以實驗為中心的物理概念建構過程

吳曉東

[摘? ?要]針對 “講授練習式”教學中存在的不足，為了使學生經歷科學探究過程，掌握科學研究方法，更深刻地理解物理概念，教師要注重物理概念的構建。文章以問題為導向，設置三種層層遞進的學生實驗，使學生在實驗中進一步認識理解相關概念。

[關鍵詞]實驗;物理概念;建構;力臂

[中圖分類號]? ? G633.7? ? ? ? [文獻標識碼]? ? A? ? ? ? [文章編號]? ? 1674-6058（2019）14-0055-02

一、問題背景

蘇科版物理九年級上冊《杠桿》一節主要學習杠桿的基礎知識。學生已經對一般的物理研究方法有了初步的認識，在二力平衡的基礎上學習杠桿，理解難度不大。因此，常有一些教師講完杠桿的五要素后，就開始總結畫力臂的一般方法，訓練學生畫力臂。然而，這樣的訓練使學生對概念的理解出現“空心化”（被動記住概念的含義，沒有經歷概念建立的思辨過程），這樣的教學，教師教得無趣，學生學得無味[1]。學生沒有深刻理解力臂的概念，不懂得為什么要引入力臂。一段時間之后總會有所遺忘。實際上給學生以實踐體驗，讓學生經歷科學探究過程，使學生了解引入力臂概念的必要性，可以幫助學生更深刻地理解“力臂”的含義。為此，我們可利用可視化的實驗幫助學生深刻理解力臂的概念。

二、總體思路

設計系列實驗及問題，由易到難，建構力臂概念。

實驗1：利用杠桿抬起巨石。目的：激發學生興趣。

實驗2：自制桿秤稱蘋果。目的：體驗杠桿的應用。

實驗3：模擬蹺蹺板。目的：猜想影響杠桿平衡的因素。

實驗4：改變拉力的方向使杠桿依然水平平衡。目的：認識猜想的不足，提出新的猜想。

實驗5：用彈簧測力計拉帶有圓盤的杠桿。目的：化繁為簡，建構力臂概念。

實驗6：探究杠桿平衡條件。目的：體驗科學探究過程，得出杠桿平衡條件。

三、部分實驗教學

1.以實驗為基礎，猜想影響杠桿平衡的因素

【問題1】大人和小孩如何能使蹺蹺板在水平方向保持平衡？

PPT展示圖片：大人和小孩玩蹺蹺板，由于大人太重，所以蹺蹺板向他這邊傾斜。有什么辦法可以讓蹺蹺板又恢復水平平衡？利用手中的長直尺、橡皮以及大小不同的鉤碼，模擬大人和小孩玩蹺蹺板。看哪些方法可以讓杠桿重新恢復水平平衡。

學生：把重的鉤碼向支點靠近，輕的鉤碼遠離支點;將支點移向重的鉤碼，在輕的鉤碼上再加一個鉤碼。

【問題2】杠桿的平衡可能和什么因素有關呢？用我們學過的物理名詞來表述。

學生：力的大小，支點到力的作用點的距離。

2.改變實驗操作，形成認知沖突

【問題3】拉力大小不同的原因是什么？

學生動手實驗，左端鉤碼的個數和位置固定不動，右端放置彈簧測力計（豎直方向調零），右端彈簧測力計拉力的作用點不動，用彈簧測力計分別豎直和斜拉杠桿，讓杠桿在水平位置平衡，記錄兩次拉力的大小。可以發現豎直向下拉彈簧測力計時，拉力的大小比較小，而斜拉時，拉力比較大。

學生：兩次拉力大小不同的原因在于力的方向不同。

【問題4】結合模擬蹺蹺板實驗，總結哪些因素會影響杠桿的平衡。

學生：力的大小，支點到力的作用點的距離、力的方向。

【問題5】可不可以尋找一個物理量，它既包含了支點到力的作用點的距離對杠桿平衡的影響，又包含了力的方向對杠桿平衡的影響？

3.實驗與“求同”思維并重，建構力臂概念

在杠桿的支點處固定一圓形硬紙板，上面畫出一系列間隔為1 cm的同心圓環。杠桿左端10 cm處掛四個0.5 N的鉤碼，右端8 cm處用彈簧測力計豎直向下拉杠桿，使杠桿在水平位置保持平衡（系彈簧測力計的細線要長一些）。彈簧測力計的示數為2.5 N。

【問題6】保證杠桿左端鉤碼的個數以及位置不變，改變右端彈簧測力計拉力作用點的位置以及拉力的方向，但保證拉力的大小不變，并且讓杠桿在水平方向保持平衡。觀察三次實驗有什么共同點？

學生：彈簧測力計上繩子的方向與8 cm的圓環接觸才能使每次拉力的作用效果不變。

彈簧測力計上繩子的方向也就是拉力所在的直線，它每次與相同的圓接觸，在數學上稱之為拉力的方向與圓相切。（PPT展示）過力的作用點，作出沿力的方向的直線，稱之為力的作用線，即彈簧測力計上繩子的方向。作出支點到力作用線的垂線，發現了什么？

學生：都是圓的半徑，長度相等。

【問題7】三次實驗，力的大小和方向都改變了，是什么不變導致力的作用效果不變？

學生：支點到力的作用線的距離不變。

支點到力的作用線的距離既包含了力的作用點又包含了力的方向對杠桿平衡的影響。“支點到力的作用線的距離”是個有意義的物理量，稱為力臂。支點到動力作用線的距離稱為動力臂，支點到阻力作用線的距離稱為阻力臂。

四、結束語

人是發展的存在[2]，學生具有無限的發展潛能。皮亞杰的認知發展理論認為，智力是一種適應，是同化和順應的平衡，當兒童遇到不能理解的新事物或新刺激時，就會迫使他改變原有的“圖示”以適應新的情景，求得認知平衡的恢復[3]。因此，在教學過程中，教師應該順著學生的認知規律，不斷給學生提出更加深入的問題，讓學生發現自己之前不夠全面的認知，進而獲得新的知識，建構出物理概念。

在以上的教學過程中，筆者通過系列實驗及問題，引領學生建構比較抽象的“力臂”概念。與書本直接給出杠桿的五要素不同，筆者通過生活中常見的杠桿以及杠桿的定義，讓學生自己說出杠桿的三個要素：支點、動力和阻力。根據學生的認識規律，通過模擬蹺蹺板實驗，對影響杠桿平衡的因素進行猜想：支點以及支點到力的作用點的距離。進一步改變作用在杠桿上拉力的方向使杠桿依然水平平衡，發現所用力的大小不同。認識到力的方向也會影響杠桿的平衡，認識到之前的認知不夠全面。難度升級，確保杠桿左端鉤碼的個數以及位置不變，改變右端彈簧測力計拉力作用點的位置以及拉力的方向，但保證拉力的大小不變，并且讓杠桿在水平方向保持平衡。大小相同的三個不同的力，卻有相同的作用效果，不難想這三個力在某個方面一定是相同的。進而尋找不變量，體現“求同”思維。由于實驗中系彈簧測力計的繩子很長，學生可以很清楚地觀察到三次繩子都與同一個圓相切。教師再利用PPT演示，作出支點到三個力的作用線的垂直距離。力的大小相同，這個距離相同，杠桿的平衡就相同，進而建構出力臂的概念。

[? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?]

[1]? 劉小洪，周洪.力臂概念的創新教法[J].物理通報，2013（3）：28-30.

[2]? 張康橋.生長教育：通往美好人性的教育——溧陽市實驗小學的教育學建構[J].江蘇教育研究，2012（29）：4-10 .

[3]? 車麗萍.試論智力發展與同化、順應的關系：皮亞杰基本理論的啟示[J].內蒙古師范大學學報（哲學社會科學版），1997（2）：98-101.

（責任編輯 易志毅）