轉(zhuǎn)變觀念，指明方向
——“重力方向”的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

駱永炳

（浙江省杭州市余杭區(qū)仁和中學(xué)，浙江 杭州）

“物體為什么要下落”是浙教版《科學(xué)》七年級(jí)下冊(cè)第二章的內(nèi)容，它是科學(xué)課程中的重點(diǎn)。重力的學(xué)習(xí)在章節(jié)安排中起著承上啟下的作用，既是對(duì)前面章節(jié)“力的三要素”的鞏固和復(fù)習(xí)，又是為后面學(xué)習(xí)摩擦力、牛頓第一定律打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。尤其對(duì)學(xué)習(xí)物體的受力分析，起著至關(guān)重要的作用。

力是一個(gè)看不見、摸不著的事物，需要借助力的作用效果來感受力的存在。因此學(xué)習(xí)力的知識(shí)對(duì)學(xué)生而言會(huì)感覺很困難。所以在重力的學(xué)習(xí)中，就需要通過實(shí)驗(yàn)來幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)重力，了解重力的存在。實(shí)驗(yàn)也就成為研究重力方向必不可少的教學(xué)方式和手段。同樣，選擇合適的實(shí)驗(yàn)器材，成為探究重力方向的關(guān)鍵因素。

一、課堂教學(xué)，問題凸顯

為了上好這節(jié)課，我精心準(zhǔn)備了課堂教學(xué)設(shè)計(jì)，并以教科書中的活動(dòng)（書本P58頁圖2-51重力的方向）來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示。

課堂教學(xué)：

“我們知道力包含三個(gè)要素：力的大小、力的方向、力的作用點(diǎn)。重力作為其中的一種力，也肯定存在重力的方向，那重力的方向會(huì)是怎樣的呢？”于是我參考書上的活動(dòng)，將小球懸掛在鐵架臺(tái)的橫桿上，待小球靜止時(shí)，要求學(xué)生仔細(xì)觀察細(xì)線的位置（如圖1所示）。然后將鐵架臺(tái)傾斜一個(gè)角度，等小球靜止時(shí)，再次讓學(xué)生觀察細(xì)線的位置（如圖2所示）。

圖1

圖2

兩次活動(dòng)對(duì)比之后，學(xué)生都能得到一個(gè)結(jié)論，即兩次活動(dòng)中，細(xì)線的位置始終不變。

分析：在此活動(dòng)中，由于細(xì)線質(zhì)量很小，可忽略不計(jì)。小球在重力的作用下，使細(xì)線位置保持不變。由此可知，重力的方向應(yīng)與細(xì)線所在的方向一致。

經(jīng)過分析，有學(xué)生說，重力方向?yàn)椤柏Q直向下”，也有學(xué)生說，重力方向?yàn)椤按怪毕蛳隆?。各有各的答案，那究竟誰的答案正確呢？

于是我對(duì)“豎直方向”與“垂直方向”作了分析：

“垂直方向”是指物體與接觸面垂直的方向，“豎直方向”是指物體與水平面垂直的方向。而活動(dòng)中是以鐵架臺(tái)底座為參照，小球并沒有與鐵架臺(tái)的底座垂直，而是與水平地面垂直，即所謂的“豎直方向”。因此，我們說重力的方向?yàn)樨Q直向下。

通過講解分析，學(xué)生都表示認(rèn)可。于是我出示習(xí)題，想了解一下學(xué)生的掌握情況。如圖所示，請(qǐng)作圖3、圖4中物體所受重力的示意圖。

圖3

圖4

結(jié)果在作斜面上的物體的重力方向時(shí)，學(xué)生普遍都畫錯(cuò)，出現(xiàn)圖6中的情形。由此可知，學(xué)生對(duì)重力方向的判斷，掌握得并不好。那么問題到底出在哪里呢？

圖5

圖6

二、分析問題，查找原因

課堂中對(duì)重力方向進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)演示，也對(duì)重力方向進(jìn)行了分析說明，為什么學(xué)生依然搞不清楚重力方向呢？

課后，我也問了其他科學(xué)老師，發(fā)現(xiàn)他們也存在同樣的問題。于是我上網(wǎng)查閱相關(guān)資料，也與學(xué)生在課后進(jìn)行了溝通交流。結(jié)合學(xué)生的實(shí)際情況，進(jìn)行了課后反思，我認(rèn)為可能原因有以下幾個(gè)方面：

1.學(xué)生對(duì)概念混淆

“豎直方向”這個(gè)詞在初中科學(xué)中是第一次出現(xiàn)，學(xué)生不明白怎樣的方向才是“豎直方向”。查閱資料可知，“豎直方向”是指與水平方向相對(duì)立的方向，即與水平面垂直的方向。而“垂直方向”是指物體與接觸面垂直的方向。學(xué)生對(duì)這兩個(gè)方向的定義不明確，無法正確區(qū)分“豎直方向”與“垂直方向”，其實(shí)兩個(gè)概念中都有“垂直”的意思，只是參照對(duì)象不同。從范圍上講，“垂直方向”更廣，包括其中的“豎直方向”，而“豎直方向”僅僅只針對(duì)“水平面”而言。因此，在接觸面與水平面的方向一致時(shí)，豎直方向就等同于垂直方向，所以學(xué)生就會(huì)誤認(rèn)為豎直方向就是垂直方向。于是對(duì)于水平地面上的物體所受重力方向就容易判斷，而當(dāng)物體放在斜面上時(shí)，就會(huì)搞混淆。

2.學(xué)生思維定式

學(xué)生意識(shí)中存在已有的前概念，導(dǎo)致學(xué)生做題時(shí)會(huì)出現(xiàn)思維定式，即停留在原有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)中的概念。學(xué)生對(duì)“水平面”的認(rèn)識(shí)，還停留在小學(xué)時(shí)對(duì)水平面的認(rèn)識(shí)，即水平面就是水平地面或地平線。正由于這種思維在作怪，使得學(xué)生在分析重力方向時(shí)，總習(xí)慣性地把“地面”作為“水平面”，并以此為參照物判斷重力方向。愛因斯坦曾說過，教育的本質(zhì)就是打破學(xué)生原有的認(rèn)知觀念，并在此基礎(chǔ)上重新建立起新的認(rèn)知觀念。因此，作為教師就需要指出學(xué)生原有的錯(cuò)誤觀念，并要求轉(zhuǎn)變思維，重新正確認(rèn)識(shí)事物，形成新的觀念。

3.實(shí)驗(yàn)裝置中存在的問題

書本中的演示實(shí)驗(yàn)，僅存在一個(gè)“接觸面”——鐵架臺(tái)的底座為參照。而缺乏一個(gè)合理的“水平面”作為參照物。于是學(xué)生在判斷重力方向時(shí)，就只能選擇旁邊的桌面或者地面，作為所謂的“水平面”為參照。因此，當(dāng)所選擇的參照物——桌面不平整，或者地面為斜坡時(shí)，學(xué)生的判斷就會(huì)出錯(cuò)，甚至成為學(xué)生判斷重力方向的障礙和陷阱。所以要使學(xué)生能通過實(shí)驗(yàn)來認(rèn)識(shí)重力方向，就需要建立起一個(gè)合理、規(guī)范的“水平面”。

三、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，解決問題

為了能解決這個(gè)問題，我也嘗試著該改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置。我選擇桶裝飲用水的水桶作為實(shí)驗(yàn)器材，在水桶中加入適量的水，并在水桶口位置固定一根細(xì)線，細(xì)線的另一端系住一個(gè)小球。通過這幾個(gè)簡(jiǎn)單物品的組合，就形成演示重力方向的實(shí)驗(yàn)器材（如圖7所示）。在這套實(shí)驗(yàn)裝置中，我將桶內(nèi)水的液面作為“水平面”，水桶的底面模擬地面。其中選擇水面作為“水平面”的意圖在于：水是液體，具有流動(dòng)性，無論實(shí)驗(yàn)裝置如何傾斜，等桶內(nèi)的水保持靜止時(shí)，水面始終能保持水平，這樣就能在學(xué)生面前形成一個(gè)合理、規(guī)范的“水平面”作為參照，便于判斷重力的方向。

圖7

圖8

在實(shí)驗(yàn)演示時(shí)，只要將水桶傾斜一個(gè)角度，如圖8所示，可以發(fā)現(xiàn)細(xì)線方向始終與水平面方向垂直。即小球受到的重力方向始終豎直向下，而且與“地面方向”并不垂直。通過這個(gè)直觀的演示，學(xué)生也更容易認(rèn)識(shí)重力方向，也能很好地區(qū)分“豎直方向”與“垂直方向”。

之后我?guī)е灾频膶?shí)驗(yàn)器材，再次上了這個(gè)內(nèi)容的課。通過課堂的反饋，絕大多數(shù)學(xué)生都能很好地理解重力的方向?yàn)樨Q直向下。教學(xué)效果顯著，學(xué)生也學(xué)得更輕松。

實(shí)驗(yàn)裝置的局限與不足：

1.由于水桶本身的空間有限，水桶傾斜的角度也受到了限制，不能很好地演示任意情況下的重力方向。

2.實(shí)驗(yàn)中水桶內(nèi)水的量需要控制，同時(shí)由于水是無色透明的，作為演示實(shí)驗(yàn)，后排的學(xué)生不能清楚地觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。針對(duì)這個(gè)問題，可以將演示實(shí)驗(yàn)改為學(xué)生實(shí)驗(yàn)，用透明的玻璃瓶取代大水桶，再將水染上顏色。這樣實(shí)驗(yàn)效果會(huì)更明顯。

四、教學(xué)反思與總結(jié)

通過實(shí)驗(yàn)改進(jìn)教學(xué)，讓我從中學(xué)到了許多，也領(lǐng)悟到教學(xué)中自身需要改進(jìn)的地方。

對(duì)于科學(xué)中的概念和科學(xué)術(shù)語，在平時(shí)的教學(xué)中，需要向?qū)W生進(jìn)行合理的解釋說明，并盡可能引用生活事例進(jìn)行分析，幫助學(xué)生正確理解科學(xué)概念。

同時(shí)學(xué)生經(jīng)過小學(xué)科學(xué)的學(xué)習(xí)，已經(jīng)在腦海里形成一定的認(rèn)知觀念。在進(jìn)入初中學(xué)習(xí)過程中，他還會(huì)習(xí)慣性運(yùn)用已有的認(rèn)知觀念去認(rèn)識(shí)新事物。這時(shí)候作為教師，在教學(xué)前就應(yīng)該先了解學(xué)生已有的認(rèn)知觀，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行教學(xué)。引導(dǎo)學(xué)生打破已有的錯(cuò)誤觀念，建立起科學(xué)合理的新思維、新觀念。這是教師的職責(zé)，也是教育的本質(zhì)，只有不斷地去完善教學(xué)，提高自身能力，才能取得較大的成就，培養(yǎng)出優(yōu)秀的人才！