基于物理學科實踐的初中物理“力臂”概念教學策略探討

張步青

(丹陽市第三中學,江蘇鎮江 212300)

1 認識學科實踐

學科實踐是指具有學科特色的典型實踐,即學科專業共同體懷著共同的愿景與價值觀,運用該學科的概念、思想與工具,整合心理過程與操控技能,解決真實情境中的問題的一套典型做法.簡單說,學科實踐就是強調運用學科特有的方式學習,培養學科素養的過程.物理學科實踐是指讓學生在經歷真實的科學探究的過程中,解決真實情境問題.它指向物理學科核心素養,以培育人為目標.

目前,初中物理教學在新課程標準的引領下,逐漸由“一言堂”的傳統教學模式轉變為以學生“自主、合作、探究”的新型教學模式,教學方法也由知識傳授逐漸發展為指導探究,如蘇科版“力臂”概念的建立.

(1)利用如圖1所示簡易桿秤模擬稱物體質量的過程.然后提出問題:如圖2所示,分別在A、B兩點用彈簧測力計拉秤桿,讓秤桿平衡,兩個點需要的拉力大小一樣嗎?(2)如圖3所示,在B點用彈簧測力計分別沿豎直和傾斜的方向拉秤桿,讓秤桿平衡,兩次需要的拉力大小一樣嗎?問題1目的是讓學生認識到杠桿平衡與某個距離有關;問題2目的是讓學生體會到這個距離不是支點到力的作用點的距離,而是支點到力的作用線的垂直距離.

圖1

圖2

圖3

教師沒有直接給出力臂定義,而是通過兩次實驗對比,啟發學生理解力臂的概念.此設計仍未能引起學生足夠的興趣、激發學生的深層思維,依然停留于思維表層,游離于心靈之外,未能觸及教材、概念、規律背后的意義與價值.本文基于物理學科實踐理念提出力臂概念教學的策略,以更好地提高學生的物理核心素養,實現育人目標.

2 基于學生認知,設計認知沖突

“假如讓我把全部教育心理學僅僅歸結為一條原理的話,那么,我將一言以蔽之:影響學習的唯一重要因素就是學習者已經知道了什么.要探明這一點,并據此進行教學”——奧蘇貝爾(認知教育心理學家).學生在8年級已學習了二力平衡的相關知識,會誤認為物體平衡時僅是幾個力之間的關系.筆者根據學生這樣的認知,設計了活動1.

活動1.A、B哪段重些呢?

用細線拴住一端粗、一端細的實心胡蘿卜并懸掛起來,使其沿水平軸線方向靜止,如圖4所示;在拴線處沿豎直方向將胡蘿卜切成A、B兩段.A、B哪段重些呢?

圖4

班上49名學生,8個人選粗的,1個人選細的,40個人選一樣重.大部分學生認為胡蘿卜處于平衡狀態,所以兩邊是一樣重.實際測量:左邊152.3 g,右邊120 g,粗端更重.這是為什么呢?今天我們就來共同探究.筆者認為,教學要尊重學生的認知水平,此活動的設計建立在教師了解學生已有認知的基礎上,讓其在認知沖突中意識到杠桿平衡與二力平衡的不同,從而激發學生的探究欲望,啟發學生深度思考.

3 搭建進階路徑,形成科學概念

活動2.初步定義力臂,得出杠桿平衡條件.

第1步:猜想.讓桿秤在水平位置平衡,猜想桿秤平衡與什么因素有關?找一根帶刻度的直尺作為杠桿,懸掛鉤碼施加作用力,改變鉤碼的個數改變作用力的大小,改變鉤碼懸掛位置改變力的作用距離.桿秤在水平位置平衡,猜想桿秤平衡與什么因素有關?

筆者了解到學生小學的時候,學習過“平衡尺在什么情況下能夠保持平衡”.由于小學研究的要求較低,杠桿處于水平位置,杠桿上的力是通過懸掛鉤碼產生豎直向下拉力.實驗中,調節平衡尺,使其在水平位置平衡.在支點左側10 cm處掛2個鉤碼,分別在支點右側5 cm處需要掛4個鉤碼,10 cm處需要掛2個鉤碼,20 cm處需要掛1個鉤碼,才能使平衡尺平衡.實驗結論:距離支點越遠,保持平衡需要的鉤碼越少,即越省力.小學科學沒有力臂的定義,學生認為杠桿保持平衡與鉤碼數和支點的距離有關.我們尊重學生的起點,先默認杠桿保持平衡與支點到鉤碼懸掛點的距離有關并初步定義這個距離叫力臂.如圖5所示,把右邊掛的鉤碼產生豎直向下拉力稱為動力F1、左邊掛的鉤碼產生豎直向下拉力稱為阻力F2;OA為動力臂L1,OB為阻力臂L2.學生在小學科學學習基礎上,比較容易猜想到影響杠桿位置平衡的因素是動力F1、阻力F2、動力臂L1、阻力臂L2.

圖5

第2步:學生實驗.在水平位置平衡,動力F1、阻力F2、動力臂L1、阻力臂L2有什么關系?教師引導學生改變支點兩側的鉤碼位置和個數,讓杠桿在水平位置平衡.用同樣的方法做3次得到3組數據,將數據填入表1.

表1

第3步:數據分析.師生共同分析數據,歸納得出杠桿平衡條件:動力×動力臂=阻力×阻力臂,表達式為F1×L1=F2×L2.

活動2建立在學生小學科學的基礎上,符合學生認知水平.第1步,學生根據小學已有知識較易提出猜想.第2步的實驗和第3步數據分析,學生在經歷初中物理學科實踐的過程中能快速找到杠桿平衡的條件,此條件中的力臂概念雖然是有待修正的,但它符合人們由簡單到復雜的認知發展規律,這也將成為后續進階學習的起點.

活動3.探究什么是真正的力臂.

如圖6所示,在杠桿左邊離支點20 cm處,懸掛了1 N的鉤碼,在左邊離支點10 cm處,用彈簧測力計施加向右上的拉力,讓杠桿在水平位置平衡,拉力是多大?

圖6

第1步:理論計算.根據活動2歸納得出杠桿平衡條件:F1×L1=F2×L2,F1×10 cm=1 N×20 cm,可得F1=2 N.

第2步:實驗呈現.當揭開遮住彈簧測力計的紙片時,學生發現示數卻是4 N.

第3步:探究“真力臂”.學生自然產生“為什么結論不對?”“什么是真正的力臂?”的疑問.此設計中讓學生的原有觀念與現實情境有了矛盾,產生了認知沖突,學生思維受到了觸發,激發了學生學習興趣與好奇心,提出了新的研究問題.

“F1×L1=F2×L2,即動力×支點到動力作用點的距離=阻力×支點到阻力作用點的距離”的結論肯定是有瑕疵的,必須做修正.彈簧測力計的拉力是4 N,那么拉力對應的動力臂應該是5 cm才行.那么這個5 cm在哪呢?或者說如何才能湊到5 cm呢?學生作圖發現:拉力與水平方向成30°角,在直角三角形中30°角對應的直角邊是斜邊10 cm的一半5 cm,如圖7所示.這個5 cm的距離應該是動力臂,動力臂應該是支點到動力作用線的垂直距離,而不是支點到動力作用點的距離,對力臂的定義進行了再創造.

圖7

第4步:學后反思.問題是“為何力臂定義為支點到作用點的距離,活動2的實驗結論也能成立呢?”學生通過作圖,發現杠桿在水平位置平衡且兩個力F1和F2沿豎直方向時,支點到力作用點的距離=支點到力的作用線的距離.活動2的結論只是活動3結論的特例.

活動2引出進階的起點“假力臂”.活動3是進階的路徑:其中第1、2步引起進階的興趣;第3步是進階的探究;第4步是進階后的反思.學生經過探究自主建構了正確概念,達到了進階的終點“真力臂”,搭建的進階路徑如圖8所示.通過活動3的沖突,用新證據來沖擊學生的前概念,迫使他們放棄或者修正,發展定義,再設計情境來考驗學生,達成核心概念的轉變.力臂的誕生過程,就是科學發現、科學進化的過程,進而從前概念轉變為科學概念,用物理學科的內涵方式來培養學生的關鍵能力和必備品格,讓學生在發現中長大.

圖8

4 利用模型建構,解決真實問題

物理模型建構作為一種重要的科學方法,是物理教學中重要的教學內容.學生通過物理模型建構簡化問題,抓住主要矛盾,解決實際問題.師生通過將實心胡蘿卜建構成杠桿模型,分析杠桿的五要素,將實際問題轉化為杠桿問題.根據解決真實問題的學習證據,我們可以判斷學生能否完成學習任務、完成到什么程度,還有什么問題.解決真實問題后如果與學生進行一次交流,更有利于我們了解學情,改進教與學.在這個過程中,學生的抽象思維、邏輯思維、數學技能等模型建構要素都得到了充分的提升,從而促進其科學素養的培養.

活動4.討論胡蘿卜懸掛平衡,在懸掛處一刀分為兩段,為何粗段重呢?

師生共同討論,將懸掛的實心胡蘿卜視為一個杠桿,如圖9所示,可以作出杠桿的五要素,根據杠桿的平衡條件分析GA與GB大小.支點在懸掛點O,設左邊部分重為GA,重心在C'處,力臂為OC,右邊部分重為GB,重心在D'處,力臂為OD,因OC＜OD,根據杠桿平衡條件:GA·OC=GB·OD,所以,GA大于GB,所以A段較重.教學中C'、D'的確認是難點,教師可以引導學生討論,分別將胡蘿卜的A、B兩段用細線拴住懸掛起來,使其沿水平軸線方向靜止,來確定重心C'、D'.

圖9

5 實施初中物理學科實踐的思考

杜威講過教育就是經驗的喚醒、重組和生長.上述設計中筆者用物理學科實踐的方式進行力臂概念的教學,始終基于學生的認知發展水平進行設計,先認可學生小學時的認知,對原有的經驗進行喚醒.教師設計實驗讓學生發現對力臂原有的認識解決不了現在的問題,有沖突之后學生產生了疑問,再通過推理、創新、歸納、模型建構進行力臂的概念的重組和生長,形成了力臂的新定義.這個定義具有的內涵不是教師灌輸的,而是教師通過組織、引領,在解決真實問題的情景中,學生自己誕生和創造的.

“知識+實踐=素養”,只有將學生學科的學習轉化為學科實踐,才有可能發展學生的學科素養.筆者在物理學科實踐中運用以下3個策略:(1)基于學生認知,設計認知沖突;(2)搭建進階路徑,形成科學概念;(3)利用模型建構,解決真實問題.這些策略讓學生在學科實踐中有了深深的情感投入,觸及心靈,學得進.有了深深的認知投入,有質疑、有推理、有創新,想得透.有了深深的態度投入,通過模型建構,解決了實際的問題,用得出.這樣的學科實踐讓學生像學科專家一樣思考與實踐,學生插上了核心素養的翅膀,增強了成長的動力,學生更加具有理性和判斷力,逐步成為了一個獨立的真正的人.