廣東中山市東區(qū)遠(yuǎn)洋學(xué)校（528405）宋旗芬

分析“杠桿”這一節(jié)的教學(xué)內(nèi)容發(fā)現(xiàn)，從學(xué)科的角度來(lái)說(shuō)，杠桿是一種簡(jiǎn)單機(jī)械；從認(rèn)知的角度來(lái)說(shuō)，杠桿是一種物理模型。杠桿模型的建立對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)是一個(gè)難點(diǎn)，要突破這個(gè)難點(diǎn)，需要學(xué)生把握力臂的概念。學(xué)生能直觀認(rèn)識(shí)杠桿的支點(diǎn)及受力情況，但力臂的概念很抽象，也缺乏具體的生活經(jīng)驗(yàn)。因此，力臂概念就變成了杠桿模型中的難點(diǎn)，它是“杠桿”這一節(jié)的核心概念，是完成這一節(jié)學(xué)習(xí)任務(wù)——從認(rèn)識(shí)“杠桿”到掌握“杠桿的平衡條件”的重要樞紐。通過對(duì)幾個(gè)版本物理教材的對(duì)比發(fā)現(xiàn)［1］，目前力臂概念的教學(xué)方式都是從學(xué)生熟悉的生活中常見的杠桿類用品入手，在給出支點(diǎn)、動(dòng)力和阻力之后，直接給出力臂概念——從支點(diǎn)到力的作用線之間的距離，然后學(xué)生就通過力學(xué)作圖，即作出各種情景下的力臂，來(lái)完成力臂概念的建構(gòu)［2］。但這樣的教學(xué)流程學(xué)生沒有經(jīng)歷為什么要引入這個(gè)“無(wú)中生有”的物理概念的過程，無(wú)法理解建構(gòu)力臂概念的意義，更不可能深刻理解力臂的內(nèi)涵，從而陷入死記硬背的境地。為此，在教學(xué)實(shí)踐中，筆者通過自制教具和實(shí)驗(yàn)探究，讓學(xué)生觀察、分析、討論，總結(jié)出共同特征，通過對(duì)表象的歸納，建立認(rèn)知圖示，幫助學(xué)生直觀地建構(gòu)力臂概念，這樣大大降低了力臂概念的學(xué)習(xí)難度，讓學(xué)生深刻理解了力臂概念的本質(zhì)，以及引入力臂概念的物理意義，完成核心概念的自主建構(gòu)。

一、實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)圖及實(shí)物圖如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)圖及實(shí)物圖

二、實(shí)驗(yàn)原理

杠桿研究的對(duì)象是繞固定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的物體，在杠桿模型中力的作用效果就是使杠桿繞固定的點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。本實(shí)驗(yàn)利用生活中的器材，自制了一個(gè)圓盤形的杠桿來(lái)研究杠桿繞固定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的問題，方法就是從力的三要素（大小、方向、作用點(diǎn)）出發(fā)，在力的大小和方向不變的情況下，改變“力的作用點(diǎn)”，探究其作用效果是否相同。實(shí)驗(yàn)過程中通過圓盤上的A，B，C點(diǎn)得出，作用在杠桿上的大小相等、方向相同的力，如果力的作用點(diǎn)不同對(duì)圓盤的作用效果不同，進(jìn)而得出力作用在杠桿上的效果與力的作用點(diǎn)有關(guān)的結(jié)論；再次實(shí)驗(yàn)，通過圓盤上D，E，B，F(xiàn)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)，可得出力作用在杠桿上的效果與力的作用點(diǎn)無(wú)關(guān)的結(jié)論。因此，通過對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)影響杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)的重要因素——力臂，從而完成力臂概念的建構(gòu)，使學(xué)生能抽象出一個(gè)看不見，但能感到存在的力臂概念。

三、教具制作

筆者制作了一個(gè)質(zhì)量分布均勻的圓盤形的杠桿來(lái)研究杠桿的轉(zhuǎn)動(dòng)問題。圓盤由一塊質(zhì)量分布均勻的薄金屬板制成，為了給學(xué)生以震撼和較強(qiáng)的觀察效果，選取圓盤的直徑是40 cm，利用刻度尺在圓盤的直徑上圓心右側(cè)（圖中A，B，C點(diǎn)）依次選取到圓心的距離為10 cm、20 cm、30 cm 的點(diǎn)，并做好標(biāo)注，同時(shí)在直徑的左側(cè)用刻度測(cè)量出20 cm 的點(diǎn)，做好標(biāo)注，釘上細(xì)釘子，用于懸掛鉤碼；同時(shí)在B點(diǎn)與水平直徑垂直的弦上取不同的D，E，F(xiàn)點(diǎn)，并用白板筆做好標(biāo)注，釘上細(xì)釘子，用于懸掛鉤碼。圓盤的圓心處鉆好大小恰當(dāng)?shù)男】?，圓盤穿過小孔放置于固定在支架上的鐵釘上，圓盤可繞鐵釘自由轉(zhuǎn)動(dòng)。支架是由常見的鐵質(zhì)材料制作而成的，支架上方留出可固定金屬夾的位置，金屬夾可固定鐵釘。本教具所用材料皆取材于生活中常見的物品，制作簡(jiǎn)單，材料容易獲取，具有很好的教學(xué)效果。

四、教學(xué)過程

本教學(xué)過程是在學(xué)生通過日常生產(chǎn)生活認(rèn)識(shí)各種杠桿，并理解了支點(diǎn)、動(dòng)力、阻力概念之后展開的。我們知道力的作用效果與力的三要素有關(guān)，力的三要素相同，則力的作用效果相同。反之，如果力的作用效果不同，則力的三要素中至少有一個(gè)要素不相同。進(jìn)而提出問題——力在杠桿上產(chǎn)生的作用效果是否也能用力的三要素來(lái)衡量？接下來(lái)就通過自制教具實(shí)驗(yàn)探究影響杠桿的轉(zhuǎn)動(dòng)效果的因素，建構(gòu)力臂概念，具體教學(xué)過程如下。

（一）橫向探究杠桿的轉(zhuǎn)動(dòng)效果與作用點(diǎn)的關(guān)系

在器材左側(cè)掛上一個(gè)50 g鉤碼，使圓盤分別水平保持靜止不動(dòng)，左側(cè)的鉤碼位置保持不變，然后在圓盤右側(cè)依次用相同的50 g 鉤碼懸掛于A，B，C點(diǎn)處，然后放手觀察力的作用效果，也就是杠桿的轉(zhuǎn)動(dòng)情況。從實(shí)驗(yàn)可以看出，鉤碼懸掛于A點(diǎn)時(shí)，杠桿逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；鉤碼懸掛于B點(diǎn)時(shí)，杠桿保持靜止不動(dòng)；鉤碼懸掛于C點(diǎn)時(shí)，杠桿順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄在表1 中。通過表格中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以得出：橫向力作用在杠桿上的效果與力的作用點(diǎn)有關(guān)。

表1 橫向探究杠桿的轉(zhuǎn)動(dòng)效果與作用點(diǎn)的關(guān)系

（二）縱向探究杠桿的轉(zhuǎn)動(dòng)效果與作用點(diǎn)的關(guān)系

圖2 實(shí)驗(yàn)探究過程

在器材左側(cè)掛上一個(gè)50 g鉤碼，使圓盤分別水平保持靜止不動(dòng)，左側(cè)的鉤碼位置保持不變，然后在圓盤右側(cè)依次用相同的50 g鉤碼懸掛于D，E，B，F(xiàn) 點(diǎn)處，然后放手觀察力的作用效果，也就是杠桿的轉(zhuǎn)動(dòng)情況，發(fā)現(xiàn)杠桿均保持靜止不動(dòng)。本探究實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄在表2 中。通過表格的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出結(jié)論：縱向力作用在杠桿上的效果與力的作用點(diǎn)無(wú)關(guān)。

表2 縱向探究杠桿的轉(zhuǎn)動(dòng)效果與作用點(diǎn)的關(guān)系

2.分析與論證

實(shí)驗(yàn)1 表明力作用在杠桿上的效果與力的作用點(diǎn)有關(guān)，實(shí)驗(yàn)2 表明力作用在杠桿上的效果與力的作用點(diǎn)無(wú)關(guān)，這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)論是不是相互矛盾呢？到底是什么因素影響了力作用在杠桿上的作用效果呢？我們來(lái)看看兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的合成圖，如圖3所示。第1 組實(shí)驗(yàn)，力作用在杠桿上的效果不同，A，B，C三點(diǎn)的力的作用效果不同，本質(zhì)上是因?yàn)橹c(diǎn)O到A，B，C三點(diǎn)的作用力所在的直線距離不同（距離依次為OA，OB，OC）；第2 組實(shí)驗(yàn)，力作用在杠桿上的效果相同，D，E，B，F(xiàn)四點(diǎn)的力的作用效果相同，學(xué)生可以發(fā)現(xiàn)力所在的這條線的方向并沒有發(fā)生改變，在圓盤上也作出力的作用線，讓學(xué)生尋找那個(gè)相同的“量”，此時(shí)學(xué)生很容易發(fā)現(xiàn)本質(zhì)上是因?yàn)橹c(diǎn)O到D，E，B，F(xiàn)四點(diǎn)的作用力所在的直線距離相同（距離均為OB）。進(jìn)一步推理，支點(diǎn)到力的作用線的距離不同時(shí)，作用在杠桿上的力的作用效果不同；而支點(diǎn)到力的作用線的距離相同時(shí)，作用在杠桿上的力的作用效果相同。這樣第1 組和第2 組實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是統(tǒng)一的，就是因?yàn)榱υ诟軛U上的作用效果跟支點(diǎn)到力所在的直線的距離有關(guān)。因此，得出支點(diǎn)到力的作用線的距離對(duì)作用在杠桿上的力的效果至關(guān)重要，從而建立數(shù)學(xué)模型，即讓學(xué)生把“無(wú)中生有”的力臂轉(zhuǎn)化為點(diǎn)到直線距離的數(shù)學(xué)模型，并理解了引入力臂的物理意義，也說(shuō)明了力臂才是真正影響杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)的重要因素。

圖3 探究過程合成圖

五、教學(xué)反思

通過自制教具讓學(xué)生經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)探究過程，可幫助學(xué)生更好地建構(gòu)力臂概念，并抽象出一個(gè)看不見，但能感覺得到的力臂概念，為力臂的作圖以及探究杠桿的平衡條件做了很好的鋪墊。同時(shí)，通過自制教具完成的實(shí)驗(yàn)探究過程，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，從感性到理性，從問題到方法，看似簡(jiǎn)單的探究過程，體現(xiàn)的是從實(shí)際現(xiàn)象到理性思維的過程，很好地體現(xiàn)了科學(xué)思維的過程。從生活較容易得到的圓盤的轉(zhuǎn)動(dòng)過渡到杠桿模型的平衡的分析，體現(xiàn)了“最近發(fā)展區(qū)理論”的應(yīng)用，從學(xué)生熟悉的生活中常見的用品入手，分析學(xué)生的現(xiàn)有認(rèn)知水平，著眼于學(xué)生的可能發(fā)展區(qū)，為學(xué)生提供有一定難度的學(xué)習(xí)內(nèi)容，以模型的科學(xué)方法調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，發(fā)揮其學(xué)習(xí)潛能，從而有效完成教學(xué)任務(wù)。建立模型解決問題是科學(xué)探究中十分重要的研究方法，它不僅在形成正確理論的過程中起著重要的作用，還能指導(dǎo)人們認(rèn)識(shí)科學(xué)現(xiàn)象、科學(xué)規(guī)律，形成正確的價(jià)值觀。

在運(yùn)用模型進(jìn)行問題研究時(shí)，教師應(yīng)抓住模型的建立是摒棄原型（研究對(duì)象和過程等）中各種次要因素的影響，進(jìn)行簡(jiǎn)化和理想化處理，突出決定事物狀態(tài)、影響事物發(fā)展變化的本質(zhì)因素，重視對(duì)建立模型思維過程的展示，重視模型與原型的對(duì)比和聯(lián)系，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到模型是為解決問題而建立的。在從自制教具過渡到杠桿模型的教學(xué)過程中，就舍棄了無(wú)關(guān)的形狀、軟硬、半徑、形狀等次要因素。在建立杠桿模型和得出力臂模型的過程中，分別采用了不同的教學(xué)方法，在眾多現(xiàn)實(shí)杠桿中簡(jiǎn)化出“杠桿”模型，突出杠桿的本質(zhì)是一個(gè)具有五要素并“繞一個(gè)固定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)”的機(jī)械裝置。在研究力臂時(shí)，則是從效果出發(fā)，抽象出一個(gè)看不見，但能感覺得到的“力臂”概念。從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，從感性到理性，從問題到方法再回到解決問題，看似簡(jiǎn)單的教學(xué)過程，體現(xiàn)了教師的教學(xué)觀念與思維特征。從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，在“杠桿”模型的形成和“力臂”的提出都滲透了這樣的設(shè)計(jì)理念：遵循從實(shí)際現(xiàn)象到理性思維與抽象的教學(xué)過程應(yīng)符合學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)；從學(xué)生“碰到”的問題出發(fā)，使研究有“的”；在借助方法完成問題研究后，又提出更新的問題，考查得到的方法如何應(yīng)用。

當(dāng)然從實(shí)際問題抽象成科學(xué)模型，進(jìn)而引出一個(gè)新的物理概念，對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)往往比較困難。學(xué)生的思維在很大程度上還屬于經(jīng)驗(yàn)型思維，就事論事比較普遍。教師要充分認(rèn)識(shí)學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)，幫助學(xué)生積累感性認(rèn)識(shí)，使學(xué)生的思維從感性思維向理性思維發(fā)展。本自制教具引領(lǐng)學(xué)生以建模的方式認(rèn)知杠桿的力臂概念，有助于學(xué)生經(jīng)歷從感性到理性的認(rèn)知過程，了解從大量具體探究活動(dòng)中抽象出力臂這一物理概念的科學(xué)方法，抓住學(xué)科本質(zhì)，從而提高學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。學(xué)生在科學(xué)探究活動(dòng)過程中，通過建立模型、認(rèn)識(shí)模型、分析數(shù)據(jù)，體驗(yàn)了大膽猜想、建立假設(shè)和對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的合理分析等多種探究活動(dòng)。教師可以引導(dǎo)學(xué)生動(dòng)手、動(dòng)腦相結(jié)合，主動(dòng)思考問題，自己設(shè)計(jì)研究方案，思考事實(shí)證據(jù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)論之間的關(guān)系，從而建立物理模型，建構(gòu)學(xué)科概念，抓住物理本質(zhì)，進(jìn)而逐步養(yǎng)成質(zhì)疑、反思的科學(xué)思維習(xí)慣。