試談托盤天平教學(xué)的新思路

石堯 陳曉陸 張迎杰

摘 要：針對托盤天平在初中物理教學(xué)中存在的癥結(jié)，以教育重演論為教學(xué)設(shè)計的理論基礎(chǔ)，采用重演托盤天平發(fā)明及改進(jìn)過程中關(guān)鍵環(huán)節(jié)的教學(xué)思路，對托盤天平的教學(xué)流程進(jìn)行了重構(gòu).

關(guān)鍵詞：托盤天平；教育重演；過程教學(xué)；教學(xué)思路

一、提出問題

托盤天平作為初中物理引入最早、復(fù)雜程度最高的實(shí)驗(yàn)儀器，歷來都是教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn).關(guān)顧當(dāng)前“托盤天平”的教學(xué)，一般存有兩種典型的教學(xué)方式，一是教師結(jié)合多媒體中的天平構(gòu)造圖，為學(xué)生闡述每個構(gòu)件的名稱與作用；二是教師讓學(xué)生閱讀書本相關(guān)內(nèi)容，然后就學(xué)生提出的疑惑予以解答，抑或用提問的形式幫助學(xué)生夯實(shí)天平構(gòu)件的作用.然而實(shí)際教學(xué)卻表明，這兩種方式的效果均不明顯，只能導(dǎo)致學(xué)生對天平構(gòu)件的“死記硬背”，徒增認(rèn)知負(fù)荷.

概而言之，前者囿于“教師中心論”的桎梏，忽視了學(xué)生的主觀能動性，使學(xué)生只能被動地接受教師的灌輸；后者采用“教師解惑”的方式則深陷“學(xué)生中心論”的泥淖，過分夸大了學(xué)生的主觀能動性，有礙學(xué)生獲得系統(tǒng)的知識，致使教學(xué)失之功利；而“教師提問”的方式看似是教師在引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)，但由于提問內(nèi)容只能引起簡單的聯(lián)結(jié)式反應(yīng)，根本無法調(diào)動學(xué)生的高階思維，因而也不可能取得預(yù)想的效果.于是如何使學(xué)生徹底理解并牢記托盤天平各構(gòu)件的功能，就成為了物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中亟待解決的要務(wù).

歷經(jīng)思忖，我們認(rèn)為上述癥結(jié)的產(chǎn)生濫觴于教學(xué)中對物理知識來龍去脈的漠然處之，忽視了學(xué)生對知識形成過程的體驗(yàn)，進(jìn)而嚴(yán)重束縛了學(xué)生的思維，泯滅了其創(chuàng)造力，顯然與培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的教學(xué)目標(biāo)背道而馳.

二、凸顯過程的托盤天平教學(xué)思路

（一）理論基礎(chǔ)

澳大利亞學(xué)者斯威勒將阻礙學(xué)生學(xué)習(xí)的認(rèn)知負(fù)荷分成內(nèi)部認(rèn)知負(fù)荷和外部認(rèn)知負(fù)荷兩類.內(nèi)部認(rèn)知負(fù)荷取決于學(xué)習(xí)材料與學(xué)習(xí)者專業(yè)知識之間的交互程度；外部認(rèn)知負(fù)荷則由教學(xué)設(shè)計不當(dāng)而引起，直接受控于教學(xué)的設(shè)計者[1].由此可見，若要降低學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷，促成有意義學(xué)習(xí)的發(fā)生，在教學(xué)過程中就應(yīng)該盡可能地使教學(xué)設(shè)計契合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律.就本節(jié)教學(xué)而論，天平各組件的介紹不應(yīng)以并行羅列的方式呈現(xiàn)給學(xué)生，而應(yīng)遵循一定的邏輯順序，由此才能輔助學(xué)生大腦進(jìn)行組織編碼，將凌亂而紛雜的構(gòu)件有條理地串接起來，形成系統(tǒng)的認(rèn)知結(jié)構(gòu).那么究竟以何種邏輯順序展開托盤天平的教學(xué)呢？這里，教育重演論為我們提供了可資鏡鑒的寶貴啟示.

教育重演論將現(xiàn)代學(xué)生的學(xué)習(xí)過程看作是對人類文化發(fā)展過程的一種認(rèn)知意義上的重演，學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)科學(xué)知識過程中所遇到的困難往往是人類在科學(xué)研究過程中需要長時間累積、消化的突破點(diǎn)[2].進(jìn)一步將教育重演論與物理教學(xué)實(shí)際相結(jié)合，理想的物理教育便應(yīng)該是以濃縮的時空和必然的形式，再現(xiàn)物理知識、實(shí)驗(yàn)儀器在形成過程中遇到的關(guān)鍵問題，從而幫助學(xué)生突破思維障礙，汲取前人智慧.鑒于此，我們結(jié)合教育重演論的思想精髓，以天平發(fā)展歷程為縱軸主線，以追求精密測量為橫向鋪墊，對本節(jié)課的教學(xué)流程進(jìn)行了重構(gòu).

（二）教學(xué)流程

1.蹺蹺板：天平雛形

回溯世界發(fā)明史，各種發(fā)明創(chuàng)造或多或少都是從某種事物的性能或特性中得到啟發(fā)的原型，從而取得成功的.眾所周知，托盤天平的實(shí)質(zhì)是一個等臂杠桿，因此相應(yīng)教學(xué)就要以生活中常見的等臂杠桿為邏輯起點(diǎn).在此，我們選擇了平時孩子們娛樂所用的蹺蹺板為構(gòu)建托盤天平的原型.首先，教師著力為學(xué)生夯實(shí)蹺蹺板水平的意義，在蹺蹺板兩側(cè)距支點(diǎn)O相等的位置分別放置重物，質(zhì)量大的一側(cè)會下沉；而當(dāng)兩端物體質(zhì)量相等時，則會出現(xiàn)蹺蹺板水平的現(xiàn)象，這種“相等”關(guān)系的出現(xiàn)可以幫助我們衡量物體質(zhì)量的大小，即如果知道一側(cè)物體的質(zhì)量，就可以通過“相等”的關(guān)系，得出另一側(cè)物體的質(zhì)量.從而揭示蹺蹺板中蘊(yùn)藏的測量功能.

2.托盤：盛裝物體

在充分明確蹺蹺板的測量功能，成功建構(gòu)出托盤天平的雛形后.教師可繼續(xù)發(fā)問，將蹺蹺板作為測量物體質(zhì)量的工具，將會遇到一個棘手的問題，蓋因蹺蹺板只有一根橫梁，放置其上的物體會由于重心不穩(wěn)等原因而傾倒.同時由于放置位置、物體重心位置等因素的影響，亦會造成“杠桿”看似等臂，實(shí)則并非等臂的窘境.那么該如何破解這些疑難呢？繼而引導(dǎo)學(xué)生提出“引入托盤這種構(gòu)件”來解決上述問題，這是因?yàn)椤巴斜P”在使物體穩(wěn)定放置的同時，相應(yīng)承接托盤的支架還使得橫梁受力更為均勻、集中，并間接確定了兩端的力臂長短，使“蹺蹺板”成為了名副其實(shí)的等臂杠桿，由此對物體質(zhì)量的測量也變得更為精密.

3.砝碼：以碼衡物

但是隨后一個新的問題又出現(xiàn)了，用實(shí)物質(zhì)量衡量物體質(zhì)量存有諸多不便，如不方便攜帶，實(shí)物質(zhì)量不唯一確定等.于是為確定測量標(biāo)準(zhǔn)，可采取“替代”的方法，用較重的金屬塊替換相應(yīng)實(shí)物，從而誕生出金屬制砝碼的雛形，但這種仿形砝碼沒有具體的數(shù)量值，而是代以相應(yīng)的實(shí)物名稱，如雞、羊、牛等，因而難以直接量化比較與數(shù)量加成.接下來，為完成定性向定量的轉(zhuǎn)變及加深“標(biāo)準(zhǔn)”的感覺，砝碼又逐漸演變?yōu)橘|(zhì)量元器的模樣，并參照貨幣面值的分配形式，對砝碼規(guī)格予以明確界定.最終使砝碼成為了質(zhì)量量值傳遞的量具，進(jìn)一步精確了天平的測量結(jié)果.

4.分度盤與指針：判斷平衡

眾所周知，能夠準(zhǔn)確稱量的關(guān)鍵在于蹺蹺板能否水平平衡，然而由于人眼的局限，難以分辨微小的形變，因此如何更為準(zhǔn)確地判斷蹺蹺板水平自然就成為了下一個有待解決的問題.于是教師藉此發(fā)問：有什么方法能夠幫助我們更為精確地觀測蹺蹺板是否水平平衡呢？并借機(jī)向?qū)W生介紹“轉(zhuǎn)換法”.所謂“轉(zhuǎn)換法”，是指在保證效果相同的前提下，將不易觀察的現(xiàn)象轉(zhuǎn)換成易于觀察的現(xiàn)象，將難以測量的物理量轉(zhuǎn)換為能夠測量的物理量的方法.由此帶領(lǐng)學(xué)生在蹺蹺板上植入指針與分度盤這套裝置，由指針的偏轉(zhuǎn)方向來表征托盤天平中物體質(zhì)量的孰大孰小，而分度盤中格數(shù)的劃分則更加精密地反映出天平的傾斜程度.從而為增減砝碼提供判據(jù).

5.平衡螺母：消除干擾

至此，托盤天平已初見端倪，接下來，天平將由設(shè)計藍(lán)圖步入實(shí)際操作，此時再次遭遇了新的疑難，即放被測物體之前，托盤質(zhì)量不等及橫梁質(zhì)量分布不均等問題，皆會造成天平以不平衡的初態(tài)“登場”，擾亂后續(xù)測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，那么該如何排除這些干擾呢？這里又涉及到一種新的科學(xué)方法，即抵消法，是指在無法徹底消除無關(guān)變量的前提下，可設(shè)法抵消無關(guān)變量產(chǎn)生的影響.就上述天平所遇困境而言，可在橫梁兩端懸掛配重，同時為保證配重在移動過程中能保持穩(wěn)定與連續(xù)，可將配重設(shè)計為半固定的、“旋進(jìn)式”的平衡螺母，并結(jié)合學(xué)生的日常生活體驗(yàn)，得出平衡螺母的調(diào)節(jié)準(zhǔn)則.

6.游碼：測微小量

確保天平在測量之前達(dá)到水平平衡后，便開始了我們的測量.在測量過程中有時會遇到“放入最小砝碼，指針偏右；取出最小砝碼，指針偏左”的情況，相關(guān)疑問亦隨之而來：如何測量比最小砝碼還小的質(zhì)量呢？這時可指導(dǎo)學(xué)生借助剛才所學(xué)“平衡螺母”的相關(guān)知識進(jìn)行原型啟發(fā)，將一定質(zhì)量的金屬塊（謂之“游碼”）置于橫梁前側(cè)的標(biāo)尺上，使其可自由移動，進(jìn)而結(jié)合標(biāo)尺數(shù)值來測算微小質(zhì)量.蓋因標(biāo)尺以直尺為原型，零刻線位于最左側(cè)，與游碼左側(cè)對齊，由此較好地詮釋了“左物右碼”的測量規(guī)定.需要說明的是，不同于砝碼“臂定而尋力等”的平衡物體方式，游碼得益于數(shù)理工具的進(jìn)步，采用的是“力定而尋臂值”的制衡物體方式.

三、結(jié)語

縱覽托盤天平教學(xué)的整個流程，師生化身托盤天平的創(chuàng)造者，攜手重演天平發(fā)明及改進(jìn)過程中的六個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，以“蹺蹺板”為設(shè)計原型，依次添加“托盤”、“砝碼”、“平衡螺母”等天平在研發(fā)過程中所需的構(gòu)件（如圖1所示），并借助“解決問題”的問答形式，滲透精密測量的物理觀念與精益求精的科學(xué)精神，激發(fā)學(xué)生的想象力與創(chuàng)造力，使其迸發(fā)智慧的火花.進(jìn)一步而言，雖然文中探討的天平教學(xué)思路僅僅是整個初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究中的一小步，但其背后所蘊(yùn)含的觀念卻有著深遠(yuǎn)的意義，它為物理實(shí)驗(yàn)儀器的教學(xué)開啟了一種新的方式，為其他儀器的教學(xué)設(shè)計提供了可資鏡鑒的模板.

參考文獻(xiàn)：

[1]石堯，邢紅軍.以科學(xué)方法為中心實(shí)施因材施教的物理教學(xué)途徑研究[J].課程·教材·教法，2016，36（3）：98-102.

[2]石堯.中學(xué)物理過程教學(xué)的實(shí)踐探索[J].中小學(xué)教師培訓(xùn)，2017（7）：67-69.