自制實驗教具 凸顯科學探究①
——以“杠桿”教學為例

(重慶市巫溪縣城廂中學校,重慶 巫溪 405800)

《義務教育物理課程標準(2011年版)》指出:科學探究既是學生的學習目標,又是重要的教學方式。將科學探究列入課程內容,旨在讓學生經歷與科學工作者相似的探究過程,主動獲取物理知識,領悟科學探究方法,發展科學探究能力,體驗科學探究的樂趣,養成實事求是的科學態度和敢于創新的科學精神。[1]實驗是“科學探究”的重要內容,學生在實驗的過程中發展提出問題、猜想假設、獲取數據、分析論證等科學探究能力,并掌握分析、綜合、比較、分類、抽象、概括、推理、類比等思維方法。而在實際教學中,往往由于實驗器材等的限制,使得部分實驗無法達到應有的效果,這就需要教師開動腦筋、因地制宜,尋找更加科學合理的方式,以滿足學生探究性學習的需求,培養學生的科學探究能力。筆者針對“杠桿”教學中存在的兩個疑難問題,利用自制的實驗教具,凸顯科學探究的過程,取得較好的教學效果。

1 探究“杠桿平衡條件”的數據采集

1.1 問題的提出

在“探究杠桿的平衡條件”的實驗中,教材采用如圖1a所示的實驗裝置,通過調節杠桿兩端的螺母,使杠桿在水平位置保持平衡,然后在杠桿兩側掛上不同數量的鉤碼,并移動鉤碼的位置,使杠桿重新在水平位置平衡,記錄下相應的數據,通過多次實驗歸納得出杠桿平衡條件。

圖1

事實上，杠桿平衡是有多種可能性的,如杠桿既可在水平位置平衡,也可以在非水平位置平衡(圖1b)。即使在水平位置平衡,其動力和阻力的方向可以沿豎直方向,也可以沿傾斜方向(圖1c)。本實驗由于器材的限制,只能獲取到杠桿在水平位置平衡且動力和阻力都沿豎直方向的實驗數據,所獲取的數據具有特殊性,不能反映出更普遍的規律,也不利于學生理性思維的發展。而要提高不完全歸納法所得結論的可靠性,就需要盡可能擴大研究對象的范圍,找到其在各種不同情況下都具有的某種規律,那么結論的可靠性就會提高。[2]

對于圖1b和圖1c情形,動力和阻力的大小測量較方便,而動力臂和阻力臂的測量比較困難。學生利用米尺將力的作用線延長,然后用直角三角板找到支點到力的作用線的垂線段,并用刻度尺量出其長度。由于需要的儀器較多,操作較繁瑣,很難讓學生在課堂上實際測量,為了解決這個問題,教學中利用生活的廢舊物品制作了“力臂測量儀”。

1.2 制作材料

三支廢舊圓珠筆芯、兩顆鐵釘(直徑剛好等于圓珠筆芯的內徑,并去掉釘頭)、刻度尺、直角三角板、502膠水、雙面膠、小刀、硬紙殼。

1.3 制作過程

先將三支筆芯用鐵釘連接,并在連接處涂一點502膠水,使連接處不會松動;然后將硬紙殼裁成所需要的形狀,并將一端折疊,折疊處包裹住筆芯,使硬紙殼能在筆芯上左右滑動;再用雙面膠將折疊處固定,并在折板上標注刻度,一個低成本的力臂測量儀就制作完成了。

1.4 教學應用

(1) 首先采用教材上的探究方案,引導學生探究杠桿在水平位置平衡時應滿足的條件。為了使學生快速獲得多組數據并順利發現規律,可引導學生在記錄杠桿第一次平衡時的數據之后,保持一邊不變,只改變另一邊的鉤碼數量和所掛的位置,使杠桿再次平衡并記錄數據。這樣學生能夠體會到鉤碼少就要掛在離支點遠一些的位置,鉤碼多就要掛在離支點近一些的位置,體會力和力臂都對杠桿平衡起到作用,就能順利發現杠桿的平衡條件。

(2) 接下來通過問題引導學生對所得出的規律進行評估，并提出自己的想法。

問題1:杠桿平衡的實際情況有哪些?我們的實驗數據能代表更普遍的情況嗎?

問題2:為了使實驗結論更具說服力,還需要對哪些情況進行研究?說說你的設想。

問題3:當力與杠桿不垂直的時候,力臂還能直接在杠桿上讀取嗎?

圖2

當學生想要探究更多不同情況下杠桿的平衡情況時,會發現此時力臂測量較困難；這時老師拿出自制的“力臂測量儀”,介紹其結構，讓學生研究使用方法,然后讓學生動手操作(圖2),獲取在不同情況下的實驗數據,發現共有的規律,使實驗結論更具說服力。

2 最小動力的確定及其分析

2.1 問題的提出

“杠桿”的教學大體上有三部分：分別是“認識杠桿”“探究杠桿的平衡條件”“生活中的杠桿”。在“生活中的杠桿”教學環節,通常要分析動態變化過程中力臂的變化并解決相關問題,此時經常會出現要畫出使杠桿平衡的最小動力的示意圖。

對于這類問題,老師們經常采用的方式是依次畫出向左傾斜、與杠桿垂直、向右傾斜的力F1、F2、F3,并畫出這三個力對應的力臂L1、L2、L3，然后通過相關數學知識分析出F2的力臂L2最長,從而得出F2就是要找的最小動力。顯然，這種分析方式比較抽象,學生難以理解。為了降低學生對這類問題的理解難度,使過程分析更明晰、更形象,同時將動力隨動力臂變化的漸變過程呈現出來,幫助學生建構動態的過程模型,可以利用相關材料制作一個“杠桿動態變化演示儀”。

由經過循證護理理論學習與實踐的2名評價者依據納入、排除標準獨立進行文獻篩選、信息提取，并交叉核對，如遇分歧，討論或咨詢第3方。提取的信息主要包括：①研究基本信息，即作者及聯系方式、發表年份、發表期刊、研究地點；②研究對象基本特征，即樣本量、年齡、性別、病程、肩手綜合征分期；③干預措施具體細節，即中藥方劑組成、浸泡溫度、交替次數、治療周期及時長；④關注的結局指標及其測量結果。

2.2 制作材料

移動式支架(網購)、杠桿、紅色布條(長50cm)、白色木工板(長70cm、寬40cm)、記號筆、螺絲刀、雙面膠等。

2.3 制作過程

(1) 先對實驗室的杠桿進行改裝,即在杠桿右端離支點20cm的A點裝上一顆螺絲,栓上細繩。

(2) 在木板中間位置鉆一個直徑為6mm的孔,安上杠桿支撐桿(O點),并在右端離支點20cm的A點也裝上一顆螺絲,用紅布條繞在這兩點之間,另一端繞過螺絲并系上配重,使布條繃直。

(3) 在杠桿和木板的A點貼上用白紙裁剪好的量角器,以便于觀察角度的大小。

(4) 在紅布條從O點出來的一端貼上用白紙剪好的20cm長的紙條,便于直接顯示力臂的長度。

(5) 在木板上以OA為直徑畫圓,并在不同的角度用釘子釘個孔,并將所有器材組裝到位(圖3)。

圖3

2.4 教學應用

(1) 提出問題

在探究杠桿平衡條件的實驗中,不改變阻力和阻力臂的大小,動力作用的位置也不改變,只改變動力的方向(圖4),杠桿平衡所需動力的大小一樣嗎?如果不同,會有怎樣的變化?

圖4

猜想1：動力的方向變化引起動力臂的變化,使杠桿平衡所需動力的大小也會變化,從左往右會逐漸變大;

猜想2：會變化,從左往右會先變大后變小;

猜想3：會變化,從左往右會先變小后變大。

(3) 實驗驗證

用“杠桿動態變化演示儀”可以研究這個問題。根據實驗獲得的數據，畫出圖5所示的圖像，檢驗同學們猜測的正確性。

圖5

(4) 建模分析

根據上面的數據分析發現,動力與OA的角度逐漸變大時,動力臂先變大后變小,杠桿平衡所需的動力則是先變小后變大；同時還發現,當動力的方向與OA垂直時的動力臂最大,此時的動力最小。接著教師引導學生用所學知識來解釋其中的道理。

解釋1:不同方向對應的力臂相當于圓的弦長,當動力與OA垂直時,力臂相當于圓的直徑,圓里面所有的弦中直徑最長(圖6a)，所以有上述結論。

圖6

解釋2:不同方向對應的力臂與垂直時的力臂恰好相當于一個直角三角形的直角邊和斜邊,直角邊肯定小于斜邊(圖6b)，所以有上述結論。

3 結語

課堂的核心是思維,物理的基礎是實驗。做好課堂演示實驗和探究實驗,是突出教學重點、突破教學難點的有效方法。在教學過程中要善于發現問題,發揮創造性,利用創新的實驗教具揭示相關的物理規律,凸顯物理學科本質,凸顯科學探究特點,使思維具象化、可視化,從而化解教學難點。