以問題引領思維，用探究生成觀念
——以“探究杠桿平衡條件”的深度備課為例

盧義剛 陳先明

(1. 金陵中學龍湖分校，江蘇 南京 211500； 2. 六合區瓜埠初級中學，江蘇 南京 211500)

2017年新課標提出了高中物理核心素養，包含“物理觀念”、“科學思維”、“科學探究”及“科學態度與責任”4個部分，其核心內容是“物理觀念”.“物理觀念”是在“科學探究”和“科學思維”深度參與的基礎上，結合“科學態度與責任”，逐步形成起來的.它是學生對物理概念和物理規律內化后所形成的個人新認知,是對物理概念和物理規律的提煉與升華，是從物理學視角解釋自然現象和解決實際問題的基礎.在物理概念和物理規律中，物理概念本身既是重要的物理知識，又是探究物理規律、構建物理理論的“基石”，在學科知識體系中占有重要的地位，對物理學發展起著承上啟下的作用.[1]

“進入新課改后，教師能夠意識到在課堂上組織學生針對某一問題開展科學探究，并進行開放式討論，有效地激發學生“做中學”的熱情，提升學生科學思維的能力，促進學生對知識的進一步理解；但這種探究、討論及思維的參與主要體現在運用知識解決問題的過程當中，而對新的物理概念教學及學生物理觀念的形成，建構性思考依然不多”.[2]教師不重視通過科學探究來引領學生思維建構新的物理概念，不重視利用開放式討論來讓學生發展辯證性思維，新的物理概念總是教師“教”出來的，不是學生自我生成建立的；因此，造成在新概念建立過程中，學生思維參與度及深度學習明顯不足，學生對概念只是通過死記硬背來強化記憶的，只知道“是什么”，至于“為什么”“怎么來的”一知半解，并沒有自己獨特的認知和內化，更未能通過提煉與升華形成自己的物理觀念，最終導致在應用中屢屢出錯，給后續物理學習及對物理的總認知造成“人為障礙”.

1 問題的呈現

在初中物理學習中，力臂是探究杠桿平衡條件的基礎也是杠桿分類的依據之一.“目前從國內多種版本的義務教育初中物理教材來看，為了方便地從有刻度的杠桿上直接讀取力臂大小，都是先將杠桿調至水平位置平衡后，然后在杠桿左右兩邊懸掛鉤碼，接著通過增減砝碼或移動懸掛位置，使杠桿在水平位置再次平衡.這樣反復實驗，測出多組數據，從而探究總結出桿杠平衡的條件.通過這種特殊情況下的教學，使學生獲得清晰的力臂表象，在學生的頭腦中逐步形成了支點到力的作用點的距離就是力臂的定勢思維”.[3]盡管有些教師通過檢測反饋等渠道發現了學生這種錯誤認知，但因考慮到探究的難度，在日常教學中大多數教師依舊回避了力臂概念的探究建構過程，而是通過直接給出力臂的概念，然后利用刷題等手段讓學生進行強化記憶，以此來降低難度、加快教學進度，而實際結果卻是“欲速則不達”.究其原因除了教師在教學中未意識到引入力臂的重要性和必要性以外，還由于學生沒有通過科學探究，利用“做中學”來獲得力臂對杠桿轉動影響的感性支持，更沒有通過思維進行歸納和分析，循序漸進自我生成力臂概念，形成自我認知的物理觀念.[4]故而，學生始終走不出“思維怪圈”，遇到較復雜問題時總是不自覺地把支點到力的作用點的距離當做力臂，造成 “屢屢碰壁”.長此以往，學生倍感失落，感覺物理太難學，收獲與付出永不成正比，逐漸對物理學習喪失信心，失去興趣.這樣的結果和教師原先期望大相徑庭，甚至是背道而馳.

那么，力臂概念的引入和建構在教學中怎樣處理才能讓學生走出“思維怪圈”呢？如何讓學生自發形成杠桿平衡條件就是“動力×動力臂=阻力×阻力臂”的“物理觀念”呢？筆者認為，每個物理概念的建立應該是建立在前概念的基礎上，或者是通過制造認知沖突，讓學生意識到引入這個概念的必要性.由此，筆者在深度備課的基礎上，利用自制教具“背后帶有同心圓盤的可變形杠桿及可指示力的作用線的帶激光測力計”(以下簡稱“自制教具”)，采取“問題、探究”式的教學設計，在教學實踐中取得了良好的教學效果.

2 “探究杠桿平衡條件”深度備課下的教學實踐

自制教具介紹：在PVC板上畫上等距的同心圓，并標上刻度，便于讀數，圓心處鉆一小孔，掛在鐵架臺上；可以繞杠桿支點處彎折的可變形杠桿，掛在鐵架臺上后杠桿上支點和后面PVC板圓心重合.以下教學過程是建立在介紹了杠桿的定義、杠桿的形狀可以是多種多樣的以及與杠桿有關的支點、動力、阻力等名詞之后，充分利用自制教具進行實驗，并結合投屏等信息技術直觀地呈現實驗結果，使學生在探究后從圖像上能直觀的自我總結出力臂這一抽象概念，并在此基礎上自我形成關于杠桿平衡條件的“物理觀念”.

2.1 創設情境，引發學生認知

問題1.大人和小孩怎樣才能使蹺蹺板在水平方向保持平衡呢？

視頻展示：大人和小孩玩蹺蹺板，小孩這邊的蹺蹺板向上翹.

學生探究活動1：利用手中的長直尺、橡皮以及不同的硬幣，模擬大人和小孩玩蹺蹺板.總結出有哪些方法可以讓蹺蹺板重新恢復水平平衡.

問題2.你能總結出杠桿的平衡可能和什么因素有關嗎？

(結合剛才探究活動1：總結哪些因素會影響杠桿的平衡，用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、力的方向.

器材呈現：師生調節鐵架臺上可變形杠桿兩端的平衡螺母，使杠桿在水平位置平衡.然后在杠桿后置一個圓心與支點重合的同心等距圓盤(如圖1)—自制教具.

問題3.如何調節左側鉤碼和位置使杠桿再次在水平位置平衡呢？

學生探究活動2：學生先在杠桿右側15 cm處掛上2個200 g的鉤碼，保持鉤碼的個數和所掛位置不變，然后調節左側鉤碼和位置.

實驗結論：在杠桿左側10 cm處掛上3個200 g鉤碼，或30 cm處掛上1個200 g鉤碼(如圖2).

圖1

圖2

問題4.你能找出杠桿上的支點、動力、動力作用點、阻力、阻力作用點嗎？你能發現杠杠在平衡時它們之間有什么等量關系嗎？

學生：動力×支點到動力作用點的距離=阻力×支點到阻力作用點的距離(結論1).

2.2 實驗探究，制造認知沖突

圖3

問題5.圖2中如果將杠桿左側沿支點O彎折一定角度，結論1還成立嗎？

學生探究活動3： 將杠桿左側沿支點O彎折一定角度后(如圖3)，發現杠桿不再保持水平位置平衡.

學生：在動力、支點到動力作用點的距離、阻力、支點到阻力作用點的距離都不變的情況下，杠桿不再保持水平位置平衡，說明結論1是不成立的.

2.3 思行并舉，建構物理觀念

問題6.在圖3中如何移動左端鉤碼位置使杠桿再次在水平位置平衡呢？

圖4

學生探究活動4：多次彎折左側杠桿，然后調整鉤碼位置使杠桿再次平衡(如圖4).

教師：沿力的方向畫一條直線稱為力的作用線，發現每次平衡后的動力作用線位置之間有何關系？由此關系你發現了什么距離不變？你認為杠杠平衡時的等量關系應該如何表達才是正確的？

學生：動力×支點到動力作用線的距離=阻力×支點到阻力作用線的距離(結論2).

問題7.你還有什么辦法可以證明結論1是不成立的？(提示“力的三要素”在影響力的作用效果)

學生探究活動5：在圖2中，用彈簧測力計代替左側鉤碼，保持彈簧測力計拉力大小及作用點不變，只改變拉力的方向，發現杠桿不再平衡，進一步得出結論1是不成立.

問題8.支持結論2的證據充分嗎？怎么辦？

教師：在圖2中，保持左側動力的大小不變，只改變動力方向，如何能使杠桿再次平衡？

學生：移動動力作用點的位置能夠使杠桿再次平衡.

教師：多做幾組，觀察記錄支點到動力作用線的距離你能發現什么？

圖5

學生探究活動6：實驗探究過程見圖5，進一步總結出結論2是正確的.

教師：當然，我們也可以將以上實驗遷移到杠桿右側來做，效果同樣.

問題9.你能總結出圖4、圖5的實驗是通過什么量來實現杠桿再次平衡的呢？

學生：在動力大小一定時，通過支點到動力作用線的距離來實現杠桿平衡的.

教師：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，說明“支點到力的作用線的距離”是個有意義的物理量，故而我們給它一個特定名稱—力臂，即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”.如此，杠杠平衡時的等量關系即結論2可改寫為：動力×動力臂=阻力×阻力臂.

2.4 變式應用，深化觀念理解

圖6

問題10.如圖6所示，當動力的作用點P一定時，你能找到使杠桿平衡的最小動力的方向嗎？

學生探究活動7：實驗探究得出，根據杠桿平衡條件“動力×動力臂=阻力×阻力臂”，在阻力及阻力臂不變的前提下，當動力的方向與支點到動力作用點的連線段垂直時，動力臂最長，動力最小(不一定和杠桿垂直的動力就是最小動力)；同時也再次說明力的方向是影響力臂的.

在以上深度備課下的教學實踐中，通過問題引領，借助自制器材，結合實驗探究，引領學生逐步建構“力臂”概念，最終形成正確的物理觀念.設計中先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3個名詞：支點、動力和阻力；再根據學生的認知規律，通過模擬蹺蹺板實驗，對影響杠桿平衡的因素進行猜想，得出杠桿平衡條件的初步觀念—動力×支點到動力作用點的距離=阻力×支點到阻力作用點的距離；然后難度升級，將杠桿左側沿支點O彎折一定角度，發現4個因素都未變，而杠桿不再平衡，從而有效形成認知沖突，對初步觀念開始質疑.接著在保持杠桿左端鉤碼的個數不變，只改變左端力的作用點的位置時，也能實現讓杠桿在水平位置保持平衡，從而發現當力的大小相同時作用點不同，卻有著相同的作用效果.不難想象這3個力肯定是有共性的不變的量，體現了“求同”思維(如圖4).為了使結論2的證據更充分，又通過探究活動6(如圖5)，從影響力的作用效果的三要素出發，當力的大小不變時，發現只有當支點到力的作用線的距離不變杠桿才能平衡，步步深入最終發現支點到力的作用線的距離是杠桿平衡中力的作用點和力的方向的整合體現，是一個有意義的物理量，從而很自然的建構出力臂的概念，進而得出杠桿平衡條件的新觀念——動力×動力臂=阻力×阻力臂.最后又通過“變式應用”，讓學生在科學探究中深化對力臂概念的理解，深化對杠桿平衡條件觀念的內化.

3 結語

本次深度備課下的教學實踐，筆者利用問題引領學生主動思維，巧妙使用自制教具，讓學生通過實驗探究和交流討論，不斷去解決相關問題.在問題的解決中，抽絲剝繭、層層深入建構出“力臂”概念，逐步找出杠桿平衡時的等量關系，讓學生自發形成杠桿平衡的條件是“動力×動力臂=阻力×阻力臂”的物理觀念.希望廣大物理教師在教學中要深思精問，立足實驗探究，關注思維，使物理核心素養在課堂教學中真正“落地生根”，從而為學生的一生發展奠定堅實基礎.