盧義剛 陳先明

(1. 金陵中學(xué)龍湖分校，江蘇 南京 211500； 2. 六合區(qū)瓜埠初級(jí)中學(xué)，江蘇 南京 211500)

2017年新課標(biāo)提出了高中物理核心素養(yǎng)，包含“物理觀念”、“科學(xué)思維”、“科學(xué)探究”及“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”4個(gè)部分，其核心內(nèi)容是“物理觀念”.“物理觀念”是在“科學(xué)探究”和“科學(xué)思維”深度參與的基礎(chǔ)上，結(jié)合“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”，逐步形成起來的.它是學(xué)生對(duì)物理概念和物理規(guī)律內(nèi)化后所形成的個(gè)人新認(rèn)知,是對(duì)物理概念和物理規(guī)律的提煉與升華，是從物理學(xué)視角解釋自然現(xiàn)象和解決實(shí)際問題的基礎(chǔ).在物理概念和物理規(guī)律中，物理概念本身既是重要的物理知識(shí)，又是探究物理規(guī)律、構(gòu)建物理理論的“基石”，在學(xué)科知識(shí)體系中占有重要的地位，對(duì)物理學(xué)發(fā)展起著承上啟下的作用.[1]

“進(jìn)入新課改后，教師能夠意識(shí)到在課堂上組織學(xué)生針對(duì)某一問題開展科學(xué)探究，并進(jìn)行開放式討論，有效地激發(fā)學(xué)生“做中學(xué)”的熱情，提升學(xué)生科學(xué)思維的能力，促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的進(jìn)一步理解；但這種探究、討論及思維的參與主要體現(xiàn)在運(yùn)用知識(shí)解決問題的過程當(dāng)中，而對(duì)新的物理概念教學(xué)及學(xué)生物理觀念的形成，建構(gòu)性思考依然不多”.[2]教師不重視通過科學(xué)探究來引領(lǐng)學(xué)生思維建構(gòu)新的物理概念，不重視利用開放式討論來讓學(xué)生發(fā)展辯證性思維，新的物理概念總是教師“教”出來的，不是學(xué)生自我生成建立的；因此，造成在新概念建立過程中，學(xué)生思維參與度及深度學(xué)習(xí)明顯不足，學(xué)生對(duì)概念只是通過死記硬背來強(qiáng)化記憶的，只知道“是什么”，至于“為什么”“怎么來的”一知半解，并沒有自己獨(dú)特的認(rèn)知和內(nèi)化，更未能通過提煉與升華形成自己的物理觀念，最終導(dǎo)致在應(yīng)用中屢屢出錯(cuò)，給后續(xù)物理學(xué)習(xí)及對(duì)物理的總認(rèn)知造成“人為障礙”.

1 問題的呈現(xiàn)

在初中物理學(xué)習(xí)中，力臂是探究杠桿平衡條件的基礎(chǔ)也是杠桿分類的依據(jù)之一.“目前從國(guó)內(nèi)多種版本的義務(wù)教育初中物理教材來看，為了方便地從有刻度的杠桿上直接讀取力臂大小，都是先將杠桿調(diào)至水平位置平衡后，然后在杠桿左右兩邊懸掛鉤碼，接著通過增減砝碼或移動(dòng)懸掛位置，使杠桿在水平位置再次平衡.這樣反復(fù)實(shí)驗(yàn)，測(cè)出多組數(shù)據(jù)，從而探究總結(jié)出桿杠平衡的條件.通過這種特殊情況下的教學(xué)，使學(xué)生獲得清晰的力臂表象，在學(xué)生的頭腦中逐步形成了支點(diǎn)到力的作用點(diǎn)的距離就是力臂的定勢(shì)思維”.[3]盡管有些教師通過檢測(cè)反饋等渠道發(fā)現(xiàn)了學(xué)生這種錯(cuò)誤認(rèn)知，但因考慮到探究的難度，在日常教學(xué)中大多數(shù)教師依舊回避了力臂概念的探究建構(gòu)過程，而是通過直接給出力臂的概念，然后利用刷題等手段讓學(xué)生進(jìn)行強(qiáng)化記憶，以此來降低難度、加快教學(xué)進(jìn)度，而實(shí)際結(jié)果卻是“欲速則不達(dá)”.究其原因除了教師在教學(xué)中未意識(shí)到引入力臂的重要性和必要性以外，還由于學(xué)生沒有通過科學(xué)探究，利用“做中學(xué)”來獲得力臂對(duì)杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)影響的感性支持，更沒有通過思維進(jìn)行歸納和分析，循序漸進(jìn)自我生成力臂概念，形成自我認(rèn)知的物理觀念.[4]故而，學(xué)生始終走不出“思維怪圈”，遇到較復(fù)雜問題時(shí)總是不自覺地把支點(diǎn)到力的作用點(diǎn)的距離當(dāng)做力臂，造成 “屢屢碰壁”.長(zhǎng)此以往，學(xué)生倍感失落，感覺物理太難學(xué)，收獲與付出永不成正比，逐漸對(duì)物理學(xué)習(xí)喪失信心，失去興趣.這樣的結(jié)果和教師原先期望大相徑庭，甚至是背道而馳.

那么，力臂概念的引入和建構(gòu)在教學(xué)中怎樣處理才能讓學(xué)生走出“思維怪圈”呢？如何讓學(xué)生自發(fā)形成杠桿平衡條件就是“動(dòng)力×動(dòng)力臂=阻力×阻力臂”的“物理觀念”呢？筆者認(rèn)為，每個(gè)物理概念的建立應(yīng)該是建立在前概念的基礎(chǔ)上，或者是通過制造認(rèn)知沖突，讓學(xué)生意識(shí)到引入這個(gè)概念的必要性.由此，筆者在深度備課的基礎(chǔ)上，利用自制教具“背后帶有同心圓盤的可變形杠桿及可指示力的作用線的帶激光測(cè)力計(jì)”(以下簡(jiǎn)稱“自制教具”)，采取“問題、探究”式的教學(xué)設(shè)計(jì)，在教學(xué)實(shí)踐中取得了良好的教學(xué)效果.

2 “探究杠桿平衡條件”深度備課下的教學(xué)實(shí)踐

自制教具介紹：在PVC板上畫上等距的同心圓，并標(biāo)上刻度，便于讀數(shù)，圓心處鉆一小孔，掛在鐵架臺(tái)上；可以繞杠桿支點(diǎn)處彎折的可變形杠桿，掛在鐵架臺(tái)上后杠桿上支點(diǎn)和后面PVC板圓心重合.以下教學(xué)過程是建立在介紹了杠桿的定義、杠桿的形狀可以是多種多樣的以及與杠桿有關(guān)的支點(diǎn)、動(dòng)力、阻力等名詞之后，充分利用自制教具進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并結(jié)合投屏等信息技術(shù)直觀地呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，使學(xué)生在探究后從圖像上能直觀的自我總結(jié)出力臂這一抽象概念，并在此基礎(chǔ)上自我形成關(guān)于杠桿平衡條件的“物理觀念”.

2.1 創(chuàng)設(shè)情境，引發(fā)學(xué)生認(rèn)知

問題1.大人和小孩怎樣才能使蹺蹺板在水平方向保持平衡呢？

視頻展示：大人和小孩玩蹺蹺板，小孩這邊的蹺蹺板向上翹.

學(xué)生探究活動(dòng)1：利用手中的長(zhǎng)直尺、橡皮以及不同的硬幣，模擬大人和小孩玩蹺蹺板.總結(jié)出有哪些方法可以讓蹺蹺板重新恢復(fù)水平平衡.

問題2.你能總結(jié)出杠桿的平衡可能和什么因素有關(guān)嗎？

(結(jié)合剛才探究活動(dòng)1：總結(jié)哪些因素會(huì)影響杠桿的平衡，用學(xué)過的物理名詞來表述)

學(xué)生：力的大小，支點(diǎn)到力的作用點(diǎn)的距離、力的方向.

器材呈現(xiàn)：師生調(diào)節(jié)鐵架臺(tái)上可變形杠桿兩端的平衡螺母，使杠桿在水平位置平衡.然后在杠桿后置一個(gè)圓心與支點(diǎn)重合的同心等距圓盤(如圖1)—自制教具.

問題3.如何調(diào)節(jié)左側(cè)鉤碼和位置使杠桿再次在水平位置平衡呢？

學(xué)生探究活動(dòng)2：學(xué)生先在杠桿右側(cè)15 cm處掛上2個(gè)200 g的鉤碼，保持鉤碼的個(gè)數(shù)和所掛位置不變，然后調(diào)節(jié)左側(cè)鉤碼和位置.

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：在杠桿左側(cè)10 cm處掛上3個(gè)200 g鉤碼，或30 cm處掛上1個(gè)200 g鉤碼(如圖2).

圖1

圖2

問題4.你能找出杠桿上的支點(diǎn)、動(dòng)力、動(dòng)力作用點(diǎn)、阻力、阻力作用點(diǎn)嗎？你能發(fā)現(xiàn)杠杠在平衡時(shí)它們之間有什么等量關(guān)系嗎？

學(xué)生：動(dòng)力×支點(diǎn)到動(dòng)力作用點(diǎn)的距離=阻力×支點(diǎn)到阻力作用點(diǎn)的距離(結(jié)論1).

2.2 實(shí)驗(yàn)探究，制造認(rèn)知沖突

圖3

問題5.圖2中如果將杠桿左側(cè)沿支點(diǎn)O彎折一定角度，結(jié)論1還成立嗎？

學(xué)生探究活動(dòng)3： 將杠桿左側(cè)沿支點(diǎn)O彎折一定角度后(如圖3)，發(fā)現(xiàn)杠桿不再保持水平位置平衡.

學(xué)生：在動(dòng)力、支點(diǎn)到動(dòng)力作用點(diǎn)的距離、阻力、支點(diǎn)到阻力作用點(diǎn)的距離都不變的情況下，杠桿不再保持水平位置平衡，說明結(jié)論1是不成立的.

2.3 思行并舉，建構(gòu)物理觀念

問題6.在圖3中如何移動(dòng)左端鉤碼位置使杠桿再次在水平位置平衡呢？

圖4

學(xué)生探究活動(dòng)4：多次彎折左側(cè)杠桿，然后調(diào)整鉤碼位置使杠桿再次平衡(如圖4).

教師：沿力的方向畫一條直線稱為力的作用線，發(fā)現(xiàn)每次平衡后的動(dòng)力作用線位置之間有何關(guān)系？由此關(guān)系你發(fā)現(xiàn)了什么距離不變？你認(rèn)為杠杠平衡時(shí)的等量關(guān)系應(yīng)該如何表達(dá)才是正確的？

學(xué)生：動(dòng)力×支點(diǎn)到動(dòng)力作用線的距離=阻力×支點(diǎn)到阻力作用線的距離(結(jié)論2).

問題7.你還有什么辦法可以證明結(jié)論1是不成立的？(提示“力的三要素”在影響力的作用效果)

學(xué)生探究活動(dòng)5：在圖2中，用彈簧測(cè)力計(jì)代替左側(cè)鉤碼，保持彈簧測(cè)力計(jì)拉力大小及作用點(diǎn)不變，只改變拉力的方向，發(fā)現(xiàn)杠桿不再平衡，進(jìn)一步得出結(jié)論1是不成立.

問題8.支持結(jié)論2的證據(jù)充分嗎？怎么辦？

教師：在圖2中，保持左側(cè)動(dòng)力的大小不變，只改變動(dòng)力方向，如何能使杠桿再次平衡？

學(xué)生：移動(dòng)動(dòng)力作用點(diǎn)的位置能夠使杠桿再次平衡.

教師：多做幾組，觀察記錄支點(diǎn)到動(dòng)力作用線的距離你能發(fā)現(xiàn)什么？

圖5

學(xué)生探究活動(dòng)6：實(shí)驗(yàn)探究過程見圖5，進(jìn)一步總結(jié)出結(jié)論2是正確的.

教師：當(dāng)然，我們也可以將以上實(shí)驗(yàn)遷移到杠桿右側(cè)來做，效果同樣.

問題9.你能總結(jié)出圖4、圖5的實(shí)驗(yàn)是通過什么量來實(shí)現(xiàn)杠桿再次平衡的呢？

學(xué)生：在動(dòng)力大小一定時(shí)，通過支點(diǎn)到動(dòng)力作用線的距離來實(shí)現(xiàn)杠桿平衡的.

教師：支點(diǎn)到力的作用線的距離既包含了力的作用點(diǎn)又包含了力的方向，說明“支點(diǎn)到力的作用線的距離”是個(gè)有意義的物理量，故而我們給它一個(gè)特定名稱—力臂，即支點(diǎn)到動(dòng)力作用線的距離稱為“動(dòng)力臂”，支點(diǎn)到阻力作用線的距離稱為“阻力臂”.如此，杠杠平衡時(shí)的等量關(guān)系即結(jié)論2可改寫為：動(dòng)力×動(dòng)力臂=阻力×阻力臂.

2.4 變式應(yīng)用，深化觀念理解

圖6

問題10.如圖6所示，當(dāng)動(dòng)力的作用點(diǎn)P一定時(shí)，你能找到使杠桿平衡的最小動(dòng)力的方向嗎？

學(xué)生探究活動(dòng)7：實(shí)驗(yàn)探究得出，根據(jù)杠桿平衡條件“動(dòng)力×動(dòng)力臂=阻力×阻力臂”，在阻力及阻力臂不變的前提下，當(dāng)動(dòng)力的方向與支點(diǎn)到動(dòng)力作用點(diǎn)的連線段垂直時(shí)，動(dòng)力臂最長(zhǎng)，動(dòng)力最小(不一定和杠桿垂直的動(dòng)力就是最小動(dòng)力)；同時(shí)也再次說明力的方向是影響力臂的.

在以上深度備課下的教學(xué)實(shí)踐中，通過問題引領(lǐng)，借助自制器材，結(jié)合實(shí)驗(yàn)探究，引領(lǐng)學(xué)生逐步建構(gòu)“力臂”概念，最終形成正確的物理觀念.設(shè)計(jì)中先通過生活中常見的杠桿以及杠桿的定義，讓學(xué)生自己說出杠桿的3個(gè)名詞：支點(diǎn)、動(dòng)力和阻力；再根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，通過模擬蹺蹺板實(shí)驗(yàn)，對(duì)影響杠桿平衡的因素進(jìn)行猜想，得出杠桿平衡條件的初步觀念—?jiǎng)恿Α林c(diǎn)到動(dòng)力作用點(diǎn)的距離=阻力×支點(diǎn)到阻力作用點(diǎn)的距離；然后難度升級(jí)，將杠桿左側(cè)沿支點(diǎn)O彎折一定角度，發(fā)現(xiàn)4個(gè)因素都未變，而杠桿不再平衡，從而有效形成認(rèn)知沖突，對(duì)初步觀念開始質(zhì)疑.接著在保持杠桿左端鉤碼的個(gè)數(shù)不變，只改變左端力的作用點(diǎn)的位置時(shí)，也能實(shí)現(xiàn)讓杠桿在水平位置保持平衡，從而發(fā)現(xiàn)當(dāng)力的大小相同時(shí)作用點(diǎn)不同，卻有著相同的作用效果.不難想象這3個(gè)力肯定是有共性的不變的量，體現(xiàn)了“求同”思維(如圖4).為了使結(jié)論2的證據(jù)更充分，又通過探究活動(dòng)6(如圖5)，從影響力的作用效果的三要素出發(fā)，當(dāng)力的大小不變時(shí)，發(fā)現(xiàn)只有當(dāng)支點(diǎn)到力的作用線的距離不變杠桿才能平衡，步步深入最終發(fā)現(xiàn)支點(diǎn)到力的作用線的距離是杠桿平衡中力的作用點(diǎn)和力的方向的整合體現(xiàn)，是一個(gè)有意義的物理量，從而很自然的建構(gòu)出力臂的概念，進(jìn)而得出杠桿平衡條件的新觀念——?jiǎng)恿Α羷?dòng)力臂=阻力×阻力臂.最后又通過“變式應(yīng)用”，讓學(xué)生在科學(xué)探究中深化對(duì)力臂概念的理解，深化對(duì)杠桿平衡條件觀念的內(nèi)化.

3 結(jié)語

本次深度備課下的教學(xué)實(shí)踐，筆者利用問題引領(lǐng)學(xué)生主動(dòng)思維，巧妙使用自制教具，讓學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)探究和交流討論，不斷去解決相關(guān)問題.在問題的解決中，抽絲剝繭、層層深入建構(gòu)出“力臂”概念，逐步找出杠桿平衡時(shí)的等量關(guān)系，讓學(xué)生自發(fā)形成杠桿平衡的條件是“動(dòng)力×動(dòng)力臂=阻力×阻力臂”的物理觀念.希望廣大物理教師在教學(xué)中要深思精問，立足實(shí)驗(yàn)探究，關(guān)注思維，使物理核心素養(yǎng)在課堂教學(xué)中真正“落地生根”，從而為學(xué)生的一生發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ).