以體驗(yàn)式教學(xué)幫助學(xué)生建立物理模型
——以“杠桿”教學(xué)為例

(廣東省廣州市花都區(qū)教育局教學(xué)研究室，廣東 廣州 510000)

在物理教學(xué)中，很多難點(diǎn)沒(méi)有突破主要是因?yàn)闆](méi)有為學(xué)生構(gòu)建一個(gè)好的物理模型。物理模型是將我們研究的物理對(duì)象或物理過(guò)程、情境，運(yùn)用抽象、簡(jiǎn)化和類(lèi)比等方法，把反映研究對(duì)象的本質(zhì)特征抽象出來(lái)，構(gòu)成一個(gè)概念或?qū)嵨锏哪Ｐ?。建?gòu)主義學(xué)習(xí)理論認(rèn)為：學(xué)習(xí)并不是學(xué)習(xí)者被動(dòng)地去接受知識(shí)或是經(jīng)驗(yàn)，而是通過(guò)自身的體驗(yàn)與交流合作去建構(gòu)意義的過(guò)程。下面就以“杠桿”教學(xué)為例，探討以體驗(yàn)式教學(xué)幫助學(xué)生構(gòu)建物理模型的途徑。

“杠桿”是初中物理教學(xué)難點(diǎn)，一是涉及的物理量較多，二是學(xué)生對(duì)力臂的理解有困難，三是要探究杠桿平衡條件、并能根據(jù)平衡條件對(duì)杠桿進(jìn)行分類(lèi)。常規(guī)的教學(xué)流程如下：在第一課時(shí)，列舉生活中有關(guān)杠桿的例子，介紹五要素，然后反復(fù)練習(xí)畫(huà)力臂；在第二課時(shí)，通過(guò)學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究杠桿平衡條件；在第三課時(shí)，對(duì)杠桿進(jìn)行分類(lèi)，做練習(xí)。三節(jié)課下來(lái)教師基本能把知識(shí)點(diǎn)講完，但不少同學(xué)還是覺(jué)得很困惑，其主要原因是沒(méi)有真正弄懂物理原理，在他們的腦中沒(méi)有一個(gè)清晰的物理模型作為支撐。針對(duì)上述情況，筆者采用體驗(yàn)式教學(xué)，進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。

1 讓學(xué)生體驗(yàn)有趣的小實(shí)驗(yàn)，構(gòu)建基本的物理模型

圖1

在課堂上展示一個(gè)自制的蹺蹺板(一把木尺釘在鐵架臺(tái)上，可以自由轉(zhuǎn)動(dòng))，接著請(qǐng)一位同學(xué)把重量不同的蘋(píng)果和橘子分別放在蹺蹺板的兩側(cè)，使它靜止不動(dòng)，完成后可以很明顯地看到較重的蘋(píng)果放在離支點(diǎn)較近的地方，而較輕的橘子則放在離支點(diǎn)較遠(yuǎn)的地方(如圖1)。以這樣的情景介紹杠桿的定義、支點(diǎn)以及杠桿的平衡狀態(tài)，為了能更好地引出杠桿的其他要素，筆者采取了以下的做法：首先把蘋(píng)果拿開(kāi)，可以看到杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，杠桿不平衡了，也就是說(shuō)杠桿的平衡肯定跟作用在它上面的力有關(guān)，引入物理量：動(dòng)力；使杠桿重新平衡，然后把橘子拿開(kāi)，杠桿反方向轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，杠桿也不平衡了，相對(duì)于動(dòng)力我們就引入另一個(gè)物理量：阻力；使杠桿恢復(fù)平衡，然后把蘋(píng)果往遠(yuǎn)端移動(dòng)一下，杠桿又不平衡了。很明顯杠桿的平衡跟物體所放的位置有關(guān)，很自然地就得到了與距離有關(guān)的物理量：動(dòng)力臂，同理可以引入阻力臂。利用實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)來(lái)引入杠桿的五要素，學(xué)生在腦海中就初步建立了一個(gè)包含杠桿五要素的物理模型：一個(gè)放著蘋(píng)果和橘子的蹺蹺板。

2 設(shè)計(jì)3個(gè)遞進(jìn)式體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生正確理解力臂的定義

加涅在《學(xué)習(xí)的條件和教學(xué)論》中提出五類(lèi)學(xué)習(xí)結(jié)果類(lèi)型，初中物理中很多學(xué)習(xí)結(jié)果是智慧技能，那么大量的機(jī)械重復(fù)練習(xí)能幫助學(xué)生習(xí)得智慧技能嗎？答案是否定的。力臂是一個(gè)比較抽象的物理概念，很多學(xué)生不明白為什么要把力臂定義為支點(diǎn)到力的作用線的垂直距離，傳統(tǒng)的教學(xué)方式就是通過(guò)大量的作圖練習(xí)，使學(xué)生接受這一個(gè)定義。學(xué)生會(huì)畫(huà)力臂，卻不能理解力臂的定義，若遇到復(fù)雜一點(diǎn)的題目就會(huì)無(wú)從下手。筆者在課堂上增加了3個(gè)遞進(jìn)式實(shí)驗(yàn)，通過(guò)學(xué)生的親身體驗(yàn)可以加深對(duì)力臂定義的理解。

實(shí)驗(yàn)一：在杠桿的左邊掛上1個(gè)200g的鉤碼，然后讓學(xué)生在杠桿的右側(cè)距支點(diǎn)由遠(yuǎn)到近按壓，要求一直保持杠桿水平平衡，感受手在不同位置對(duì)杠桿所用力的大小(如圖2)。學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以明顯地感受到要使杠桿保持水平平衡，離支點(diǎn)越近，用力越大，這樣就得到用力大小可能跟支點(diǎn)到力的作用點(diǎn)的距離有關(guān)的結(jié)論。這個(gè)實(shí)驗(yàn)可能會(huì)使一些學(xué)生陷入一個(gè)誤區(qū)，為下一個(gè)實(shí)驗(yàn)作了鋪墊。

圖2

圖3

實(shí)驗(yàn)二：在杠桿的左邊掛上1個(gè)200g的鉤碼，學(xué)生用彈簧測(cè)力計(jì)在杠桿右側(cè)同一個(gè)點(diǎn)沿不同的方向拉，要求杠桿一直保持水平平衡，觀察彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)(如圖3)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)一的結(jié)論：要使杠桿水平平衡，用的力只與支點(diǎn)到力的作用點(diǎn)的距離有關(guān)，只要支點(diǎn)到力的作用點(diǎn)的距離不變，無(wú)論方向如何改變也不會(huì)影響到力的大小。真的是這樣嗎？通過(guò)實(shí)驗(yàn)二可以觀察到力的大小其實(shí)是不一樣的，也就是說(shuō)實(shí)驗(yàn)一得到的結(jié)論是不完整的，這就是不能把力臂定義為支點(diǎn)到力的作用點(diǎn)的距離的原因。教師可能會(huì)跟學(xué)生重復(fù)一百次正確的力臂的定義，但學(xué)生只是記住了這一句話，并沒(méi)有真正理解。

通過(guò)以上兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生就不僅僅是記住，親自動(dòng)手得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，學(xué)生的習(xí)得效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于教師的灌輸。

力的大小跟支點(diǎn)到力的作用點(diǎn)的距離并無(wú)直接關(guān)聯(lián)，那么就一定與支點(diǎn)到力的作用線的垂直距離有關(guān)嗎？繼續(xù)通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。當(dāng)動(dòng)力和動(dòng)力臂都不變時(shí)，如果阻力相同，無(wú)論沿什么方向拉，阻力臂都相同嗎？接著做第三個(gè)實(shí)驗(yàn)。

圖4

實(shí)驗(yàn)三：在杠桿的右邊掛上4個(gè)50g的鉤碼，讓學(xué)生用彈簧測(cè)力計(jì)在杠桿右邊不同的點(diǎn)上用2N的力拉，使杠桿保持水平平衡。借助T型尺，可以直觀地看出支點(diǎn)到力的作用線都是相同的(如圖4)。也就是說(shuō)，當(dāng)動(dòng)力、動(dòng)力臂不變時(shí)，如果阻力相同，阻力臂也相同，實(shí)驗(yàn)的結(jié)果和理論是一致的。

這樣就可以解釋為什么力臂要定義為支點(diǎn)到力的作用線的垂直距離，學(xué)生的疑問(wèn)得到了解決，這一節(jié)課的教學(xué)難點(diǎn)也實(shí)現(xiàn)了突破。

以上三個(gè)體驗(yàn)式實(shí)驗(yàn)?zāi)茏寣W(xué)生對(duì)力臂的理解有一個(gè)進(jìn)階的過(guò)程，而每一個(gè)實(shí)驗(yàn)都相應(yīng)地有一個(gè)具體的模型印在學(xué)生的腦海中，以后遇到了關(guān)于杠桿的實(shí)驗(yàn)探究題，學(xué)生就更有把握了。教師應(yīng)當(dāng)充分重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)，把課堂的主動(dòng)權(quán)交給學(xué)生，鼓勵(lì)學(xué)生大膽嘗試，勇于探究。

3 體驗(yàn)同一物體在不同情況下的工作過(guò)程，建立杠桿分類(lèi)的模型

根據(jù)杠桿的平衡條件：動(dòng)力×動(dòng)力臂=阻力×阻力臂，可以把杠桿分為三類(lèi)：省力杠桿、等臂杠桿和費(fèi)力杠桿。分類(lèi)的依據(jù)就是比較動(dòng)力臂和阻力臂的長(zhǎng)短，很多教師都會(huì)列舉很多例子來(lái)讓學(xué)生分類(lèi)，例如：釣魚(yú)竿、剪刀、起子、天平等等。但例子太多學(xué)生會(huì)覺(jué)得很混亂，時(shí)間久就會(huì)混淆，可先利用一個(gè)同時(shí)包含三種情況的例子，幫助學(xué)生建立一個(gè)初步的模型，對(duì)他們掌握該知識(shí)點(diǎn)會(huì)有幫助。每一位學(xué)生都體驗(yàn)過(guò)用剪刀剪東西，但把物體放在不同的位置，用的力是不一樣的，于是我們可以建立一個(gè)關(guān)于剪刀的模型(如圖5)。

圖5

剪刀的支點(diǎn)容易找出，而手指固定在有膠的一端，也就是動(dòng)力臂已經(jīng)固定，我們把被剪的物體放在圖5中的不同位置(如A、B、C點(diǎn)等)，感受一下分別要用多大的力才能剪斷物體。三個(gè)位置都體驗(yàn)過(guò)之后，我們?cè)儆美碚搧?lái)分析：因?yàn)榧魯嗟臇|西相同，所以杠桿受到的阻力相同，比較動(dòng)力臂與阻力臂的大小，再根據(jù)杠桿平衡條件，就可以把杠桿分為三類(lèi)。這樣就讓學(xué)生建立了一個(gè)關(guān)于剪刀的物理模型，盡管以后可能忘記了相關(guān)的知識(shí)，但只要拿出剪刀試剪一下，還是可以回憶起來(lái)的。有了基礎(chǔ)的杠桿分類(lèi)模型后，再講生活中其他的杠桿，學(xué)生就懂得了怎樣借助剪刀的三種情況去具體分類(lèi)，培養(yǎng)了學(xué)生舉一反三的能力。

通過(guò)以上教學(xué)過(guò)程，學(xué)生可以把這部分知識(shí)簡(jiǎn)化為三個(gè)物理模型，分別是：“坐”蹺蹺板的蘋(píng)果和橘子，一端掛著鉤碼、另一端用彈簧測(cè)力計(jì)拉的杠桿以及一把剪刀。學(xué)生全程參與各個(gè)體驗(yàn)活動(dòng)，能以一條完整的主線把所有的物理量和相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)都串聯(lián)起來(lái)，建立簡(jiǎn)單的物理模型，化繁為簡(jiǎn)，把反映研究對(duì)象的本質(zhì)特征抽象出來(lái)。

物理學(xué)習(xí)的目的不僅僅是學(xué)習(xí)物理知識(shí)，更重要的是讓學(xué)生學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)，學(xué)會(huì)探究，形成正確的價(jià)值觀。學(xué)生在體驗(yàn)式學(xué)習(xí)中不僅能經(jīng)歷知識(shí)的形成過(guò)程，對(duì)所學(xué)的內(nèi)容產(chǎn)生濃厚的興趣，習(xí)得探究未知事物的方法，發(fā)展學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，還能感受到自己在獲取知識(shí)過(guò)程中的失敗與錯(cuò)誤，通過(guò)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)、糾正錯(cuò)誤，逐步走向正確，從中體驗(yàn)到成功的喜悅。因此，在新課程背景下，要改變傳統(tǒng)教學(xué)中的重知識(shí)、輕實(shí)踐，重結(jié)論、輕過(guò)程，重理論、輕實(shí)驗(yàn)，知識(shí)與情感相互分離的局面，必須認(rèn)識(shí)到：脫離知識(shí)構(gòu)建過(guò)程的單純說(shuō)教式的教學(xué)是蒼白無(wú)力的。在教學(xué)中應(yīng)該給學(xué)生創(chuàng)設(shè)豐富的、真實(shí)的物理情境，使學(xué)生對(duì)物理知識(shí)的產(chǎn)生、形成和發(fā)展過(guò)程有豐富、清晰的感性認(rèn)識(shí)，引領(lǐng)學(xué)生通過(guò)觀察、探究、交流等活動(dòng)參與物理模型的構(gòu)建，這不僅有利于學(xué)生對(duì)物理概念、規(guī)律的深刻理解，最重要的作用是在此過(guò)程中能有效地引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)的探究過(guò)程，啟迪智慧，增強(qiáng)能力。