有效運(yùn)用生活物品提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果

施加林 邢海根

[摘要]物理來源于生活，服務(wù)于社會(huì)。初中物理教學(xué)中，可以有效運(yùn)用生活物品，創(chuàng)造性地開展物理教學(xué)，讓學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究過程，學(xué)習(xí)科學(xué)研究方法，培養(yǎng)學(xué)生的探索精神，提高學(xué)生的實(shí)踐能力。創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可打破原來實(shí)驗(yàn)教學(xué)的束縛，提升學(xué)生的創(chuàng)新素養(yǎng)。

[關(guān)鍵詞]杠桿的平衡條件;生活化實(shí)驗(yàn);創(chuàng)新

[中圖分類號(hào)]G633.7[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A [文章編號(hào)]1674-6058（2020）08-0030-04

現(xiàn)行教材的編寫，實(shí)質(zhì)上體現(xiàn)了編者的一種教學(xué)思路，有些內(nèi)容隨著時(shí)代的發(fā)展，教學(xué)改革的深入，應(yīng)該重組甚至是重塑。自制教具，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新，是教學(xué)創(chuàng)新不可缺少的要素。下面以滬粵版八年級第六章第五節(jié)“探究杠桿的平衡條件”的教學(xué)為例，談如何對教材進(jìn)行重塑，開展創(chuàng)新教學(xué)。

一、引入新課時(shí)給學(xué)生帶來“震撼”“新奇”感

教材是通過“探究蹺蹺板中的道理”引入的，而該游戲只能回顧與想象，不能在課堂上進(jìn)行，缺少現(xiàn)實(shí)感與動(dòng)態(tài)感，難以達(dá)到最佳效果。為了使學(xué)生能現(xiàn)場實(shí)踐，在準(zhǔn)備教具時(shí)，事先制作出2米長的“超級杠桿”，并制作“超級鐵架臺(tái)”，在“超級杠桿”上系一長竹竿，使力臂關(guān)系在5倍以上，通過表演“大力士”用一只手指將一位同學(xué)提起來，給學(xué)生帶來“震撼感”“神奇感”。師生共同參與，讓學(xué)生產(chǎn)生探究的興趣，使學(xué)生發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)物理的價(jià)值，落實(shí)“情感、態(tài)度與價(jià)值觀”維度的教學(xué)目標(biāo)。

[教學(xué)片段1]

師：同學(xué)們好！最近有網(wǎng)絡(luò)傳聞，一個(gè)大力士，用一只手指將一個(gè)成人提了起來，這是真的嗎？今天老師也來給大家表演一下。教師請幾位同學(xué)走到支好的長桿下方，教師在長桿的一端掛上一個(gè)特制的“吊凳”，請一位同學(xué)坐在“吊凳”上，教師在竹竿的另一側(cè)用一只手指向下拉竹竿，將坐在“吊凳”上的同學(xué)提了起來，如圖1所示。

師：其實(shí)老師不是大力士，只不過是巧妙地利用了這根桿，大家想知道其中的奧秘嗎？今天我們一起來探究這根桿的相關(guān)規(guī)律。

二、在探究中得出杠桿概念與五要素

教材上是通過對蹺蹺板進(jìn)行簡化，建立杠桿模型，給出杠桿的概念。而用“超級杠桿”，可進(jìn)行直觀演示，加以講解，使物體與模型統(tǒng)一，給出杠桿的概念，從形象思維過渡到抽象思維，使學(xué)生更容易理解與接受。關(guān)于杠桿五要素的教學(xué)，教材上是在“活動(dòng)一：探究杠桿平衡條件”中做補(bǔ)充介紹的，并沒有強(qiáng)調(diào)杠桿為什么存在五個(gè)要素。而有了“超級杠桿”，就可以采用邊演示邊探究的方式，層層遞進(jìn)，從而使學(xué)生理解影響杠桿平衡的要素與動(dòng)力、阻力、動(dòng)力臂、阻力臂有關(guān)。同時(shí)用實(shí)驗(yàn)排除了“支點(diǎn)到力的作用點(diǎn)的距離”不是影響杠桿平衡的要素。教師用測力計(jì)提起同學(xué)，當(dāng)杠桿平衡時(shí)，請一位學(xué)生讀出測力計(jì)的示數(shù)。教師減小拉力（動(dòng)力）時(shí)，請同學(xué)們觀察杠桿能否平衡，得出動(dòng)力大小是影響杠桿平衡的一個(gè)因素;改變同學(xué)的重力（阻力）大小，請同學(xué)們觀察在同樣的動(dòng)力作用下，杠桿能否平衡，得出阻力大小影響杠桿的平衡;改變同學(xué)的位置，用同樣的動(dòng)力，請同學(xué)們觀察杠桿是否能平衡，學(xué)生們發(fā)現(xiàn)杠桿不能平衡，問是什么量變化了，從而講解支點(diǎn)的概念。學(xué)生一般先得出“轉(zhuǎn)軸到力的作用點(diǎn)的距離”影響了杠桿的平衡，教師再用同樣大小的力斜拉，學(xué)生發(fā)現(xiàn)杠桿不再平衡，并問：“支點(diǎn)到力的作用點(diǎn)的距離”沒有變化，是什么距離變化了呢？得出支點(diǎn)到力的作用線的距離變化了，從而引出力臂的概念，并將力臂的概念展開為動(dòng)力臂與阻力臂。再假設(shè)改變轉(zhuǎn)軸的位置，指出兩力臂都在變化，從而得出支點(diǎn)位置也是影響杠桿平衡的因素。從而歸納影響杠桿平衡的五個(gè)要素。

[教學(xué)片段2]

師：剛剛，老師在一根長桿的一端用力拉桿，桿繞著固定點(diǎn)（轉(zhuǎn)軸）轉(zhuǎn)動(dòng)，該同學(xué)通過“吊凳”也拉桿，實(shí)質(zhì)上是阻礙桿的轉(zhuǎn)動(dòng)。在物理學(xué)上，把在力的作用下繞著固定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的硬棒，叫杠桿。當(dāng)杠桿靜止或勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，物理學(xué)上叫杠桿平衡。

師：下面探究影響杠桿平衡的因素有哪些。

師：用測力計(jì)豎直向下拉杠桿，當(dāng)坐在“吊凳”上的同學(xué)靜止在水平位置時(shí)，請臺(tái)上同學(xué)觀察測力計(jì)的示數(shù)（10N），并報(bào)給臺(tái)下同學(xué)聽。教師減小拉力，請同學(xué)們觀察該杠桿能否靜止（平衡）。

臺(tái)上同學(xué)：測力計(jì)的示數(shù)減小，“吊凳”上的同學(xué)突然下沉。

師：我的拉力是使杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)的力，叫動(dòng)力，這說明影響杠桿的平衡與什么因素有關(guān)呢？

生：與動(dòng)力大小有關(guān)。

師：給坐在“吊凳”上的同學(xué)加一個(gè)書包。

師：我再用10N豎直向下的拉力拉桿，請同學(xué)們觀察能否將該同學(xué)拉起來。

臺(tái)上同學(xué)：拉不起該同學(xué)。

師：這說明是什么因素影響了杠桿的平衡呢？

生：是阻力的大小。

師：將測力計(jì)的位置輕輕地向遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)軸的方向移動(dòng)，再用10N力拉，請問杠桿能否在水平位置靜止？

臺(tái)上同學(xué)：不能。

師：這說明是什么因素影響了杠桿的平衡呢？

生：是轉(zhuǎn)軸到測力計(jì)的距離。

師：在物理上把這個(gè)轉(zhuǎn)軸叫支點(diǎn)，轉(zhuǎn)軸到測力計(jì)的距離描述為：支點(diǎn)到力的作用點(diǎn)的距離。

師：保持支點(diǎn)到力的作用點(diǎn)的距離不變，改變拉力的方向，請同學(xué)們觀察杠桿能否在10N拉力作用下平衡。

師：改變拉力方向。

臺(tái)上同學(xué)：拉力必須變大才能平衡。

師：這說明影響杠桿平衡的因素不是支點(diǎn)到力的作用點(diǎn)的距離。斜拉時(shí)，支點(diǎn)到什么的距離在變化呢？

生：是支點(diǎn)到力的（作用線）的距離在變化。

師：支點(diǎn)到力的作用線的距離，物理學(xué)上叫力臂。當(dāng)然，力臂有兩個(gè)，支點(diǎn)到動(dòng)力作用線的距離叫動(dòng)力臂（L₁），支點(diǎn)到阻力作用線的距離叫阻力臂（L₂）。根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，請同學(xué)們總結(jié)一下影響杠桿平衡的因素有哪些。

生：動(dòng)力、阻力、動(dòng)力臂、阻力臂。

師：如果改變轉(zhuǎn)軸的位置，動(dòng)力臂與阻力臂不變嗎？

生：變化。

師：這說明還有什么因素起作用呢？

生：支點(diǎn)。

師生小結(jié)：影響杠桿平衡的五個(gè)要素是：支點(diǎn)（O）、動(dòng)力（F₁）、阻力（F₂）、動(dòng)力臂（L₁）、阻力臂（L₂）。

三、探究杠桿的平衡條件

教材上利用直接指導(dǎo)的方式讓學(xué)生探究，沒有分析為什么要這樣做，缺少理由。根據(jù)對杠桿五要素的探究可知，當(dāng)支點(diǎn)確定后，杠桿的平衡只與四個(gè)要素有關(guān)。這時(shí)要引導(dǎo)學(xué)生猜想四個(gè)量：F₁、L₁、F₂、L₂之間滿足什么關(guān)系時(shí)杠桿才能平衡，學(xué)生可能根據(jù)共點(diǎn)力的平衡“幾個(gè)力的代數(shù)和相等”來進(jìn)行類比猜想，根據(jù)對杠桿五要素的探究，學(xué)生可能發(fā)現(xiàn)當(dāng)測力計(jì)遠(yuǎn)離支點(diǎn)時(shí)，測力計(jì)的示數(shù)變小，可能猜想力與力臂的乘積相等或兩力之比與兩力臂的比值相等或者是力的平方與力臂的乘積相等……教師幫助學(xué)生排除不合理的猜想，保留合理的猜想，再引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)記錄，歸納總結(jié)，得出結(jié)論。在實(shí)驗(yàn)技巧方面，教師引導(dǎo)，讓學(xué)生思考為什么實(shí)驗(yàn)前要調(diào)節(jié)平衡螺母將杠桿調(diào)到水平位置平衡，實(shí)驗(yàn)時(shí)為什么也要通過改變動(dòng)力或阻力的大小、動(dòng)力臂或阻力臂的大小，使杠桿仍然在水平位置平衡。通過適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)，學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作并記錄測量數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出結(jié)論。

[教學(xué)片段3]

師：影響杠桿平衡的五個(gè)要素，當(dāng)杠桿的支點(diǎn)固定時(shí)，只有四個(gè)要素影響杠桿的平衡，這四個(gè)要素在什么情況下杠桿才能平衡呢？請同學(xué)們猜想。

生：開始討論，教師請小組長匯報(bào)，歸納后有兩個(gè)：F₁+L₁=F₂+L₂、F₁×L₁=F₂×L₂。

師：力的單位是什么？力臂的單位又是什么呢？兩者能相加嗎？

生：不同的單位不能相加。

師：不同的單位相加，這個(gè)猜想本身就是錯(cuò)誤的，不必用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了，我們只要驗(yàn)證第二個(gè)猜想就行了，實(shí)驗(yàn)時(shí)要得到多組數(shù)據(jù)，歸納出的結(jié)論才具有普遍性，這就要改變F₁、L₁、F₂、L₂的大小，進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)與測量，怎樣改變呢？

生：在杠桿兩邊都掛“吊凳”，換不同體重的同學(xué)坐在“吊凳”上，同時(shí)改變“吊凳”到轉(zhuǎn)軸的距離。

師：請兩位同學(xué)，分別手持“吊凳”站到體重計(jì)上，報(bào)出體重計(jì)的示數(shù)，算出總重力大小。

師：當(dāng)兩位同學(xué)坐在“吊凳”上時(shí)，將其中一邊當(dāng)作動(dòng)力F₁，另一邊當(dāng)作阻力F₂，它們的大小就等于每邊總重力大小，請同學(xué)們記在紙上。老師將長竹竿取下，放在一角，露出“超級杠桿”，發(fā)現(xiàn)杠桿兩邊高度不相同，老師用手指著低的一側(cè)說：杠桿的重心偏向低的一側(cè)，現(xiàn)在老師模仿調(diào)節(jié)天平的方法，將螺母向高的一側(cè)調(diào)，同學(xué)們觀察它能否在水平位置平衡。（教師調(diào)節(jié)平衡螺母）。

生：平衡了。

師：將兩“吊凳”掛在杠桿兩邊上，請兩位同學(xué)依次入座，教師調(diào)節(jié)兩“吊凳”的位置，學(xué)生發(fā)現(xiàn)杠桿在某個(gè)傾斜位置靜止了。教師強(qiáng)調(diào)：力臂是支點(diǎn)到力的作用線的距離，并提問：怎樣測量力臂？

生：用刻度尺測。

師：怎樣保證刻度尺測得的線段長就是力臂呢？力臂垂直于力的作用線。

生：加一塊三角板。

師：這樣是可以的。教師又輕輕轉(zhuǎn)動(dòng)杠桿且將“吊凳”移動(dòng)一下，杠桿又在水平位置靜止了，如圖2所示。這時(shí)力臂與“支點(diǎn)到力的作用點(diǎn)的距離”有什么關(guān)系呢？還需要三角板嗎？杠桿上本身有刻度尺，還要刻度尺嗎？

生：不需要。

師：想一想，每次實(shí)驗(yàn)時(shí)都將杠桿調(diào)到水平位置有何優(yōu)點(diǎn)呢？

生：可以從杠桿上直接讀出力臂的大小。

師：為了便于測量力臂，實(shí)驗(yàn)時(shí)將杠桿調(diào)到水平位置平衡。下面請臺(tái)上同學(xué)開始實(shí)驗(yàn)，同時(shí)臺(tái)下同學(xué)可拿出桌面上的杠桿平衡儀，通過在杠桿兩邊掛鉤碼來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

生：實(shí)驗(yàn)。

師：巡視指導(dǎo)，請各小組組長匯報(bào)數(shù)據(jù)，并分析數(shù)據(jù)，得出結(jié)論。再請其他小組的同學(xué)評價(jià)該組測量數(shù)據(jù)、分析過程與實(shí)驗(yàn)結(jié)論是否存在瑕疵。

四、對杠桿平衡條件的再探究

教材上的實(shí)驗(yàn)是為了便于測力臂，使杠桿在水平位置平衡，且動(dòng)力與阻力都與杠桿垂直，這時(shí)力臂正好與“支點(diǎn)到力的作用點(diǎn)的距離”重合，在學(xué)生歸納結(jié)論時(shí)，用填空的形式：“動(dòng)力× =阻力× ”，要求學(xué)生填寫結(jié)論，實(shí)際上是為了防止學(xué)生得出：“動(dòng)力乘以支點(diǎn)到動(dòng)力作用點(diǎn)的距離等于阻力乘以支點(diǎn)到阻力作用點(diǎn)的距離”這一結(jié)論。這種限制學(xué)生思維的方法是不可取的，所以要對探究進(jìn)行再探究，排除特殊情況下的結(jié)論，使結(jié)論具有普遍性。引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)一種力與杠桿不垂直時(shí)的測量方案，再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。由于力與杠桿不垂直，測量力臂一般有較大的偏差，教學(xué)過程中教師要引導(dǎo)學(xué)生分析數(shù)據(jù)是錯(cuò)誤還是誤差，提高學(xué)生分析數(shù)據(jù)的能力。

[教學(xué)片段4]

師：同學(xué)們剛做的實(shí)驗(yàn)，動(dòng)力與阻力都與杠桿垂直，這樣力臂落在杠桿上，優(yōu)點(diǎn)是便于測量力臂，但這樣做實(shí)驗(yàn)，也有缺點(diǎn)：力臂與支點(diǎn)到力的作用點(diǎn)的線段正好重合，也能得出這樣的結(jié)論：“動(dòng)力乘以支點(diǎn)到動(dòng)力作用點(diǎn)的距離等于阻力乘以支點(diǎn)到阻力作用點(diǎn)的距離。”現(xiàn)在，如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證后一結(jié)論是錯(cuò)誤的呢？

生：用彈簧測力計(jì)斜拉杠桿來提供動(dòng)力，用直尺、三角板配合來測力臂。

師：提供一個(gè)盛有少量水的塑料桶，一個(gè)量程較大的測力計(jì)，直尺與三角板，請兩位同學(xué)利用“超級杠桿”進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如圖3所示。同時(shí)請其他同學(xué)利用杠桿平衡儀及鉤碼、彈簧測力計(jì)、直尺、三角板進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)。

生：動(dòng)手實(shí)驗(yàn)。

師：巡視指導(dǎo)，再請各小組匯報(bào)所測得的數(shù)據(jù)，再請其他小組同學(xué)計(jì)算：“動(dòng)力乘以支點(diǎn)到動(dòng)力作用點(diǎn)的距離、阻力乘以支點(diǎn)到阻力作用點(diǎn)的距離;F₁×L₁、F₂×L₂的大小，并向全班匯報(bào)。

生：匯報(bào)所測數(shù)據(jù)。

師：這些數(shù)據(jù)相等嗎？

生：動(dòng)力乘以支點(diǎn)到動(dòng)力作用點(diǎn)的距離不等于阻力乘以支點(diǎn)到阻力作用點(diǎn)的距離。幾乎所有小組的數(shù)據(jù)F₁×L₁與F₂×L₂都不相等。

師：將各組數(shù)據(jù)的乘積作比較，差距較大的是哪個(gè)呢？

生：動(dòng)力乘以支點(diǎn)到動(dòng)力作用點(diǎn)的距離與阻力乘以支點(diǎn)到阻力作用點(diǎn)的距離。

師：這些數(shù)據(jù)偏差有何特點(diǎn)呢？

生：“動(dòng)力乘以支點(diǎn)到動(dòng)力作用點(diǎn)的距離”總是大些。

師：如果是誤差引起的，不會(huì)向一邊倒，因?yàn)檎`差總是時(shí)大時(shí)小的。你們再分析F₁×L₁與F₂×L₂的大小，發(fā)現(xiàn)有何特點(diǎn)呢？

生：有點(diǎn)偏差，有的F₁×L₁大，有的F₂×L₂大。

師：這正是誤差的特點(diǎn)，請各小組再分析，你們測量時(shí)可能是什么原因引起的誤差。

生：展開討論，分析誤差的由來。

師：請同學(xué)們匯報(bào)各小組誤差的由來以及是如何分析的，師生共同評價(jià)。

[教學(xué)片段5]

師：我們已經(jīng)探究出杠桿的平衡條件。同學(xué)們可知道杠桿有什么作用呢？

生：省力。

師：僅能省力嗎？請用圖3中的器材，讓測力計(jì)豎直向下拉、斜向下拉并減小拉力與杠桿的夾角，比較FG時(shí)，拉力移動(dòng)的距離與重物移動(dòng)距離的關(guān)系，通過比較，看有何發(fā)現(xiàn)？

生：（實(shí)驗(yàn)后匯報(bào)）省力時(shí)費(fèi)距離;當(dāng)動(dòng)力等于阻力時(shí)，既不省距離也不費(fèi)距離;當(dāng)動(dòng)力大于阻力時(shí)，省距離。

師：杠桿的作用可歸納如下：省力或省距離或給我們帶來方便。

五、新課小結(jié)與作業(yè)的創(chuàng)新

小結(jié)應(yīng)由學(xué)生總結(jié)，說出他們的收獲，如知道了什么是杠桿、什么叫杠桿平衡、影響杠桿平衡的五個(gè)要素是什么、怎樣探究杠桿的平衡條件、杠桿的平衡條件是什么等。但學(xué)生肯定還存在一些疑惑，如怎樣畫力臂？杠桿一定能省力嗎？等等。教師可告訴學(xué)生這些問題是下節(jié)課研究的內(nèi)容。作業(yè)要與課堂教學(xué)保持一致，不必布置計(jì)算類習(xí)題，可以模仿上課用的“超級杠桿”進(jìn)行類似的制作，并且采用適當(dāng)方式進(jìn)行反饋。

[教學(xué)片段6]

師：同學(xué)們通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)，你們有什么收獲？存在哪些疑惑？有什么新發(fā)現(xiàn)？有什么值得再探究？

生：舉手匯報(bào)。

師：請同學(xué)們課后思考如何設(shè)計(jì)一種簡單的機(jī)械，實(shí)現(xiàn)“四兩撥千斤”，我們將適時(shí)開展作品展示活動(dòng)，并進(jìn)行評獎(jiǎng)。

六、結(jié)束語

把物理實(shí)驗(yàn)與探究還本歸真，提倡“瓶瓶罐罐當(dāng)儀器，拼拼湊湊做實(shí)驗(yàn)”，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力與實(shí)踐能力，把想與做結(jié)合起來，把物理與生活結(jié)合起來，把理論與實(shí)踐結(jié)合起來，把實(shí)驗(yàn)室器材與生活中的物品結(jié)合起來，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)，回歸物理實(shí)驗(yàn)本源，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。