突破“力臂”難點教學(xué)的深度探討

江西師范大學(xué)物理與通信電子學(xué)院(330022) 丁 紅 周新雅 周 行 肖永順

傳統(tǒng)的教學(xué)方式通常是教師通過系統(tǒng)、細(xì)致的講解向?qū)W生傳授知識，即教師在講臺上講解知識、學(xué)生在臺下被動接受知識，且具體形式相對單調(diào)，常常被戲稱為“填鴨式”教學(xué)。這種教學(xué)方式對物理概念、規(guī)律的教學(xué)極為不利，難以讓學(xué)生建構(gòu)起清晰的、正確的物理觀念，進(jìn)而人為增加了實現(xiàn)“物理學(xué)科核心素養(yǎng)”的障礙。正如“力臂”概念的教學(xué)，無論教師講解的語言多么生動直觀，都始終難以將這一抽象概念的建構(gòu)落到實處，使得“力臂”概念長期淪為教學(xué)的難點。為了有效的突破這一教學(xué)難點，筆者特此進(jìn)行了如下探討和總結(jié)。

1 學(xué)情及教材分析

1.1 學(xué)情分析

1.1.1 知識基礎(chǔ)

在學(xué)習(xí)杠桿之前學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了“力”等相關(guān)知識，獲得了學(xué)習(xí)物理的一些基本方法，知道物理是一門崇尚理性、重視邏輯推理的實驗學(xué)科。然而，從簡單的“平動”到稍微復(fù)雜的“轉(zhuǎn)動”，從“二力平衡”到“杠桿的平衡條件”等，在學(xué)習(xí)方法和思維方法上都要經(jīng)歷一定的跳躍，需要一定的平臺來跨越這個難度。因此，在教學(xué)過程中就需要設(shè)計一定的層次、梯度，為學(xué)生提供思維跳躍的階梯，讓斷層的知識點能被順利銜接起來，使學(xué)生在接受系列知識時有一個過渡的過程，這樣才能更好的突破教學(xué)難點。

1.1.2 心里特征

強(qiáng)烈的好奇心和求知欲是初中生所具有的心理特征，他們易對新鮮事物產(chǎn)生興趣，在探究及觀察活動中都表現(xiàn)得十分活躍、積極、投入。然而美中不足的是初中生的觀察能力較低，觀察目的性不太強(qiáng)，對關(guān)鍵點的敏銳性不高，缺乏耐心，需要教師加以指點。傳統(tǒng)的粉筆加黑板式的教學(xué)使學(xué)生很難理解“力臂”這樣較為抽象的內(nèi)容。事實是學(xué)生更喜歡自己動手實驗，在操作和分析過程中得到結(jié)論。所以，實驗教學(xué)是目前最為有效且又非常重要的教學(xué)手段之一，學(xué)生對這種教學(xué)方式有較強(qiáng)的認(rèn)同感，如若再輔以探究活動長期磨練，還能夠使學(xué)生觀察的敏銳性及思考問題的能力有大幅度的提高。

1.2 教材分析

“杠桿”雖然在不同版本教材里被分別安排在不同的章節(jié)里，但都是被安排在“力”等章節(jié)之后，既是對力學(xué)知識的深化，同時也是學(xué)習(xí)機(jī)械效率的鋪墊。杠桿在生活中的運用相當(dāng)廣泛，隨處可見，它來源于生活，又服務(wù)于社會，充分體現(xiàn)了“從生活走向物理，從物理走向社會”的理念。

“杠桿”主要是讓學(xué)生理解杠桿五要素之后學(xué)會畫杠桿的示意圖，在實驗探究中加強(qiáng)實驗操作及數(shù)據(jù)處理能力，經(jīng)探究過程得出杠桿的平衡條件。通過查閱資料以及對不同版本教材的分析，發(fā)現(xiàn)本節(jié)內(nèi)容在不同教材里的分布略有不同。

1.2.1 人教版

人教版教材“杠桿”一節(jié)內(nèi)容的結(jié)構(gòu)是先簡單介紹一些生活中的杠桿模型，然后直接給出杠桿的定義，告訴學(xué)生杠桿是什么，再給出“支點、動力、阻力、力臂”等名詞的概念，最后實驗探究杠桿的平衡條件。雖然可以讓學(xué)生在做探究活動時更有目標(biāo)與方向性，使新授課時間大大縮減，但明顯沒有一個摸索思考的過程來幫助學(xué)生理解“力臂”的概念。

現(xiàn)代教育理論認(rèn)為，教學(xué)活動要把學(xué)生現(xiàn)有的知識經(jīng)驗作為新知識的生長點，引導(dǎo)他們從原有的知識經(jīng)驗中“生長”出新的知識。教師在課堂教學(xué)過程中為了向?qū)W生表達(dá)“力臂”的確切含義可以引入有關(guān)的生活情景，在情景教學(xué)過程中插入學(xué)生可能會遇到的問題。這時學(xué)生會針對教師所創(chuàng)設(shè)的情景進(jìn)行思考，并回答有關(guān)于情景的問題。

為了探討情境中的相關(guān)問題在課堂中還應(yīng)該開展一些探究活動，讓學(xué)生在探究活動中發(fā)現(xiàn)與杠桿平衡有關(guān)的物理量，并提醒學(xué)生利用前面所學(xué)“力的三要素”知識點分析、總結(jié)結(jié)論。在學(xué)生僅僅運用“力的三要素”無法和杠桿的平衡聯(lián)系起來時，教師應(yīng)隨即加以引導(dǎo)，并在探究過程中創(chuàng)設(shè)必要的情景沖突，讓學(xué)生在沖突中發(fā)現(xiàn)問題。情景沖突也可以使學(xué)生覺察他們原本對“力臂”概念的錯誤認(rèn)識，使學(xué)生順其自然地得出力臂的概念并且印象深刻，為后面的教學(xué)及應(yīng)用奠定扎實的基礎(chǔ)。

1.2.2 滬粵版

滬粵版教材“杠桿”一節(jié)內(nèi)容的分布與人教版稍有不同。滬粵版教材先引入兩個孩子玩蹺蹺板的情景，然后通過這個情景引出問題“根據(jù)蹺蹺板的結(jié)構(gòu)思考怎樣才能讓它平衡”。在探究活動中得出杠桿、力臂、平衡的概念以及杠桿的平衡條件，最后列舉生活中的實例深入學(xué)習(xí)。雖然這樣可以使學(xué)生通過探究活動理解杠桿的平衡條件，在實驗中得出“力臂”的概念，在反復(fù)思辯的過程中真正理解“力臂”的概念，但是探究過程相對簡單，杠桿僅在水平方向平衡時“力臂”與“力的作用點到支點的距離”相等，易使學(xué)生陷入“力臂”就是“力的作用點到支點的距離”的誤區(qū)。

由此可見，上述兩種版本教材體現(xiàn)出來的教育理念不盡相同，然而教材的教育理念會影響教師的教學(xué)方式。很容易看出，人教版教材易誤導(dǎo)教師直接向?qū)W生灌輸概念，并設(shè)法使學(xué)生牢記概念。滬粵版教材將啟發(fā)教師讓學(xué)生在切身的探究活動中得出與理解概念，在一定程度上升華學(xué)生的能力和情感。兩種教材分別體現(xiàn)的是 “傳授教學(xué)”理念和“探究式教學(xué)”理念，這兩種理念得到的教學(xué)效果大相徑庭。但就杠桿這節(jié)內(nèi)容而言，在探究過程中建立所需的概念，滬粵版的優(yōu)勢是不言而喻的。

所以，要想從根本意義上突破“力臂”的教學(xué)難點就要讓學(xué)生經(jīng)歷探究活動的整個過程，體會“力臂”概念建立的過程，并提升學(xué)生的動手操作能力及交流合作能力等，方能加深學(xué)生對“力臂”概念的理解。另外還要在實驗過程中避免偶然性，努力尋找規(guī)律的普遍性。許多教師認(rèn)為花大量的時間和精力去構(gòu)建一個概念得不償失，其實這種想法是錯誤的。若要為后面杠桿平衡條件的學(xué)習(xí)打牢基礎(chǔ)，前面所做的努力都是必要的，就像建一幢穩(wěn)固的房子要有堅實的地基一樣，正所謂“磨刀不誤砍柴工”。

2 對傳統(tǒng)初中“力臂”教學(xué)情況分析

長久以來，針對“力臂”概念的教學(xué)都是灌輸式，即教師講學(xué)生聽的模式，這樣常常導(dǎo)致學(xué)生“食而不化”。學(xué)生往往只有通過死記硬背才能掌握這一內(nèi)容，整個課堂顯得機(jī)械而呆板，完全忽略了學(xué)生才是課堂的主體。

“力臂”概念一直是初中物理教學(xué)的難點之一，采用傳統(tǒng)的教學(xué)方式帶來的弊端主要表現(xiàn)在教的“空降”現(xiàn)象及學(xué)的“空心”現(xiàn)象。教師在教的過程中只是簡單的告訴學(xué)生“力臂”的概念，沒有向?qū)W生展示具體的情景和例子，無法把抽象的概念具體化。學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中沒有經(jīng)歷思考探究的過程，對概念的理解僅限于字面上，得不到知識的強(qiáng)化，只能死記硬背。

3 如何開展突破力臂難點的教學(xué)

“力臂”的特點是具有隱蔽性，想要學(xué)生真正理解“力臂”的概念，必須讓他們經(jīng)歷認(rèn)識“力臂”的過程。所以只有對傳統(tǒng)的教學(xué)模式進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)才能得到更好的教學(xué)效果。探究式學(xué)習(xí)不僅可以激發(fā)學(xué)生對物理課堂學(xué)習(xí)的興趣，還可以讓學(xué)生的觀念自主的由“要我學(xué)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤拔乙獙W(xué)”。探究式學(xué)習(xí)的主體是學(xué)生，學(xué)生在教師的指導(dǎo)和啟發(fā)之下進(jìn)行探究，探究的過程非常重要，往往會給學(xué)生帶來意料之外的收獲。探究性的課堂教學(xué)過程設(shè)計往往會讓課堂效率事半功倍，下面便是筆者對突破“力臂”難點設(shè)計的教學(xué)過程。

3.1 重演知識發(fā)生過程，情景引入

在講解杠桿之前，應(yīng)該回頭看看發(fā)現(xiàn)“杠桿”的第一人(阿基米德)的探究過程。他首先把杠桿實際應(yīng)用中的一些經(jīng)驗知識當(dāng)作“不證自明的公理”，然后從這些公理出發(fā)，運用幾何學(xué)通過嚴(yán)密的邏輯論證，得出了杠桿原理。這些公理是：①在無重量的桿的兩端離支點相等的距離處掛上相等的重量，它們將平衡；②在無重量的桿的兩端離支點相等的距離處掛上不相等的重量，重的一端將下傾；③在無重量的桿的兩端離支點不相等距離處掛上相等重量，距離遠(yuǎn)的一端將下傾；④若在一定距離上的重物是平衡的，則另外兩個與它們分別相等的重物在相同的距離上也是平衡的。這些“公理”都是學(xué)生已獲得的生活經(jīng)驗，可結(jié)合“蹺蹺板”情景引入。

放映兩個小朋友玩蹺蹺板的動畫，引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，吸引學(xué)生注意力。學(xué)生觀察到當(dāng)他們都不使力時，蹺蹺板靜止在空中某個位置不動，根據(jù)前面學(xué)過的知識學(xué)生知道這是平衡狀態(tài)，就此提出問題：“兩個小朋友能夠靜止在空中受哪些因素影響。我們能不能模擬蹺蹺板實驗探究什么因素決定了平衡?”

3.2 探究影響杠桿平衡的因素——“力臂”

經(jīng)過小組討論，認(rèn)為小朋友的體重及他們在蹺蹺板上所處的位置(支點到力的作用點的距離)有關(guān)。教師拿出準(zhǔn)備好的器材(鐵架臺、杠桿、鉤碼等)，模擬蹺蹺板，用鉤碼代替小朋友，設(shè)計探究方案，猜想影響平衡的相關(guān)物理量及其關(guān)系，按照圖1安裝好實驗儀器。

在認(rèn)識杠桿、支點、動力、阻力之后，探究杠桿平衡條件之前，設(shè)置一個探究影響杠桿平衡因素的實驗，因為“力臂”是在探究影響杠桿平衡實驗的基礎(chǔ)上形成的。奧蘇貝爾認(rèn)為，學(xué)習(xí)者將符號代表的

圖1 實驗儀器安裝圖

新知識與學(xué)習(xí)者認(rèn)知結(jié)構(gòu)中已有的適當(dāng)?shù)挠^念建立起實質(zhì)性的和非人為的聯(lián)系，意義學(xué)習(xí)才會發(fā)生。尤其是二力平衡條件發(fā)展到杠桿平衡條件的跨度非常大，學(xué)生易混淆，所以引導(dǎo)學(xué)生回顧影響力的作用效果的因素，緊接著拋出問題：“影響杠桿平衡的因素又可能有哪些?”基于對“蹺蹺板”平衡的經(jīng)驗認(rèn)識，學(xué)生迅速回答出：“是力的大小、方向和作用點?！钡@僅僅是猜想，需用實驗驗證是否正確。經(jīng)過前面實驗的學(xué)習(xí)積累，學(xué)生幾乎都能想到應(yīng)用控制變量法探究杠桿平衡。

3.2.1 初探影響杠桿平衡因素，顯現(xiàn)前概念

(1)探究“力的大小”影響杠桿的平衡

首先在杠桿左邊(或右邊)的任意一處掛一定質(zhì)量的鉤碼，提問學(xué)生要使杠桿靜止平衡該如何操作。根據(jù)生活經(jīng)驗學(xué)生都知道，在支點另一邊距支點相等距離處掛上相等質(zhì)量的鉤碼，杠桿水平平衡。然后再多加一個鉤碼，觀察發(fā)現(xiàn)杠桿往鉤碼多的一邊下沉。多次實驗得出結(jié)論：力的大小影響杠桿的平衡。

(2)探究“力的作用點”影響杠桿的平衡

在杠桿水平平衡的基礎(chǔ)上，改變右邊鉤碼距支點的距離，觀察發(fā)現(xiàn)杠桿平衡被破壞，距離較遠(yuǎn)的一端往下沉，說明力的作用點確實影響杠桿的平衡。啟發(fā)學(xué)生思考：“要使得杠桿重新水平平衡，應(yīng)采取什么措施?”學(xué)生回答：“減小較遠(yuǎn)一端的鉤碼質(zhì)量直到水平平衡或把左邊的鉤碼移動到與右邊距支點相等距離處?！睘楹竺嫣骄扛軛U平衡條件做鋪墊。

然后讓一位男生和一位女生演示“推門”實驗：男生雙手作用在距“支點”較近處往里推，女生雙手作用在距“支點”較遠(yuǎn)處往外推，同時用力，結(jié)果力氣較大的男生被關(guān)在門外，為什么會如此呢?學(xué)生意識到是支點到力的作用點的距離不同。學(xué)生親歷實驗過程，不僅理解深刻，高漲的課堂氣氛還能激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、活躍學(xué)生思維。經(jīng)多次實驗得出結(jié)論：力的作用點(支點到力的作用點的距離)影響杠桿的平衡。

(3)探究“力的方向”影響杠桿的平衡

由于鉤碼不好控制方向，此時選用彈簧測力計代替一邊的鉤碼，筆者選用右邊為例。左邊鉤碼質(zhì)量與支點到力的作用點的距離保持不變，提供阻力，在支點右邊一處掛上彈簧測力計，學(xué)生自主實驗在保持力的作用點不變的情況下，多次改變彈簧測力計的方向(動力的方向)，使杠桿水平平衡，讀出彈簧測力計的讀數(shù)，發(fā)現(xiàn)彈簧測力計的方向改變后，讀數(shù)也相應(yīng)變化。得出結(jié)論：力的方向影響杠桿平衡。

此時學(xué)生堅信影響杠桿平衡的因素是力的三要素：力的大小、方向與作用點(支點到力的作用點的距離)。

3.2.2 引發(fā)認(rèn)知沖突，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

在學(xué)生胸有成竹且非常確定杠桿平衡的因素是力的三要素時，教師提出可以在改變彈簧測力計的(動力)作用點或方向的情況下，保持杠桿水平平衡，而測力計的讀數(shù)保持不變，引起了學(xué)生的好奇心。然后演示支點左邊鉤碼質(zhì)量與力的作用點依然不變，右邊分別改變彈簧測力計的方向與作用點，使杠桿水平位置平衡，彈簧測力計讀數(shù)都一樣。

此時學(xué)生很詫異，支點到力的作用點的距離改變了，杠桿水平平衡時，怎么力的大小不變呢?意識到支點到力的作用點的距離不是影響杠桿平衡的因素，力的方向也不是，激發(fā)學(xué)生對新知識的探究渴望。

3.3 演示改進(jìn)教具，找出“力臂”

教師拿出自制教具(見圖2)，介紹這是一個改進(jìn)后的杠桿，支點固定的圓形硬紙盤上有多個等距的同心圓，圓心就在支點，杠桿的左邊與支架之間連接一條橡皮筋，提供阻力，杠桿右端將翹起。實驗操作：學(xué)生自行實驗探究，改變力的作用點與方向，而彈簧測力計讀數(shù)與作用效果(杠桿水平平衡)保持不變。

提問：3次實驗杠桿都保持平衡，而且左邊的操作沒有變化，右邊操作雖然變化了，但是有一個什么物理量一直是不變的呢?影響杠桿平衡的那個“距離”究竟是什么呢?

圖2 自制杠桿力臂演示儀

提示學(xué)生去看測力計的方向的延長線恰好是圓的切線，切線與圓半徑垂直，學(xué)生很容易發(fā)現(xiàn)支點距動力作用線的距離是同一個圓的半徑，即從支點到動力作用線的距離相等。

經(jīng)過前面的實驗，學(xué)生會想“支點到力的作用線的距離”改變一定影響杠桿的平衡嗎?讓學(xué)生繼續(xù)在改進(jìn)的杠桿上，多次改變“支點到動力的作用線的距離”并使杠桿水平平衡，記錄每一次的距離與相應(yīng)彈簧測力計的讀數(shù)。

3.4 引入“力臂”

多次實驗后發(fā)現(xiàn)當(dāng)“支點到力的作用線的距離”沒改變時，彈簧測力計讀數(shù)也不變，當(dāng)改變時，讀數(shù)也改變了，而且是“支點到力的作用線的距離”越大，讀數(shù)越小，反之讀數(shù)越大。此時，教師說明在物理學(xué)中，支點到力的作用線的距離稱做力臂，影響杠桿平衡的因素就是力的大小與力臂。那么怎樣使學(xué)生理解，消化吸收“力臂”這個新知識?同樣與舊知聯(lián)系起來，采用類比的方法，幫助學(xué)生遷移內(nèi)化。帶領(lǐng)學(xué)生回顧探究光的反射定律時是以“反射角”定量描述反射光的位置，同化“支點到力的作用線的距離”可以定量反映力的位置，此時力的位置就代表的是力的作用點與方向的狀態(tài)(見表1)。通過與學(xué)生已有知識和經(jīng)驗的連接，學(xué)生就能更有效的消化新知識。

表1 利用光的反射角概念建構(gòu)類比生成“力臂”概念

4 小結(jié)

為了讓課堂更加高效，也為了讓學(xué)生能夠更好的掌握教學(xué)內(nèi)容，教師要盡可能摒棄一些傳統(tǒng)教學(xué)中的弊端，充分發(fā)揮現(xiàn)代化教育手段的優(yōu)勢使教學(xué)方式多樣化。由傳統(tǒng)的灌輸知識轉(zhuǎn)化為啟發(fā)式教學(xué)，在課堂教學(xué)中有效地開展實驗教學(xué)，在實驗教學(xué)過程中突破“力臂”難點。從學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)及心理特征去設(shè)計教學(xué)過程，讓學(xué)生經(jīng)歷概念探究的過程，在探究過程中制造認(rèn)知“沖突”，促進(jìn)學(xué)生積極思考，通過對“沖突”的思考發(fā)現(xiàn)自己對“力臂”的錯誤認(rèn)識并改正，這樣不僅鍛煉了學(xué)生的邏輯思維能力，還可以讓學(xué)生輕而易舉地理解“力臂”概念，從而更快地走出理解的誤區(qū)。