趙娟榮

（漳州市第三中學(xué)，福建 漳州 363000）

拼插積木融合游戲與學(xué)習(xí)于一體，其中包含諸多豐富的難易不等的物理、數(shù)學(xué)方面的原理和知識(shí)，可在初中物理教學(xué)中生動(dòng)、直觀呈現(xiàn)。筆者充分利用拼插積木的工具和方式，開發(fā)和設(shè)計(jì)初中物理力學(xué)“小”實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

一、利用拼插積木改進(jìn)“探究影響動(dòng)能大小因素”的實(shí)驗(yàn)

（一）已有教材中實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理及存在問題

關(guān)于動(dòng)能大小的影響因素的實(shí)驗(yàn)探究，已有教材利用小球從斜面下滑使小球進(jìn)入水平面時(shí)獲得一個(gè)初速度，即具有一定的動(dòng)能，小球撞擊放置在水平面上的木塊，通過木塊滑行距離體現(xiàn)小球動(dòng)能大小，并進(jìn)一步探究“動(dòng)能大小與物體質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)速度的關(guān)系”（見上?？萍汲霭嫔绨四昙?jí)物理全冊(cè)第十章第6 節(jié)《合理利用機(jī)械能》）。整個(gè)設(shè)計(jì)思路較為簡單，但在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)至少存在兩方面的問題：一是小球從斜面上滑下，軌跡不穩(wěn)定，下滑撞擊木塊的部位會(huì)變化，木塊的軌跡也會(huì)發(fā)生變化，不便于測量出木塊滑行距離，導(dǎo)致穩(wěn)定性差；二是在探究質(zhì)量對(duì)動(dòng)能大小的影響的實(shí)驗(yàn)過程中，教材中設(shè)計(jì)為質(zhì)量不同的木球和鋼球從同一高度滑下，分別撞擊放在水平面上同一位置的木塊，理論上質(zhì)量不同的小球從斜面的同一高度滑下，運(yùn)動(dòng)到水平面時(shí)，它們的速度大小相等。由于涉及高中物理知識(shí)，初中階段無法給出理論解釋，而教材實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)分先后步驟進(jìn)行，并不能確保質(zhì)量不同的小球從同一高度滑下時(shí)到達(dá)水平面的速度相同，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象對(duì)比不明顯，給學(xué)生造成了一些認(rèn)知困難。

（二）實(shí)驗(yàn)改進(jìn)設(shè)計(jì)

針對(duì)原有實(shí)驗(yàn)實(shí)際操作中出現(xiàn)的問題，以便于學(xué)生從感性到理性接受實(shí)驗(yàn)信息，更有利于實(shí)驗(yàn)過程的同步化呈現(xiàn)，筆者從拼插積木操作中獲得靈感和啟發(fā)，經(jīng)過多次探索和驗(yàn)證，對(duì)原有實(shí)驗(yàn)加以改進(jìn)。

1.實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的思路

（1）利用拼插積木中的軌道、滑梯、磚片、底板來安裝斜面和水平軌道。小球和木塊都可以在軌道的滑槽內(nèi)運(yùn)動(dòng)，可提高撞擊的穩(wěn)定性，如圖1 所示。

（2）將“先、后”實(shí)驗(yàn)改為“并排”實(shí)驗(yàn)，保證實(shí)驗(yàn)同步進(jìn)行，如圖1 所示。

圖1

2.改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)需要的實(shí)驗(yàn)器材

拼插積木（軌道、磚塊和滑梯）、底板、兩個(gè)質(zhì)量相同的小鋼球、兩個(gè)質(zhì)量不同的小鋼球、兩個(gè)體積相同的木塊、一把尺子、兩個(gè)塑料片。

3.實(shí)驗(yàn)步驟

（1）利用拼插積木和底板，安裝斜槽和水平軌道。

（2）用一把尺子同時(shí)擋住兩個(gè)質(zhì)量不同的小球，移開尺子，兩個(gè)質(zhì)量不同的小球同時(shí)從同一高度滾下，觀察兩個(gè)小球的運(yùn)動(dòng)快慢，比較木塊被撞擊后運(yùn)動(dòng)的距離。如圖2 所示。

圖2

（3）用兩個(gè)塑料卡片同時(shí)擋住兩個(gè)質(zhì)量相同的小球，同時(shí)移開卡片，兩個(gè)質(zhì)量相同的小球同時(shí)從不同的高度滾下，比較木塊被撞擊后運(yùn)動(dòng)的距離。

4.設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)表格

實(shí)驗(yàn)表格設(shè)計(jì)見表1、2。

表1 質(zhì)量不同小球從相同高度滑下

結(jié)論（1）：速度相同時(shí)，質(zhì)量大的物體能做的功多，表明它具有的動(dòng)能大。

表2 質(zhì)量相同的兩個(gè)小球同時(shí)從不同高度滾下

結(jié)論（2）：質(zhì)量相同時(shí)，速度大 的物體能做的功多，表明它具有的動(dòng)能大。

（三）改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)效果

通過改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)此設(shè)計(jì)存在以下優(yōu)點(diǎn)：1.借助于軌道的約束，小球和木塊的運(yùn)動(dòng)軌跡明確，確保小球撞擊木塊時(shí)撞擊位置相同，進(jìn)一步排除其他影響因素，控制潛在變量，提高了探究的可靠性和有效性；2.“并排”實(shí)驗(yàn)，使得學(xué)生更易觀察：在斜面的同一高度釋放小球，可使不同質(zhì)量的小球獲得相同的水平速度。而且，木塊移動(dòng)距離的遠(yuǎn)近對(duì)比一目了然。3.做好的軌道也便于學(xué)生進(jìn)行測量距離，實(shí)驗(yàn)更加準(zhǔn)確可靠。4.實(shí)驗(yàn)裝置容易拼插，更適合學(xué)生重復(fù)操作實(shí)驗(yàn)，學(xué)生的參與性、獲得感及動(dòng)手能力必然會(huì)提升，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)也會(huì)獲得提高。

二、利用拼插積木進(jìn)行“杠桿平衡條件的應(yīng)用”的輔助教學(xué)

（一）補(bǔ)充探究杠桿平衡條件的實(shí)驗(yàn)

杠桿是生活和生產(chǎn)中最常見、最簡單的機(jī)械，其他簡單機(jī)械很多可以看成杠桿的變形，是省力還是費(fèi)力，都要從杠桿的平衡條件的角度去分析。課程標(biāo)準(zhǔn)要求學(xué)生通過參與實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)，得出杠桿的平衡條件，充分體現(xiàn)“從生活走向物理”的基本理念。

教師可以利用拼插積木（梁、軸、銷、軸套等）制作如圖3a 所示的實(shí)驗(yàn)裝置，要求學(xué)生能分析出此杠桿的五要素。教師請(qǐng)學(xué)生按壓桿上不同的點(diǎn)，為使橫梁在水平位置平衡，學(xué)生使的力氣不一樣，讓學(xué)生知道在阻力、阻力臂長度不變的情況下：動(dòng)力臂越長的越省力，動(dòng)力臂越短的越費(fèi)力，讓學(xué)生體驗(yàn)從物理事實(shí)到物理規(guī)律的思想升華。接下來判斷三種類型的杠桿：1、省力杠桿，動(dòng)力臂＞阻力臂；2、費(fèi)力杠桿，動(dòng)力臂＜阻力臂；3、等臂杠桿，動(dòng)力臂=阻力臂，如圖3b 所示。讓學(xué)生知道省力杠桿省力卻費(fèi)距離，費(fèi)力杠桿費(fèi)力卻省距離。

圖3a

圖3b

（二）杠桿的應(yīng)用實(shí)例分析

在生活、生產(chǎn)實(shí)踐中，人們常常利用杠桿的平衡原理解決問題。為了培養(yǎng)學(xué)生將知識(shí)應(yīng)用于日常生活，社會(huì)實(shí)踐的意識(shí)，可以用拼插積木搭建各種實(shí)用的杠桿的模型，模擬演示它們的功能，體現(xiàn)“從物理到社會(huì)”的教學(xué)理念。

1.投石機(jī)模擬設(shè)計(jì)

投石機(jī)是古代的一種攻城武器，可把巨石投進(jìn)敵方的城墻和城內(nèi)，造成破壞。在三國時(shí)期的官渡大戰(zhàn)中，它就是曹軍賴以扭轉(zhuǎn)頹勢，打敗袁紹的“霹靂車”。投石機(jī)完美地展現(xiàn)了物理學(xué)中杠桿的獨(dú)特魅力，它可以簡化為圖4a 所示的配重式的投石機(jī)模型。它的一端掛有重物，而另一端裝有待發(fā)射的拋物，讓重物的一端落下，拋物也順勢被拋出。根據(jù)圖4a 的模型圖，可以利用拼插積木中的梁、連桿、片、磚、軸、銷、軸套、連接器等制作一個(gè)簡易的投石機(jī)，如圖4b 所示。通過這個(gè)裝置，教師引導(dǎo)學(xué)生分析杠桿的五要素，判斷是省力杠桿還是費(fèi)力杠桿，并鼓勵(lì)學(xué)生動(dòng)手操作，讓學(xué)生有直觀的體驗(yàn)，提高學(xué)生參與課堂活動(dòng)的積極性。

圖4a

圖4b

2.進(jìn)出口的欄桿模擬設(shè)計(jì)

如圖5a 所示是安裝在學(xué)校進(jìn)出口的欄桿示意圖，當(dāng)在A 處施加一個(gè)壓力F 時(shí)，可將欄桿拉到如圖5a 所示位置。教師引導(dǎo)學(xué)生分析杠桿的五要素，據(jù)此得出壓力F 是動(dòng)力，欄桿的重力G 為阻力，由于壓力F 的力臂L1 小于重力G 的力臂L2，所以該杠桿為費(fèi)力杠桿，可省距離。根據(jù)圖5a 的示意圖，利用拼插積木制作進(jìn)出口的欄桿的模型，如圖5b 所示，其結(jié)構(gòu)簡單，便于操作，更容易讓學(xué)生理解和接受它所隱含的物理原理。

圖5a

圖5b

三、“滑輪和滑輪組”教學(xué)中的拼插積木運(yùn)用

（一）“滑輪和滑輪組”實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

滑輪是學(xué)習(xí)杠桿基礎(chǔ)上的又一種簡單機(jī)械。拼插積木中有款式多樣的滑輪，滑輪分為定滑輪和動(dòng)滑輪。在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)中，需要鐵架臺(tái)來輔助固定滑輪或者繩子，比較笨重，而利用拼插積木可以制作一個(gè)穩(wěn)定的框架，可以在上面安裝滑輪，采用該裝置便可探究滑輪的作用。

如圖6a 所示，軸不動(dòng)的滑輪，叫做定滑輪。繩子跨過定滑輪，一端系上重物，另一端用彈簧測力計(jì)測出拉力的大小。改變重物的質(zhì)量以及拉力的方向，多次測量。通過探究得到定滑輪不能省力，也不能省距離，但它可以改變力的方向。

圖6a

如圖6b 所示，滑輪的軸跟隨物體一起運(yùn)動(dòng)的滑輪，叫做動(dòng)滑輪。按圖6b 所示安裝好動(dòng)滑輪（繩子一端固定在框架上，另一端繞過動(dòng)滑輪，重物掛在動(dòng)滑輪上），用彈簧測力計(jì)測出重物的重力和繩子自由端的拉力，并觀察拉力的方向。改變重物的質(zhì)量，多次測量。實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論：使用動(dòng)滑輪，省一半的力，但不能改變力的方向。

圖6b

如圖6c 所示，動(dòng)滑輪和定滑輪組合成滑輪組。用彈簧測力計(jì)測出重物的重力和繩子自由端的拉力，并觀察拉力的方向。改變重物的質(zhì)量，多次測量。實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論：使用滑輪組，不但可以省力，還可以改變力的方向。

圖6c

（二）滑輪組的應(yīng)用實(shí)例——起吊機(jī)的模擬設(shè)計(jì)

滑輪組在日常生活和生產(chǎn)中，有著廣泛的應(yīng)用，任何大型機(jī)械都少不了滑輪的身影，它們都是杠桿、滑輪等簡單機(jī)械的有機(jī)組合。由于學(xué)生缺少一些勞動(dòng)生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)，不能直觀感受簡單機(jī)械的應(yīng)用，這給學(xué)生理解知識(shí)帶來困難。再者，一些機(jī)械由于外殼的封裝，內(nèi)部一些杠桿、滑輪等零件不易觀察到，對(duì)學(xué)生了解它們的工作原理也帶來了障礙。教師可利用滑輪、插銷、橫梁等拼插積木制作起吊機(jī)的模型，如圖7所示，拉動(dòng)繩子，可以把重物提起來。讓學(xué)生用彈簧測力計(jì)測出重物的重力和拉動(dòng)繩子的拉力的大小，比較這兩個(gè)力的大小關(guān)系。通過此裝置，學(xué)生不僅加深對(duì)滑輪組作用的理解，還培養(yǎng)學(xué)生樂于探究生產(chǎn)、生活中隱含的物理原理的意識(shí)。

圖7

四、“二力平衡條件”的補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

（一）拼插積木對(duì)原有實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充改進(jìn)

課程標(biāo)準(zhǔn)要求學(xué)生在得出平衡力的概念之后，通過實(shí)驗(yàn)探究得出二力平衡的條件。教材中的實(shí)驗(yàn)裝置是以一張兩端系有細(xì)繩的紙板作為研究對(duì)象，并把它放在一個(gè)兩端帶有滑輪的長木板上，兩端的細(xì)繩跨過滑輪下端掛上重物。紙板在水平方向上受到兩個(gè)力的作用，探究紙板處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，這兩個(gè)力的三要素的關(guān)系（見上?？萍汲霭嫔绨四昙?jí)物理全冊(cè)第七章第3 節(jié)《力的平衡》）。但在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)這個(gè)裝置存在以下幾個(gè)方面的問題：一是帶有滑輪的長木板是固定做好的，不能拆卸，且木板太長，實(shí)驗(yàn)裝置比較笨重，不方便放于實(shí)驗(yàn)桌上；二是該裝置水平放置，如果用于教師演示，學(xué)生不容易觀察到紙板的受力情況，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象呈現(xiàn)效果比較差。

針對(duì)原有實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)的問題，筆者利用拼插積木設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)需要的裝置，如圖8 所示，補(bǔ)充了原有的實(shí)驗(yàn)。

1.實(shí)驗(yàn)器材：

拼插積木（滑輪、梁、插銷）、紙板、細(xì)繩、鉤碼

2.實(shí)驗(yàn)步驟：

（1）按圖8 所示組裝實(shí)驗(yàn)裝置。

圖8

（2）在細(xì)線的兩端懸掛質(zhì)量相同的鉤碼，觀察：紙板的運(yùn)動(dòng)情況（運(yùn)動(dòng)、靜止），受力情況（水平方向上所受力的大小、方向、作用點(diǎn)），并記錄。

（3）在細(xì)線的兩端懸掛質(zhì)量不相同的鉤碼，重復(fù)以上內(nèi)容。

（4）把輕紙板扭轉(zhuǎn)一個(gè)角度，松手，重復(fù)以上內(nèi)容。

（5）用剪刀把紙板從中間剪開，觀察紙板的運(yùn)動(dòng)。

（6）改變裝置中其中一個(gè)滑輪的位置，使得兩條細(xì)線在一條直線上但不是水平方向上，重復(fù)以上步驟再次實(shí)驗(yàn)。

3.改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)效果：（1）實(shí)驗(yàn)裝置在豎直平面內(nèi)，不管是教師演示還是學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，學(xué)生容易觀察到紙板的受力情況和運(yùn)動(dòng)情況，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象呈現(xiàn)清晰。（2）紙板在豎直平面內(nèi)懸空，受重力的影響較不明顯，兩邊受到繩子的拉力可認(rèn)為在水平方向上。（3）裝置組裝拆卸方便，方便學(xué)生重復(fù)實(shí)驗(yàn)。

（二）該裝置的拓展應(yīng)用

把圖8 裝置中的紙板換成彈簧測力計(jì)，便可用于教師講解彈簧測力計(jì)在兩端都受力的情況下彈簧測力計(jì)的示數(shù)應(yīng)該是多少的問題。如圖9 所示，物體A和B 的重力相同，均為2N，則彈簧測力計(jì)C 的示數(shù)是多少呢？（細(xì)繩與彈簧測力計(jì)重力不計(jì)，摩擦力不計(jì)）學(xué)生對(duì)這種問題很不理解，誤以為彈簧兩端都受力，彈簧受到的合力應(yīng)該是二者相加，結(jié)果顯示4N。其實(shí)，彈簧要伸長，兩端一定都要受到拉力。如果只受到一端的拉力，力的作用效果是使彈簧處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，而不是使彈簧伸長。當(dāng)彈簧兩端都受力且相等時(shí)，彈簧處于靜止?fàn)顟B(tài)，力的作用效果是使彈簧發(fā)生形變，即伸長。根據(jù)二力平衡的條件，用彈簧測力計(jì)測力時(shí)，彈簧測力計(jì)彈簧的形變實(shí)質(zhì)是固定彈簧的力與被測力兩個(gè)力共同作用的結(jié)果（所以彈簧能靜止平衡）。這兩個(gè)力是一對(duì)平衡力，大小相等。彈簧測力計(jì)顯示的是其中一個(gè)力的大小，所以彈簧測力計(jì)的示數(shù)應(yīng)該是2N。

圖9

該裝置不僅組裝方便，而且便于教師分析問題，大大提高了教學(xué)效率。

初步的初中物理力學(xué)“小”實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)踐表明，拼插積木可大大提高學(xué)生接受實(shí)驗(yàn)原理和掌握操作方法的能力，也更有利于教師發(fā)揮自己的教學(xué)設(shè)計(jì)能力，創(chuàng)造性地開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，總體上補(bǔ)充和改進(jìn)了原有初中物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)，使得教學(xué)形式多樣化，這符合新課程標(biāo)準(zhǔn)的理念。教師也可引導(dǎo)學(xué)生探索搭建各種實(shí)驗(yàn)裝置，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)，尤其是力學(xué)原理設(shè)計(jì)的機(jī)械類搭建，在“玩”的過程中，學(xué)生更容易接受和掌握知識(shí)，學(xué)得輕松也更有興趣，從而能促進(jìn)物理核心素養(yǎng)中“實(shí)驗(yàn)探究”素養(yǎng)的養(yǎng)成。