基于深度學習的杠桿力臂創設優化策略探究

摘 要：杠桿的教學一直是初中物理的重點內容，如何創新教學方法，促進學生深度學習，是每個物理教師需要思考和關注的問題。文章從教學實踐出發，運用創新教具的方式引導學生主動思考，深度學習，從更直觀更有趣的角度掌握杠桿知識，實現物理學科素養的提升。

關鍵詞：深度學習;杠桿原理;課堂引入;教學過程

中圖分類號：G633.7 文獻標志碼：A文章編號：1008-3561（2020）19-0095-02

“深度學習”是指學生基于教師預設的專業方案經歷有指導、有挑戰、高投入、高認知，并獲得意義的學習過程。深度學習強調理解，具有聯想與建構、活動與體驗、本質與變式、遷移與應用、價值與評價等特征，其目的是指向人的全面發展，是形成學生核心素養的基本途徑。初中物理“杠桿”一節，教師常直接拋出力臂概念，這樣的方式不符合知識的螺旋結構特征，學生被動接受“力臂”概念，沒有觸及“力臂”的本質概念，在遇到涉及“力臂”的實際問題時，往往不能正確利用力臂概念解決實際問題，找準力臂。

筆者在教學過程中發現，學生常常認為力臂是“支點到力的作用點的距離”，但實際上力臂定義為“支點到力的作用線的距離”。對此筆者自制了一個教具（此教具在2018年江蘇省初中物理實驗創新評比中獲得省級二等獎），讓學生在操作和親身體驗中真正感受力臂的本質含義。

該教具主體是一個直徑為40 cm的透明圓盤（如圖1），在圓心O處鉆孔，中心需要穿過一個鐵制轉軸，所以孔的半徑必須略大于鐵質轉軸的半徑，以確保能讓圓盤以O點為轉軸順利地自由旋轉起來，A點距離圓心O是8 cm，連接OA，并延長成為一條直徑，而B點與G點都在這條直線上，OB=OG=26 cm。過A點作一條垂直于OA的直線，點C、D、E、F是該垂線上的任意點。確定好圓盤各點以后，便將每個點做好標記，以便之后打孔。整個圓盤采用塑料板制成，在板上所有畫點的地方打上孔，孔的大小確保能夠放入掛鉤，每個掛鉤的質量須保持一致，以保證實驗的科學性。最后為了增加可視性和美觀性，在塑料板做的圓盤表面覆蓋上一層白紙，用黑色記號筆標出各點以及如圖1所示的三條虛線，兩條為圓盤的直徑，另外一條為力的作用線。在圓心處穿過一個長柄螺絲作為轉軸，并用螺片與螺母前后固定圓盤，使其旋轉時不會左右擺動。將轉軸放置于自制的鐵架臺上，鐵架臺高度至少大于圓盤的半徑，同時也需要一定的寬度，這樣圓盤轉動起來既不會觸碰地面，也不會讓掛鉤觸碰到鐵架臺。

實驗前，首先要啟發學生，圓盤也是一個杠桿。它同樣具有杠桿的五個要素，當圓盤作為杠桿時，它的支點就是O點。實驗分為以下幾個步驟：

第一步，在B點處豎直懸掛100 g的砝碼，讓學生自己在G點處懸掛砝碼，如果將B點處的鉤碼重力看作動力的話，那么在G點處的鉤碼應該就是阻力。學生會發現在G點處掛的鉤碼大于100 g或者小于100 g都會讓圓盤旋轉起來。由此可以讓學生明白，如果掛上鉤碼圓盤靜止，說明杠桿處在平衡轉態，如果杠桿旋轉，則杠桿處于非平衡狀態，學生初步認識到圓盤杠桿的工作原理。

第二步，根據所學杠桿的平衡條件，學生能很容易回答出，如果在G點處懸掛一個100 g的鉤碼，圓盤將不再旋轉（杠桿平衡），此時如果提問：動力臂與阻力臂是什么？學生可以立刻在圓盤上讀出動力臂與阻力臂分別為OB與OG。

第三步，將鉤碼從OB換到OA，由于動力臂變為原來的二分之一，那么根據杠桿的平衡條件，動力需要變為原來的兩倍，當A處掛上200 g的鉤碼時，杠桿平衡，學生能快速回答出此時的動力臂為OA。

第四步，提問：如果將A點的200 g砝碼掛到C、D、E、F處，杠桿還能保持平衡嗎？由于之前關于力臂的概念掌握不牢固，有些學生會認為圓盤會旋轉，實驗證明圓盤并有旋轉。這時再提問，鉤碼掛在C、D、E、F時的力臂長短與鉤碼在A時的長短有沒有區別？因為明顯的實驗現象，學生會明白鉤碼掛在A、C、D、E、F時，力臂的長短是一樣的，即能夠明白力臂其實是支點到鉤碼重力作用線的距離。

在制作此教具過程中，筆者也遇到許多問題，并積極尋找解決方法。第一，雖然每個掛鉤的質量是一樣的，但是由于圓盤兩側裝的掛鉤數量不同，所以掛鉤上不放任何鉤碼時沒有辦法在圖1所示的情況下保持平衡狀態，所以筆者在G點背面粘了幾個螺母用來平衡圓盤另一側掛鉤的重力。第二，由于圓盤自身重力較大，轉軸對于鐵架臺的壓力也較大，由此帶來的系統摩擦力會變得很大。當杠桿兩端已經滿足杠桿平衡條件時，杠桿是傾斜的，無法在正確的位置保持平衡狀態。所以筆者把長柄螺絲（轉軸）兩側的螺紋用機械磨成光滑的，減小整個裝置的摩擦力。第三，因為圓盤較小，所以直接在E處掛鉤碼可能會讓鉤碼觸碰到下方A處的掛鉤，導致鉤碼是傾斜的，改變了力臂的大小，為此下方需要懸掛多個鉤碼，那么可以用線將掛鉤與鉤碼系在一起，從而避免這一問題。

由于學生對實驗是非常感興趣的，所以課堂反饋也很積極，同樣也產生了許多知識遷移。第一，學生一致認為圓盤狀的杠桿很新穎，在學生的前概念中，總是認為杠桿只是一個硬棒，現在竟然還能構造成一個圓盤。學生特別喜歡在測試前轉動轉盤，并且討論圓盤的平衡狀態是怎么樣的一種運動狀態。第二，有的學生發現在教具兩邊不懸掛任何物體的情況下，轉盤一定會回到某一位置，對此有的學生認為這是因為轉盤的質量分布不均勻，有的學生認為是左右兩側掛鉤的重力讓圓盤只有在某一位置才滿足杠桿的平衡條件。當然學生的說法都有一定的道理，從不同的角度出發，所得到的猜想也是不相同的。第三，接著第二點，有的學生就發現了圓盤背后的螺母片，由此提出問題：螺母片的質量是多少呢？對此，學生動手把圓盤上所有的掛鉤卸下來測量質量，根據杠桿的平衡條件，計算出螺母片的質量。

這種猜想和計算是很有意義的。學生能通過認識實驗裝置，自己動手操作，仔細體會教具的每個細節，豐富學習經歷，產生反思性、批判性思維，提升學習的畫面感和成就感。這表明只要教師開動腦筋，學生的深度學習是可以引導的，可操作的，也是有效果的。

參考文獻：

[1]尤小平.學歷案與深度學習[M].上海：華東師范大學出版社，2017.

[2]郭元祥.論深度教學：源起、基礎與理念[J].教育研究與實驗，2017（03）.

作者簡介：施俊濤（1996-），男，江蘇蘇州人，中學二級教師，從事物理教學與研究。