景设置如下变式：
变式一如图3乙，改成带电的金属球在竖直平面内的光滑绝缘圆轨道内运动，在空间里加上水平匀强电场，从题干分析可知道小球在运动过程中始终受到电场力和重力两个恒力，可以把这两个力等效成一个力，类似于原来重力，只不过不在竖直方向了，可以用等效重力场解决这个问题.
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变式二如图3丙，光滑的弧形槽的半径为R（R远大于弧长MN），A为弧形槽的最低点.小球B放在A点正上方离A点高为h，小球C放在M点.同时释放两球，使两球正好在A点相遇，则h应为多大？从题干分析知道小球在槽中所做的是机械振动，再由“R远大于弧长MN”得出小球振动角度很小，进而联想到与单摆简谐运动的条件相类似，用类比、等效的方法解决这个问题.
通过变式教学，可以让学生自己体会各种物理分析方法的使用特点，针对不同的问题，根据问题的特征，选用合适的物理分析法，从而达到培养学生科学的思维能力的目的.
5通过“变式”培养物理实验能力。