中學以下的素養教育與經驗談:國二下自然科,力與壓力

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每篇都要再次說明,所有的教學方法與手段,完全要看:
  1. 個人因素
  2. 社經背景
  3. 對應教材與年齡
沒有百分百適用,也不會有一招行天下的密技,最大差異在於針對個人或是多人數上課。而且不管多好的教材,只要學生本身完全沒有學習的意願,都是沒有用的,這時候就得要換其他方式,不能只看教材與方式。
筆者對第五章有機化合物的意見是,不要為了省時間上第六章,就上很快。這邊應該要配合生活中的實例,尤其是現在有太多網路影片可以擷取,像是醬油的生產、肥皂的製作,都可以邊上課邊輕鬆點的解釋,重點是連結到生活,讓學生覺得這些是值得看的。不然一直背背背,都沒有給予吸收的時間,效率極差。
國二下自然最後,也是國中最大的關卡,沒有之一。就是第六章:力。
因為,這關通過的人,大部分國三的牛頓運動學也就還好。過不了的人,筆者沒見過國三的運動學能活得下去。物理到這邊開始有累積的效應出現,力學入門沒弄好,直接讓國三接上的運動學倒掉,功與能就甭談。
不過,筆者也得承認,力因為看不見摸不著,所以變成一種很難具體化的章節,見過不少教師因為自己程度好,想像不到學生理解不能的原因,實在很可惜。
這邊會著重在一些觀念的釐清,跟提供一些教法,師長或同學可以參考參考。

力的定義與常見現象

筆者的經驗,是不要照著課本一步步走,建議教學者用一套完整的故事、脈絡去敘述力的現象,然後才開始進入計算,寧可慢也不要突然丟大量計算題。
力的定義是「使物體產生形變,或是使物體的運動狀態改變」,通常用箭頭來表示:
我們看不到力的本身,但可以透過力的表現來發現力的存在,也就是透過定義:
  • a. 當有物體發生形體的變化,拉伸、壓縮等變形
  • b. 物體本身的速度變化,從靜止到運動,加速或減速
而根據力的使用形式,可分為「接觸力」與「超距力」,簡單說接觸力就是要碰到才會影響物體,超距力可以不碰到物體就使其發生力的影響。
  • a. 接觸力就是一般會碰到的,推力、拉力、摩擦力等
  • b. 超距力像是磁力、重力
可舉例,像是地球不需要接觸你也可以用重力拉住你,不然跳起來試試看?一離開地面,若重力是接觸力,那麼你應該會浮起來,因為沒接觸就不會影響。

學習單從熟悉公式開始

整套介紹完,才開始講授怎樣計算,最初建議從虎克定律開始。
通常學生會對這種公式很昏,可以配圖去解釋:總之就是在彈簧沒有壞掉的情況下,「伸長量」跟施力成正比。伸長量伸長量伸長量,很重要講三次,不是長度是伸長的量。
到此為止,請開始丟學習單,力的計算很講求當場練,不這樣的話下課後保證忘記。照慣例,從簡單的等比伸長去講,有彈簧教具最好,出規律性的題目,例如
  1. 施力1kgw伸長10cm,那麼施力___會伸長30cm。
  2. 全長10cm的彈簧,施力10gw伸長1cm,施力50gw會伸長___cm。
從這種程度開始,學習單切勿拿坊間的題本丟下去,一開始以建立公式的特性為主。

力的平衡,不計算仍要建立觀念

其次是平衡的概念,國中現在不講三力平衡的計算,平衡只會出一個方向,三個力也只是推力或拉力的疊加,難度不高。這邊要建立的觀念,有點像是把牛頓定律先拿來講,筆者的經驗主要是提幾個:
1. 物體受到力的作用,必定會形變或是運動狀態改變,看不到不代表沒有,只是很小。放到奈米尺度下,就算是鐵塊,你兩手去擠壓,還是會有原子層級的變化啦,這邊怎麼講就看老師的想法。
2. 當物體平衡時,就會維持靜止,或是運動狀態不變。運動狀態不變,包含正在運動但沒有速度變化。要解釋,可以用生活化的比喻,例如跑步時有人助推,又有人回拉,兩個力若一樣,前進速度不變。這有點難,有小車子教具可能好一點,不過目前課程這算是國三的部分。
3. 就以國二來說,物體平衡代表合力為零,沒看到不代表不存在。例如物體放在桌面不是不受力,地球有一個重力往下拉,是桌子給了一個往上的支撐力撐住不動。可以舉例,放上去的物體太重,到桌子垮掉,就能證明並非不受力。
總之呢,解說看師長個人,以及學生可以接受的程度。筆者個人的建議是,真不行的話,把平衡就是合力為零這概念,反覆唸到記起來,至少解題需要。

摩擦力

大部分學生從這邊開始倒,倒掉的不是摩擦力觀念,是解題。就以定義來說,摩擦力是一種「在兩物體的接觸面上,阻止物體運動的力」。操作上來說:
  • a. 方向與施力相反
  • b. 大小與施力成正比
  • c. 與接觸面的性質有關
題目大部分都是前兩者的問題,主要原因出在「不習慣」,例如下圖的解說:
其實這三種狀態,概念都是相同的,但為何學生搞不懂?因為題目大部分少了一件事情,請看下圖。
物體放置在平面上時,正向力是由重力提供的,但題目大部分不會說,只有遇到右邊兩個圖時,沒有畫上去學生反倒會覺得很怪,而這就是問題。

力平衡概念足夠,解題就不算難

一般國中在講這邊的時候,右邊(正向力在下方)的題目偏難,最左邊的是一般練習,而跟著題本解題的老師也往往忘了解釋,所以學生會記不起來正向力的重要。加上,力的平衡現在比較沒教,為了解題而解的同學往往會很挫折。
舉一個範例,一個常見題目如下:
範例:圖(一)中木塊重500gw,平放時最大靜摩擦力為200gw,若將其直立如圖(二),欲使木塊不會下滑,則接觸面應產生多少gw的摩擦力?施力F為何?
圖(一)
圖(二)
答案:第一個摩擦力答案根本不用算,如圖:
因為往下的力是500gw,往上當然也要保持500gw才能平衡,無其他影響,則向下的重力等於向上的摩擦力。
第二個問題(施力F)其實是在問靜摩擦係數,由於國中沒有教,所以在此接觸面的條件下,應該先得到一個正向力與摩擦力的比。如圖
可知正向力500gw,物體不會動,摩擦力為200gw
得到此比例為500:200=5:2
所以再轉成圖(二),正向力為施的力F,與摩擦力之比一樣5:2
F:500gw=5:2
F=1250gw

有資質的學生適度加強

其實學生不會是很合理的,一方面概念省略後,照道理這類題目不能再出,頂多出概念。另一方面,現在的力學也只是入門版,大多數人根本不會走上理工相關的路,教太深的確也不對。
但以各校的狀況來說,這就很難講了,筆者的意思是,會考不會考,跟學校不會考是兩回事。再說,這些課程對前段的自然組學生來說,也並不是學不來,作為篩選的方式亦無不可。
這邊的題目類型很多,不過會考卻不會太難,掌握一般題型要拿基本分並不難,鑽牛角尖解難題不見得是好事。但若學生本身有能力也有興趣,筆者就建議多給難題去想,資質能夠走理工科的人沒想像那麼多,就算有也需要很多練習,把潛能激發出來。
不過,老話一句,適量就好,不是只有這科要讀。
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