以實驗為中心的物理概念建構(gòu)過程

吳曉東

[摘? ?要]針對 “講授練習(xí)式”教學(xué)中存在的不足，為了使學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究過程，掌握科學(xué)研究方法，更深刻地理解物理概念，教師要注重物理概念的構(gòu)建。文章以問題為導(dǎo)向，設(shè)置三種層層遞進的學(xué)生實驗，使學(xué)生在實驗中進一步認識理解相關(guān)概念。

[關(guān)鍵詞]實驗;物理概念;建構(gòu);力臂

[中圖分類號]? ? G633.7? ? ? ? [文獻標(biāo)識碼]? ? A? ? ? ? [文章編號]? ? 1674-6058（2019）14-0055-02

一、問題背景

蘇科版物理九年級上冊《杠桿》一節(jié)主要學(xué)習(xí)杠桿的基礎(chǔ)知識。學(xué)生已經(jīng)對一般的物理研究方法有了初步的認識，在二力平衡的基礎(chǔ)上學(xué)習(xí)杠桿，理解難度不大。因此，常有一些教師講完杠桿的五要素后，就開始總結(jié)畫力臂的一般方法，訓(xùn)練學(xué)生畫力臂。然而，這樣的訓(xùn)練使學(xué)生對概念的理解出現(xiàn)“空心化”（被動記住概念的含義，沒有經(jīng)歷概念建立的思辨過程），這樣的教學(xué)，教師教得無趣，學(xué)生學(xué)得無味[1]。學(xué)生沒有深刻理解力臂的概念，不懂得為什么要引入力臂。一段時間之后總會有所遺忘。實際上給學(xué)生以實踐體驗，讓學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究過程，使學(xué)生了解引入力臂概念的必要性，可以幫助學(xué)生更深刻地理解“力臂”的含義。為此，我們可利用可視化的實驗幫助學(xué)生深刻理解力臂的概念。

二、總體思路

設(shè)計系列實驗及問題，由易到難，建構(gòu)力臂概念。

實驗1：利用杠桿抬起巨石。目的：激發(fā)學(xué)生興趣。

實驗2：自制桿秤稱蘋果。目的：體驗杠桿的應(yīng)用。

實驗3：模擬蹺蹺板。目的：猜想影響杠桿平衡的因素。

實驗4：改變拉力的方向使杠桿依然水平平衡。目的：認識猜想的不足，提出新的猜想。

實驗5：用彈簧測力計拉帶有圓盤的杠桿。目的：化繁為簡，建構(gòu)力臂概念。

實驗6：探究杠桿平衡條件。目的：體驗科學(xué)探究過程，得出杠桿平衡條件。

三、部分實驗教學(xué)

1.以實驗為基礎(chǔ)，猜想影響杠桿平衡的因素

【問題1】大人和小孩如何能使蹺蹺板在水平方向保持平衡？

PPT展示圖片：大人和小孩玩蹺蹺板，由于大人太重，所以蹺蹺板向他這邊傾斜。有什么辦法可以讓蹺蹺板又恢復(fù)水平平衡？利用手中的長直尺、橡皮以及大小不同的鉤碼，模擬大人和小孩玩蹺蹺板?？茨男┓椒梢宰尭軛U重新恢復(fù)水平平衡。

學(xué)生：把重的鉤碼向支點靠近，輕的鉤碼遠離支點;將支點移向重的鉤碼，在輕的鉤碼上再加一個鉤碼。

【問題2】杠桿的平衡可能和什么因素有關(guān)呢？用我們學(xué)過的物理名詞來表述。

學(xué)生：力的大小，支點到力的作用點的距離。

2.改變實驗操作，形成認知沖突

【問題3】拉力大小不同的原因是什么？

學(xué)生動手實驗，左端鉤碼的個數(shù)和位置固定不動，右端放置彈簧測力計（豎直方向調(diào)零），右端彈簧測力計拉力的作用點不動，用彈簧測力計分別豎直和斜拉杠桿，讓杠桿在水平位置平衡，記錄兩次拉力的大小。可以發(fā)現(xiàn)豎直向下拉彈簧測力計時，拉力的大小比較小，而斜拉時，拉力比較大。

學(xué)生：兩次拉力大小不同的原因在于力的方向不同。

【問題4】結(jié)合模擬蹺蹺板實驗，總結(jié)哪些因素會影響杠桿的平衡。

學(xué)生：力的大小，支點到力的作用點的距離、力的方向。

【問題5】可不可以尋找一個物理量，它既包含了支點到力的作用點的距離對杠桿平衡的影響，又包含了力的方向?qū)Ω軛U平衡的影響？

3.實驗與“求同”思維并重，建構(gòu)力臂概念

在杠桿的支點處固定一圓形硬紙板，上面畫出一系列間隔為1 cm的同心圓環(huán)。杠桿左端10 cm處掛四個0.5 N的鉤碼，右端8 cm處用彈簧測力計豎直向下拉杠桿，使杠桿在水平位置保持平衡（系彈簧測力計的細線要長一些）。彈簧測力計的示數(shù)為2.5 N。

【問題6】保證杠桿左端鉤碼的個數(shù)以及位置不變，改變右端彈簧測力計拉力作用點的位置以及拉力的方向，但保證拉力的大小不變，并且讓杠桿在水平方向保持平衡。觀察三次實驗有什么共同點？

學(xué)生：彈簧測力計上繩子的方向與8 cm的圓環(huán)接觸才能使每次拉力的作用效果不變。

彈簧測力計上繩子的方向也就是拉力所在的直線，它每次與相同的圓接觸，在數(shù)學(xué)上稱之為拉力的方向與圓相切。（PPT展示）過力的作用點，作出沿力的方向的直線，稱之為力的作用線，即彈簧測力計上繩子的方向。作出支點到力作用線的垂線，發(fā)現(xiàn)了什么？

學(xué)生：都是圓的半徑，長度相等。

【問題7】三次實驗，力的大小和方向都改變了，是什么不變導(dǎo)致力的作用效果不變？

學(xué)生：支點到力的作用線的距離不變。

支點到力的作用線的距離既包含了力的作用點又包含了力的方向?qū)Ω軛U平衡的影響?！爸c到力的作用線的距離”是個有意義的物理量，稱為力臂。支點到動力作用線的距離稱為動力臂，支點到阻力作用線的距離稱為阻力臂。

四、結(jié)束語

人是發(fā)展的存在[2]，學(xué)生具有無限的發(fā)展?jié)撃?。皮亞杰的認知發(fā)展理論認為，智力是一種適應(yīng)，是同化和順應(yīng)的平衡，當(dāng)兒童遇到不能理解的新事物或新刺激時，就會迫使他改變原有的“圖示”以適應(yīng)新的情景，求得認知平衡的恢復(fù)[3]。因此，在教學(xué)過程中，教師應(yīng)該順著學(xué)生的認知規(guī)律，不斷給學(xué)生提出更加深入的問題，讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)自己之前不夠全面的認知，進而獲得新的知識，建構(gòu)出物理概念。

在以上的教學(xué)過程中，筆者通過系列實驗及問題，引領(lǐng)學(xué)生建構(gòu)比較抽象的“力臂”概念。與書本直接給出杠桿的五要素不同，筆者通過生活中常見的杠桿以及杠桿的定義，讓學(xué)生自己說出杠桿的三個要素：支點、動力和阻力。根據(jù)學(xué)生的認識規(guī)律，通過模擬蹺蹺板實驗，對影響杠桿平衡的因素進行猜想：支點以及支點到力的作用點的距離。進一步改變作用在杠桿上拉力的方向使杠桿依然水平平衡，發(fā)現(xiàn)所用力的大小不同。認識到力的方向也會影響杠桿的平衡，認識到之前的認知不夠全面。難度升級，確保杠桿左端鉤碼的個數(shù)以及位置不變，改變右端彈簧測力計拉力作用點的位置以及拉力的方向，但保證拉力的大小不變，并且讓杠桿在水平方向保持平衡。大小相同的三個不同的力，卻有相同的作用效果，不難想這三個力在某個方面一定是相同的。進而尋找不變量，體現(xiàn)“求同”思維。由于實驗中系彈簧測力計的繩子很長，學(xué)生可以很清楚地觀察到三次繩子都與同一個圓相切。教師再利用PPT演示，作出支點到三個力的作用線的垂直距離。力的大小相同，這個距離相同，杠桿的平衡就相同，進而建構(gòu)出力臂的概念。

[? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?]

[1]? 劉小洪，周洪.力臂概念的創(chuàng)新教法[J].物理通報，2013（3）：28-30.

[2]? 張康橋.生長教育：通往美好人性的教育——溧陽市實驗小學(xué)的教育學(xué)建構(gòu)[J].江蘇教育研究，2012（29）：4-10 .

[3]? 車麗萍.試論智力發(fā)展與同化、順應(yīng)的關(guān)系：皮亞杰基本理論的啟示[J].內(nèi)蒙古師范大學(xué)學(xué)報（哲學(xué)社會科學(xué)版），1997（2）：98-101.

（責(zé)任編輯 易志毅）