以問題激發思考 借探究實現成長
——蘇科版物理九（上）“杠桿”教學與反思

■董伏勇

本節課是蘇科版物理教材九年級上冊第十一章第一節內容，根據課程標準的要求，通過實驗，探究并了解杠桿的平衡條件。在教學中，教師應將知識問題化，以問題驅動學生思考，引導學生應用已有的物理知識和方法進行自主探究。本節課具體通過九個邏輯嚴密、層層遞進、逐級深化的問題串設置，驅動學生思考、討論和探究。學生在探究中將問題一一解決，從而找出本節學習和解決實際問題的核心策略，實現學習目標的有效達成，促進思維發展，提升科學素養。

一、課堂實錄

【探討1】

學生活動：選擇合適的工具把瓶蓋撬開（如圖1），在活動中尋找不同的方法并找到方便、省力的方法。

圖1

師：這些工具本身有什么共同的物理屬性？

生：硬度都比較大，都是硬棒。

師：使用這類工具時，施加力的目的是什么？

生：使它繞固定點轉動。

師：施加力就一定能使它轉動嗎？為什么？

生：不一定，因為有阻力。

師：你能說出這些工具在使用時的共同特征嗎？

生：在力的作用下，能繞固定點轉動。

［設計意圖］學生通過使用這些工具進行活動，總結出這些工具在使用過程中的共同特征。設計本環節的目的是讓學生自主構建杠桿模型，同時自主定義什么是杠桿，讓學生在學習過程中先認識杠桿五要素里的三個要素：支點O、動力F1、阻力F2。

【探討2】

師：剛剛你在使用杠桿時，使杠桿勻速轉動或靜止，我們就認為杠桿處于平衡狀態。請你畫出在使用杠桿時的動力和阻力。

學生畫出圖形（如圖2）。

圖2

師：根據你所畫的圖，你能從力的三要素角度說出動力和阻力的特點嗎？

生：受力物體都是杠桿，動力使杠桿轉動，阻力阻礙杠桿轉動。它們使杠桿轉動的效果相反。

師：動力和阻力大小關系呢？

生：未撬開瓶蓋時動力小于阻力，撬開瓶蓋時動力大于阻力，所以都有可能。

［設計意圖］學生畫出動力和阻力之后，再自主分析力的三要素，能夠生成動力和阻力的受力物體都是杠桿，作用點都在杠桿上，以及從杠桿平衡角度分析出動力與阻力的方向和對杠桿的作用效果是相反的，為接下來的實驗探究做好知識鋪墊。通過生活實例，學生發現動力和阻力在不同狀態時的大小關系，產生探究問題的興趣。

【探討3】

師：杠桿在平衡時，你怎樣比較動力與阻力的大小關系？

生：讓阻力不變，改變動力，比較動力與阻力的大小關系。

師：你準備如何改變動力呢？

生：改變動力的作用點或者方向。

學生根據設計的方案（如圖3），進行實驗操作，杠桿平衡時，測出并記錄每個鉤碼的重力、阻力的作用點到支點O的距離、動力的作用點到支點O的距離以及動力的大小。

圖3

師：分析數據，你發現動力和阻力大小有什么關系嗎？你能根據動力和阻力的大小關系對杠桿分類嗎？

生：動力可以小于、等于、大于阻力，按照動力與阻力的大小關系可以將杠桿分為省力杠桿、等力杠桿、費力杠桿。

師：你能找出杠桿省力、等力、費力的原因嗎？

生：應該是受到動力的作用點到O點距離的影響。

師：那F1′、F2′、F3′的作用點到O點距離相同，可為什么大小不同呢？

生：……

［設計意圖］學生通過實驗，分析數據，得到動力可以大于、等于、小于阻力。同時，學生初步發現造成動力與阻力大小變化的原因在于動力作用點到支點的距離。如阻力作用點到支點的距離與F2′作用點到支點的距離相等，則F2′等于阻力大小，此時類似于托盤天平，符合學生的原有認知。而教師的及時追問又引起學生的認知矛盾與好奇心：對呀！F1′、F2′、F3′的作用點到支點O的距離相同，可為什么它們大小不同呢？動力與阻力的大小關系究竟和什么因素有關呢？值得研究！

【探討4】

師：動力與阻力的大小關系究竟與什么因素有關呢？

生：與支點到動力（阻力）作用線的距離有關。

［設計意圖］教師引導學生通過分析數據，自主發現支點到動力作用點的距離不同，動力F2′、F4′、F5′大小也不同。那么動力的大小究竟與什么因素有關呢？通過觀察圖3，并結合數學知識，很多學生會聯想到與支點到動力所在的直線距離有關。在此基礎上，教師引導學生畫出這個距離（如圖4），測出并記錄支點O到阻力作用線的距離、阻力的大小、支點O到拉力作用線的距離、拉力的大小。

圖4

分析實驗數據可以發現，在阻力和支點到阻力作用線距離不變時，支點到動力作用線距離越大，動力越小。學生根據圖4，自然地將支點到動力作用線的距離定義為動力臂l1。

保持右邊的彈簧測力計豎直向下，拉力大小與作用點都不變，將左邊的鉤碼也換成彈簧測力計，再重復上述實驗，使杠桿平衡，測量并記錄支點O到左邊阻力作用線的距離和左邊阻力的大小。

學生根據畫圖，也自然地把支點到阻力作用線的距離定義為阻力臂l2。

師生通過觀察分析實驗數據，最終得出動力與阻力的大小關系與動力臂和阻力臂有關，在此基礎上總結出杠桿五要素：支點O、動力F1、阻力F2、動力臂l1、阻力臂l2以及為杠桿的分類進行更名——省力杠桿、等臂杠桿和費力杠桿。

學生通過對比實驗數據和觀察圖形，直觀而自主地發現每次實驗共同的特點是改變了支點到力作用線的距離，從而得出定義動力臂和阻力臂的重要性、必要性和科學性。同時學生了解了動力和阻力的大小關系受到動力臂和阻力臂大小的影響，以及它們之間的定性關系。從定性關系再到定量關系探究，知識層次遞進分明，把杠桿平衡探究的難度進行有梯度的分解，符合學生的認知。

【探討5】

師：杠桿平衡時，動力、阻力與動力臂、阻力臂有什么具體的數量關系？

生：動力乘以動力臂等于阻力乘以阻力臂。

［設計意圖］學生分析以上實驗數據，作用力為F2′時，等臂杠桿的數據相對直觀，應用以前用實驗數據表示物理意義的方法，易于得到F2′×L2=阻力×阻力臂或

【探討6】

師：如何進一步驗證你的想法？

生：每次實驗在前一次基礎上只改變F2、l1、l2中的某一個量，再用彈簧測力計測出對應的F1。

［設計意圖］學生嘗試進行實驗，發現力的大小可以根據力臂與力的作用線垂直的關系，通過彈簧測力計測量，但同時發現力臂比較難測量。

【探討7】

師：這個實驗的難點在哪里？你準備用什么辦法解決？

生：難點在于力臂很難測量。若讓杠桿在水平位置平衡，彈簧測力計沿豎直方向拉杠桿，則力臂與杠桿重合，可以直接測量這段杠桿的長度。

師：結合托盤天平的使用方法，在實驗前，是否要調節杠桿在水平位置平衡？

生：實驗前需要調節杠桿在水平位置平衡，避免杠桿自身重力對后續實驗中杠桿平衡產生影響。

師：若實驗時彈簧測力計不沿豎直方向拉杠桿，F1l1=F2l2能否成立？你能否設計實驗驗證？

［設計意圖］教師通過提問，驅動學生嘗試實驗創新。學生斜拉彈簧測力計，一次次測量力臂“失敗”后，通過小組交流，結合數學知識，提出若拉力作用線是某個圓的切線，則只要連接圓心與切點（半徑），再用直尺測量這個半徑的長度，即為力臂大小。于是設計出模型：在支點處固定一個豎直圓盤，并貼上以支點為圓心的多個同心圓的白紙，再在彈簧測力計軸線方向上固定一個激光筆（如圖5、圖6），以便直觀地看到力的作用線與圓相切，從而突破彈簧測力計不沿豎直方向拉住杠桿時的力臂測量問題。

圖5

圖6

通過實驗探究得到杠桿平衡時，動力、阻力與動力臂、阻力臂具體數量關系是F1l1=F2l2。此時再把以上實驗數據分別代入杠桿平衡關系式，發現在誤差允許的范圍內，動力×動力臂=阻力×阻力臂都成立，這個結論是科學的、嚴謹的。同時進一步分析省力杠桿、等臂杠桿、費力杠桿的根本區別在于動力臂與阻力臂之間的大小關系：當l1>l2時，動力小于阻力，杠桿為省力杠桿；當l1

【探討8】

師：在“撬瓶蓋”活動中你使用的工具屬于哪一類杠桿？你是怎么判斷的？

生：省力杠桿。通過畫杠桿五要素圖，比較出l1>l2，再根據杠桿平衡條件，可以得出是省力杠桿。

師：那么怎樣撬瓶蓋更省力呢？你準備怎么做？

生：增大動力臂。根據杠桿平衡條件，在阻力和阻力臂不變時，動力臂越大，動力越小。

［設計意圖］這時引導學生分析圖4作用在A點的三個力F1′、F2′、F3′，依據杠桿平衡條件，杠桿在圖中位置平衡時，阻力和阻力臂不變，動力臂最大，動力最小。支點與動力作用點連線最長就是最大動力臂，從而知道三個力中最小動力是F2′。

【探討9】

師：你認為解決有關杠桿實際問題的核心策略是什么？

生：辨別杠桿五要素并畫出杠桿圖，利用杠桿平衡條件解決實際問題。

［設計意圖］生活中，為了達到不同的目的，往往需要選擇不同類型的杠桿，這就要求選擇者必須會對杠桿進行分類并了解不同類型杠桿的使用特點。同時，我們在使用不同類型杠桿的過程中，需要知道怎樣使用才能實現此杠桿給工作帶來的最大成效。在探尋這些實際問題的解決策略時，都需要先進行杠桿五要素的判斷和圖示，然后結合杠桿平衡條件進行針對性分析，從而找到解決問題的有效策略。綜上所述，解決有關杠桿實際問題的核心策略就是“杠桿五要素的判斷和圖示”。

二、教學反思

教師基于課程標準，深度備課；聯系教學實際，深思精問，注重問題間的邏輯性和遞進性；創設真實情境，提出問題，有助于學生為了解決實際問題主動學習，獨立思考，大膽設計，敢于創新。學生在探究杠桿平衡條件的過程中，通過與學生“交流”的形式，創造輕松的氛圍，引發學生主動地思考問題，尋找解決問題的方法，并主動動手去做，發揮學生內在潛能和自主創新能力，同時培養學生嚴肅認真、實事求是的科學態度，真正體現了物理學科的“生活·物理·社會”的自然科學味道，促進學生思維生長，在“自我探究”的過程中完成“自我提升”。

本節知識首先建立杠桿概念，認識杠桿模型，其次探究杠桿平衡條件。若以傳統的教學方式進行本節課的教學，學生會被動地記憶知識，無助于物理核心素養在課堂教學中“生根發芽”?；诖耍P者以“學生生活中使用不同工具撬動瓶蓋”這個情境引入，設計層層遞進的問題，不斷激發學生主動思考，讓學生帶著疑問和好奇，自主制訂實驗方案，通過探究解決每一個問題，最終自主歸納總結出物理規律，并運用物理規律解決實際問題。“以問題激發思考，借探究實現成長”的課堂教學為學生提供一種融洽和諧的學習氛圍，注重培養學生知識獲得的過程與方法，并且使學生能夠更加積極地參與到物理學習中。教學過程符合知識呈現的邏輯順序和學生的認知規律，幫助學生實現了“懂、會、悟”的三級學習進階。

當然，這節課的探究過程還有不足的地方：應該讓學生列舉生活中還有哪些地方使用了杠桿，這些杠桿為我們帶來了哪些方便，這樣更有利于學生構建杠桿模型，并學會使用杠桿；在探究杠桿平衡條件時，有少許學生沒有調節杠桿在水平位置平衡，在此過程中，與學生交流討論不足，沒有很好地引導學生解決此類問題。這些都需要筆者在今后的教學過程中努力完善。