摘? ?要：“科學探究”是物理學科核心素養(yǎng)的一個重要方面，科學探究教學對學生科學思維、科學態(tài)度與責任等方面的發(fā)展也會產生積極的影響。筆者以“杠桿的平衡條件”這一科學探究內容的教學設計為例，對初中物理科學探究教學進行了大膽的探索嘗試，取得了良好的教學效果。

關鍵詞：簡單機械;力臂;杠桿平衡條件;問題引領;任務驅動;探究;控制變量

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2020）9-0013-6

1? ? 教材分析

本節(jié)教學內容是上?？茖W技術出版社出版的《義務教育教科書? 物理（八年級 全一冊）》第十章 《機械與人》的第一節(jié)，主要包括杠桿的概念、探究杠桿的平衡條件和杠桿的應用等內容。教材呈現(xiàn)的知識內容流程可簡化為：杠桿實例—（抽象化）杠桿定義—（模型化）力臂—（科學探究）杠桿的平衡條件—（知識應用）杠桿的分類。

杠桿是一種重要的簡單機械，也是以后學習滑輪、輪軸等其他“杠桿類”簡單機械和力矩等知識的基礎。另外，杠桿在生活和生產中有著廣泛的應用，在學習了力的作用效果及力的平衡等知識后，學習這部分知識，不但可以加深對物體的平衡的認識，而且還有重要的實際應用意義。

本節(jié)課作為八年級下學期一節(jié)重要的科學探究課，也能讓學生在經歷實驗探究杠桿的平衡條件的過程中，綜合體驗探究建立概念、探究得出規(guī)律中的各種方法，同時受到科學態(tài)度和科學精神的熏陶。因此，本節(jié)課不僅是對杠桿知識的深入學習，也是以后探究力矩平衡的重要基礎，是力學中很重要的實驗探究課。

2? ? 學情分析

通過前面“力”“力與運動”及“壓強”等知識的學習，學生對重力與質量的關系、重錘線的原理和應用、力與運動的關系、力的平衡的概念等有了比較深刻的認識，具備了調節(jié)平衡螺母使天平平衡、用彈簧測力計測力的大小等操作技能，這些都為本節(jié)知識的理解和實驗探究的順利進行提供了知識與技能方面的基礎。

經過半年多的物理學習，學生初步的觀察、實驗、抽象和概括能力已基本形成，但形象思維仍然是他們學習物理的重要思維形式。學生對杠桿的認識更多停留在感性層面，且這些認識也可能是膚淺、片面的，甚至是錯誤的。因此，在教學中教師要更多地鼓勵學生積極地參與觀察、討論、猜想、探究，從中歸納出杠桿的特征及平衡條件。在探究過程中，教師要以引導者、合作者的身份參與學生的學習，讓學生有更大的空間去主動探究、闡述觀點、明辨是非。

3? ? 設計思路

盡管教材呈現(xiàn)的知識內容流程比較有條理，也易于知識的系統(tǒng)化，但在思維銜接上卻存在明顯的強制性和跳躍性。第一，“力臂”的出現(xiàn)比較生硬，從教材編寫意圖上是為探究杠桿的平衡條件做鋪墊，但突然提出“力臂”還是會給學生的思維帶來較大的跳躍，這也是“力臂”成為本節(jié)難點的原因。第二，探究問題的提出是在一個與生活經驗脫節(jié)的、抽象的“力臂”概念基礎上，讓學生去猜想杠桿平衡時動力、動力臂和阻力、阻力臂之間存在的關系，既帶有強制引導的意味，也使學生的猜想流于形式。第三，探究方案的設計，用直杠桿、且在水平位置平衡的方式的確方便了實驗的操作，但從結果來看，一是實驗器材的特殊性到結論的普遍性上存在誤導學生的嫌疑，不利于學生學科核心素養(yǎng)的發(fā)展，二是進一步模糊了力臂的概念，導致學生對力臂到底是“從支點到力的作用線的距離”還是“支點到力的作用點的距離”含糊不清。第四，在實驗中同時改變動力、動力臂、阻力、阻力臂這4個物理量，學生表現(xiàn)出極大的不適應性，因為之前學生習慣的研究方法是“控制變量，逐一研究”。

針對以上思考，對杠桿的教學改進如下：由“蹺蹺板、羊角錘、釣魚竿、撬棒”等常用工具入手，通過找出使用它們過程的共同特點來引入“杠桿”，同時給出“動力、支點和阻力”，再讓學生回到使用工具時找“動力、支點和阻力”，進而明確“靜止的杠桿處于平衡狀態(tài)”;然后，讓學生參與由撬棒演變來的“巨型杠桿提重物”演示，并提出“尋找使巨型杠桿平衡時最小的力”的任務。這一任務的前期目的是“誘導回憶‘距離越大，力越小的經驗”，后期目的是通過思考“距離最大時，各個方向用力大小是否相同”來導入第一次實驗探究：發(fā)現(xiàn)并引入力臂。接下來，要求學生用“力臂”概念修正之前的結論，并嘗試提出進一步探究的問題。因為前面的演示中，重物（大小、位置）一直沒變，所以問題很容易聚焦到：重物不變，杠桿平衡時，動力和動力臂之間有什么關系？還可以提醒學生這里的重物不變實際上是“阻力和阻力臂都不變”。這樣很自然地就導入了第二次實驗探究：保持阻力和阻力臂不變，杠桿平衡時，找出動力和動力臂之間的關系。在找出“保持阻力和阻力臂不變，杠桿平衡時，動力和動力臂的乘積是一個定值”之后，通過分析依此得出“定值可能與阻力、阻力臂有關”—“阻力和阻力臂的乘積也是一個定值”—“動力和動力臂的乘積等于阻力和阻力臂的乘積”。再引入第三次實驗探究：不管動力、動力臂、阻力、阻力臂如何變化，找出“杠桿平衡時，動力、動力臂、阻力、阻力臂四者之間的關系”，得出杠桿的平衡條件。最后介紹阿基米德發(fā)現(xiàn)的“杠桿原理”，通過小結的形式對整節(jié)課的探究進行反思和評估。

這樣設計可以讓學生在實驗探究的基礎上形成“力臂”概念，用科學概念“力臂”完善探究結論，在探究基礎上提出進一步探究的問題等方面都會有更充分的體驗，還能體會到復雜問題逐步深入的探究方法，其中也包含了實事求是的科學態(tài)度。

4? ? 學習目標

（1）能列舉生活中經常用到的、屬于簡單機械的工具。

（2）通過觀察與實驗，說出杠桿的基本特征，并能在杠桿上確認支點、動力和阻力。

（3）通過實驗建立力臂的概念，能畫出簡單杠桿的動力臂和阻力臂。

（4）經歷探究杠桿平衡條件的過程，學會對實驗過程和實驗結果進行反思和評估。

（5）能寫出杠桿的平衡條件，會用它解決簡單的實際問題。

5? ? 教學重難點

重點：杠桿的平衡條件。

難點：力臂的概念。

6? ? 教學方法

任務驅動、問題引領、實驗探究。

7? ? 教學準備

教師用：PPT課件、多媒體投影、演示用自制杠桿、重物、彈簧測力計、直角三角板。

學生用：《科學探究：杠桿的平衡條件》學案、杠桿支架、鉤碼（共16組）。

8? ? 教學過程

8.1? ? 新課引入

師：為了方便我們的工作，在日常生活或生產勞動中經常會用到一些像刀子、斧子、鉗子、剪刀、螺絲刀、扳手等這樣一類的工具，這些工具實際上都是利用物理學中的一些力學原理制成的。在物理學中，這些工具在力學原理的角度被稱為簡單機械。而像壓路機、推土機、起重機等這些大型機械都是由簡單機械組成的。從這節(jié)課開始我們就來學習有關簡單機械的知識。

（這樣引入基于三點考慮：一是體現(xiàn)從“生活走向物理”的新課程理念，二是對課程標準中“知道簡單機械”這一要求的呼應，三是讓日益遠離生活的初中生理清工具、簡單機械、機械間的關系。）

8.2? ? 新課教學

8.2.1? ? 杠桿

師：首先請大家看大屏幕，上面的四幅圖片（蹺蹺板、羊角錘、釣魚竿、撬棒）都是人們經常用到的一些工具。

（這里有意識地選取了四個“單杠桿”，而避開了學生更熟悉的剪刀、鉗子，就是為了讓初學杠桿的學生更容易找出共同特征。）

師：這些工具你熟悉哪個？請把它的用法分享給你的同學。

學生相互交流蹺蹺板、羊角錘、釣魚竿、撬棒的使用方法。

（對學生都不熟悉的工具根據具體情況可通過視頻幫助學生了解其使用情況。）

師：它們在使用過程中有什么共同的特征？

生甲：轉動。

生乙：受力轉動。

師：對，受力轉動是它們的一個共同特征。它們受到力的作用從靜止轉動起來，力改變了它們的運動狀態(tài)。力的另一個作用效果呢？它們在使用過程中有沒有發(fā)生形變？

生：沒有。

師：它們的這個特征我們稱之為硬棒。

師：像蹺蹺板、羊角錘、釣魚竿、撬棒這樣在力的作用下繞固定點轉動的硬棒，叫杠桿。

（用問題引領，讓學生分享這些工具的使用方法，進而用學過的“力的作用效果”知識找出這些工具的共同特征，順勢引出“杠桿”的概念。）

8.2.2? ? 有關杠桿的幾個名詞

師：杠桿繞著轉的這個固定點叫做支點。

師：杠桿繞支點轉動時受到幾個力的作用？

生：兩個。

師：使杠桿轉動的力叫動力，阻礙杠桿轉動的力叫阻力。在你和同學玩蹺蹺板時，蹺蹺板受到的哪個力是動力，哪個力是阻力？

生：這是不是要看誰來說啊。

師：對。因為人在使用杠桿，所以動力、阻力是站在使用者的角度命名的;如果這兩個力都是人施加的，動力和阻力就是相對的，說其中一個力是動力，另一個力便是阻力。

學生完成學案第1、2題（圖1）。

（學生對“動力、阻力、支點”接受起來并不困難，即使出錯也容易糾正，但畢竟是第一次提到，及時練習一下，既有利于鞏固，也有利于教師發(fā)現(xiàn)個別學生的錯誤認識。）

師：物體受到力的作用，運動狀態(tài)會發(fā)生變化。但在同時受到幾個力時，物體的運動狀態(tài)也可能保持不變。這時，我們就說物體處于——

生：平衡狀態(tài)。

師：也就是，保持靜止狀態(tài)或勻速直線運動狀態(tài)。同樣的道理，杠桿在動力和阻力作用下靜止時，我們就說杠桿處于平衡狀態(tài)。

8.2.3? ? 力臂

師：接下來，我們來研究一個自制的杠桿。誰來說一下它的支點在哪里？為什么？

生：（指出支點位置，說明受力時它可以繞這個點轉動）

師：我這里有一桶沙子，誰來提一下？沉吧？

生丙：挺沉。

師：現(xiàn)在我們借助于這個自制的杠桿把它提起來，會怎樣呢？（手指學生丙）你來試一下。

師問生丙：在用杠桿把桶提起時，感覺如何？

生丙：用杠桿時，很小的力就可以把它提起來。

師：那你們能不能用更小的力把它提起來？

學生猜想：動力作用點離支點越遠越省力。

師：來，誰上臺試一下是不是這樣？

學生紛紛上臺體驗，并做出肯定的回答。

師：也就是說，用杠桿把桶提起時，力的作用點離支點越遠，所用的力就越小。

師：杠桿在水平位置平衡時，當動力作用在離支點最遠的點上，是不是不管力的方向向哪，所用的力都最?。?/p>

學生沉思。

師：怎樣才能知道呢？

生：用彈簧測力計向各個方向拉，比較一下。

師：（手指幾個學生）你們來試一下，把你們的演示情況讓同學們看清楚。

幾個學生上臺演示。

師：其他學生拿出學案（圖2），完成第3題（把看到的各種情況畫到學案上，并記下相應動力的大小，找出動力最小時動力的方向。）

師：動力指向哪個方向時，用的力最?。?/p>

生：當動力垂直于杠桿時，所用動力最小。

師：很好。我們能否把動力的方向的改變也歸結到某個距離的改變？動力的作用點不變，改變力的方向，動力到支點的哪個距離發(fā)生了變化？用三角板試一下。把你的發(fā)現(xiàn)告訴大家，大家都試一下。

此時，老師可在黑板上畫出學案上的A、B圖。

師：哪位同學看出來了？動力的作用點不變，改變力的方向時，動力到支點的哪個距離發(fā)生了變化？來分享一下你的發(fā)現(xiàn)。

生丁展示他發(fā)現(xiàn)“支點到動力的方向所在直線的距離變化”的過程。

師：（繼續(xù)啟發(fā)）當動力垂直于杠桿時，所用動力最小，此時應對應著一個最遠的距離。當力的方向不垂直時，哪個距離變小了呢？

師：（指著黑板上的A、B圖）這個距離越小，動力就越大;這個距離越大，動力就越小。為簡單起見，我們就把這個距離叫做力臂。

（“找最小力”的任務驅動，加上適當的問題引領，讓學生自主發(fā)現(xiàn)“力臂”，有效地突破了講解“力臂”這一難點。）

師：力有動力、阻力之分，力臂也有動力臂、阻力臂之分。在具體情境下，如何找出力臂呢？

學生跟從老師的講解畫力臂。如何畫？找支點、畫力的作用線、作垂線、標出力臂。

學生完成學案第4題（圖2）。

師：哪位同學來總結，我們該如何畫力臂？

生戊：首先找到支點，然后沿力的方向畫出力的作用線，再從支點向力的作用線作垂線，最后把支點和垂足間的線段標為力臂。

師：好，剛才畫錯了的同學，再按照這個辦法看一下現(xiàn)在會畫了嗎？

（盡管學生自主發(fā)現(xiàn)了“力臂”，由于要用到數學上“點到直線的距離”的知識，基礎差的學生在畫力臂時仍然會遇到困難，練習不可太急。）

師：有了力臂的概念，就方便多了。引入力臂的概念之后，我們可以把上述結論概括為“動力臂越大，所用的動力就越小”。就可以把剛才的實驗結論概括為“用杠桿把桶提起在水平位置平衡時，動力臂越大，所用的動力就越小”。

（實驗結論的規(guī)范描述，也是初中生應該養(yǎng)成的科學素養(yǎng)之一。）

8.2.4? ? 探究阻力、阻力臂一定，杠桿平衡時，動力、動力臂之間的關系

師：我們要深入研究這一問題（手指剛才的實驗結論），你還想知道什么？

生：動力、動力臂之間具體的數量關系。

（這樣的引導旨在培養(yǎng)學生在已有研究基礎上發(fā)現(xiàn)新問題的意識，是使研究步步深入的基礎。）

師：接下來，我們分組用實驗來研究這一問題。每個小組的器材包括一個杠桿和一盒鉤碼。為使研究方便快捷，我們統(tǒng)一要求：

（1）讓杠桿在水平位置平衡，這樣就可以直接讀出力臂。

（2）先在杠桿左側一固定位置掛上一定數量的鉤碼作為阻力，整個實驗過程其數量、位置保持不變。

（3）在杠桿右側某一位置掛上鉤碼作為動力，并調整它的位置讓杠桿在水平位置平衡，把動力、動力臂記到學案的表格中（見表1）。最少記錄三組數據。

師：仔細分析實驗數據，你能發(fā)現(xiàn)動力、動力臂之間有什么具體的數量關系？分享你是如何找到動力、動力臂之間的關系的。

生：在這三組數據中，動力與動力臂的乘積相同。

師：分析得很好。結合著探究目的以及其他小組的數據，我們可以將該實驗的結論總結為“阻力、阻力臂一定，杠桿平衡時，動力、動力臂的乘積是一個定值”。

（這樣設計更符合學生的認知特點，同時將復雜的四變量探究降低難度，學生運用熟悉的控制變量法，為后續(xù)實驗結論的完善做好鋪墊。）

8.2.5? ? 杠桿的平衡條件

師：請大家進一步思考“動力、動力臂的乘積這個定值是由什么因素決定的呢？”

有些學生會想到：既然阻力、阻力臂一定，動力、動力臂的乘積是一個定值，這個定值應該與不變的阻力、阻力臂有關?？墒亲枇?、阻力臂一定，它們的乘積也是個定值;這兩個定值是不是也應該相等？

老師讓這些學生與其他同學分享自己的猜想及形成猜想的過程。

（這個猜想過程雖然有些繞，但不是太難，只要時間充分，通過分享、交流，更多學生的猜想都會統(tǒng)一到“動力、動力臂的乘積等于阻力、阻力臂的乘積”上來。）

師：這樣，我們就會猜想到“在杠桿平衡時，是不是‘動力、動力臂的乘積等于阻力、阻力臂的乘積呢？”接下來我們用各組已有的實驗數據來驗證。

學生計算已有的實驗數據中阻力、阻力臂的乘積，與動力、動力臂的乘積進行比較。

師：在剛才的驗證過程中，有沒有同學發(fā)現(xiàn)“杠桿平衡時，動力、動力臂的乘積與阻力、阻力臂的乘積不相等”的情況？

生：沒有。

（像“動力、動力臂的乘積等于阻力、阻力臂的乘積”這樣的結論的驗證，要用“窮舉法”，所以我們表述結論時都說“大量實驗表明”。這樣設計可以讓學生體會到“一個結論的正確也可以通過沒有發(fā)現(xiàn)反例來驗證”，這有點像數學上的反證法。）

師：盡管我們前面每組的實驗中，都保持了阻力、阻力臂一定，但是各組的阻力、阻力臂并不完全相同，這樣我們把各組的數據都匯總起來就可以看出“不管動力、動力臂、阻力、阻力臂的情況如何，在杠桿平衡時，動力、動力臂的乘積等于阻力、阻力臂的乘積”。如果有同學仍有疑問，課下可以繼續(xù)通過實驗來驗證。

師：我們用一節(jié)課的時間得出的這個結論叫做杠桿的平衡條件，有時候也說成是“杠桿原理”。寫成公式，即F1L1= F2 L2。

（為了在有限的課堂時間內得到更具普遍性的實驗結論，采用共享小組間的實驗數據的方法，這也是交流與合作的一種重要方式。）

師：同學們，實際上早在2000多年前，著名的古希臘哲學家阿基米德就經過反復的觀察和計算，發(fā)現(xiàn)了這一規(guī)律，并把它稱為“杠桿原理”。他還據此推斷，只要杠桿足夠長，無論多重的物體都可以用很小的力舉起來。并說出了那句驚世駭俗的豪言壯語“只要給我一個支點，我就能撬起地球?！?/p>

8.3? ? 小結提升

師：以上就是我們這節(jié)課學習的主要內容，你們回想一下這節(jié)課都學到了什么？每人一點，挑最重要的說，不要重復。

生：杠桿。

師：什么是杠桿？能舉出生活中的一個杠桿的實例嗎？

學生回憶杠桿的定義，舉出杠桿的實例，也可能有學生會提到剪刀、筷子、鑷子等復雜的杠桿。老師可以補充說明它們都是兩個杠桿的組合，并簡要解釋。

生：杠桿的平衡條件。

師：杠桿的平衡條件是什么？你認為有什么用？

學生回憶杠桿的平衡條件，并意識到可以通過增加動力臂的長度達到更省力的效果。若學生沒提到費力杠桿，教師也可以用釣魚竿為例說明有些時候用杠桿可以使我們更方便。

生：控制變量法的運用。（其他方法的收獲）

……

師：在運用杠桿平衡條件時，最難的地方在哪里？

學生可能會說力臂，老師可以引導學生回顧畫力臂的方法。

8.4? ? 隨堂檢測

（1）圖3為壓水機的結構簡圖。圖中已標出其中杠桿部分的支點O、動力F1和阻力F2，請你在圖上標出動力臂L1和阻力臂L2。

（2）若要讓圖4所示的杠桿在水平位置平衡，給你3個鉤碼，你會把它掛在支點右側第? ? 個刻度處;若此時在它們下方再各加掛一個鉤碼，杠桿在水平位置____________（選填“能”與“不能”）保持平衡，因為________________________。

（3）小軍同學為了驗證杠桿的平衡條件，通過實驗測得了下表中的數據（表2）：

你認為從小軍的實驗數據_____________（選填“能”與“不能”）得出“動力F1×動力臂L1=阻力F2×阻力臂L2”，理由是：?________________________。

（4）圖5甲為建筑工人在使用獨輪車運送沙子。當建筑工人用力將車把抬起時，可以把車斗和車把組成的整體視為一個杠桿。

①這個杠桿的支點是________________________，阻力是________________________。

②若車斗和沙子的總重G=1000 N，相關數據如圖5乙所示。求建筑工人抬起車把時，所用的力F。（要求寫出已知、求、解、答）

9? ? 課后反思

在這個知識爆炸的時代，課堂教學已不再是學生獲取科學知識的唯一途徑。互聯(lián)網的高速發(fā)展催生了一大批如自媒體、慕課、在線課堂等多元化的學習方式，那么學校教學，尤其是物理課堂教學無可替代的價值是什么？初中物理教學不再以培養(yǎng)物理學家為目的，而是讓學生學會基本的生存技能和良好的思維習慣，以便其步入社會后能更好地適應生活、進行工作，這恰恰也是物理學科育人的價值之所在。基于上述思考，才有了本節(jié)課的設計初衷與思路。

本節(jié)課中，通過引導學生觀察日常生活中常用工具的共同特征引入杠桿的定義，通過日常生活經驗和實驗觀察規(guī)范發(fā)現(xiàn)的結論，通過新的實驗發(fā)現(xiàn)與已有結論的沖突到自主發(fā)現(xiàn)“力臂”，通過實驗分層探究的設計、組內和組間逐步遞進的數據處理方式得出杠桿的平衡條件，展現(xiàn)出一個問題從提出到初步解決、步步深入的完整解決過程，滲透了對科學探究教學深入的思考。這里有對學生用物理觀念思考問題的意識培養(yǎng)，也有對學生運用物理方法、物理思維解決問題的能力的提高，還滲透了實事求是的科學態(tài)度。最后的課堂檢測，則更好地保障了知識的落實和學習目標的達成?！敖虒W乃育人之根，興趣為教學之本”，教學即育人，不可一蹴而就，相信經過這樣的課堂教學，我們的學生收獲的將不僅是豐碩的知識，更有健全的人格與出眾的能力。

本節(jié)課為了突出科學探究的過程，“杠桿的應用”部分也只能放到下一課時。課后回想起來，即使如此探究的時間還是很緊迫，于是就想，是不是把“杠桿及三要素”與“杠桿的應用”合并作為第一課時、第二課時安排一整節(jié)科學探究內容會更好？若如此，第二課時的中心任務就只有通過探究建立力臂概念、通過探究得出“杠桿平衡條件”，這樣以來反思和評估的時間也會更加充分了。

參考文獻：

[1]上?？茖W技術出版社教材編寫組.義務教育教科書物理八年級（全一冊）[M].上海：上?？茖W技術出版社，2012.

[2]王恩華.關于“簡單機械”教學的思考[J].物理教學探討，2015，33（10）：64-65.

（欄目編輯? ? 趙保鋼）