培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

梅立芳

摘 要：在基礎(chǔ)教育改革不斷推進(jìn)的大背景下，培養(yǎng)學(xué)生的“核心素養(yǎng)”成為當(dāng)今教育領(lǐng)域備受關(guān)注的課題.如何通過實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)來培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng)呢？筆者將以“探究杠桿的平衡條件”為例，具體闡述教師通過開展實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，使學(xué)生從科學(xué)探究的真實(shí)體驗(yàn)中領(lǐng)悟概念和規(guī)律，促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)發(fā)展的實(shí)驗(yàn)教學(xué)思路.

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng)，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

文章編號(hào)：1008-4134（2020）08-0048 ? ?中圖分類號(hào)：G633.7 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

在基礎(chǔ)教育改革不斷推進(jìn)的大背景下，培養(yǎng)學(xué)生的“核心素養(yǎng)”成為當(dāng)今教育領(lǐng)域備受關(guān)注的課題.物理核心素養(yǎng)是物理學(xué)科育人價(jià)值的集中體現(xiàn)，是學(xué)生在接受物理教育過程中逐步形成的適應(yīng)個(gè)人終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的關(guān)鍵能力和必備品格，是學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要構(gòu)成.物理核心素養(yǎng)主要由“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”四個(gè)方面的要素構(gòu)成.物理是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，實(shí)驗(yàn)在物理教學(xué)中起著舉足輕重的作用.但是，目前學(xué)生在學(xué)習(xí)物理方面存在著諸多問題：由于物理“難”導(dǎo)致學(xué)生對(duì)物理學(xué)習(xí)失去興趣，由于學(xué)生“缺乏生活經(jīng)驗(yàn)”導(dǎo)致所學(xué)知識(shí)不能靈活應(yīng)用，由于課堂上教師對(duì)“實(shí)驗(yàn)教學(xué)”不夠重視導(dǎo)致學(xué)生動(dòng)手能力差，科學(xué)探究的能力不能得到有效培養(yǎng)等等.筆者認(rèn)為，解決現(xiàn)存問題的一條有效途徑就是開展創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，使學(xué)生從科學(xué)探究的真實(shí)體驗(yàn)中，領(lǐng)悟物理概念和規(guī)律，促進(jìn)物理觀念的形成，培養(yǎng)科學(xué)思維，養(yǎng)成良好的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任，從而促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展.

1 教材中的實(shí)驗(yàn)方案

“杠桿”是魯科版初中物理八年級(jí)下冊(cè)第九章第一節(jié)的內(nèi)容.“杠桿”一節(jié)在本教材中的作用非常重要，它既是前面力學(xué)知識(shí)的延伸，又是后續(xù)內(nèi)容“其他簡(jiǎn)單機(jī)械”探究學(xué)習(xí)的開始.本節(jié)的學(xué)習(xí)任務(wù)分成兩個(gè)板塊，第一個(gè)板塊是完成對(duì)杠桿的初步認(rèn)識(shí)，了解杠桿的五要素，第二個(gè)板塊是實(shí)驗(yàn)探究杠桿的平衡條件.教材中探究實(shí)驗(yàn)是這樣設(shè)計(jì)的：

如圖1所示，實(shí)驗(yàn)前調(diào)節(jié)杠桿使其在水平位置平衡.在杠桿的左右加掛鉤碼充當(dāng)動(dòng)力和阻力，通過測(cè)量?jī)蓚?cè)鉤碼的重力可知?jiǎng)恿1和阻力F2的大小.另外，從杠桿上直接讀出動(dòng)力臂L1與阻力臂L2的大小.分析數(shù)據(jù)，得出杠桿平衡條件.

筆者結(jié)合學(xué)生學(xué)習(xí)過程中提出的問題，以及自身在教學(xué)中的一些思考，對(duì)本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了如下創(chuàng)新設(shè)計(jì).

2 實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

問題1：調(diào)節(jié)杠桿在水平位置平衡要靠“目測(cè)”，這樣是不是太草率？

物理是一門實(shí)驗(yàn)學(xué)科，而物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的之一就是要培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度.該實(shí)驗(yàn)中杠桿是否水平需要靠目測(cè)，確實(shí)不夠精確，在實(shí)驗(yàn)課上筆者聽到了學(xué)生這樣的對(duì)話：

同學(xué)a：杠桿這樣平衡了嗎？

同學(xué)b：差不多就行.

當(dāng)時(shí)聽到“差不多”這個(gè)詞的時(shí)候感覺特別不舒服.如此嚴(yán)謹(jǐn)?shù)囊婚T學(xué)科，課堂上卻出現(xiàn)了如此“不嚴(yán)謹(jǐn)”的詞語，確實(shí)不利于對(duì)學(xué)生科學(xué)態(tài)度的培養(yǎng).因此筆者引導(dǎo)學(xué)生對(duì)裝置做了如下改進(jìn)（如圖2所示）：由“天平的分度盤”得到啟示，可以引導(dǎo)學(xué)生在杠桿的支架上也加一個(gè)分度盤，杠桿的支點(diǎn)處固定指針，讓指針與杠桿垂直，并借助“重垂線”使分度盤的零刻線豎直，當(dāng)杠桿上的指針指在分度盤的零刻線時(shí)，表示杠桿在水平位置已經(jīng)平衡.

問題2：杠桿是不是只有靜止在水平位置才算平衡？

教材中杠桿平衡的定義是這樣的：杠桿在動(dòng)力、阻力作用下靜止或勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，我們稱之為“杠桿平衡”.對(duì)于這句話的理解可以分為兩個(gè)層面：一是杠桿靜止或勻速轉(zhuǎn)動(dòng)都屬于杠桿平衡，二是杠桿靜止在水平位置和靜止在其他位置也都是平衡.

實(shí)驗(yàn)時(shí)可以再借助分度盤，先探究杠桿靜止在水平位置的平衡條件，再讓杠桿靜止在某一傾斜位置進(jìn)行探究（如圖3所示）.探究杠桿在傾斜位置的平衡條件時(shí)，只要保證每次指針指在分度盤的同一條刻度線，就可以保證每次杠桿傾斜的位置相同，從而使學(xué)生正確理解“杠桿平衡”的定義.

但是當(dāng)杠桿傾斜時(shí)，其動(dòng)力臂和阻力臂都不能從杠桿上直接讀出.

為了測(cè)出動(dòng)力臂和阻力臂的大小，筆者制作了自制教具：“力臂測(cè)量?jī)x”. 如圖4所示：力臂測(cè)量?jī)x就是一個(gè)十字交叉直尺，中間的刻度尺用來測(cè)量力臂，與刻度尺垂直的無刻度的黑色“直桿”可以左右移動(dòng)，代表力的作用線.如圖5所示，先使支點(diǎn)與力臂測(cè)量?jī)x中刻度尺的零刻線對(duì)齊，然后移動(dòng)無刻度的“直桿”，使其邊緣與力的作用線重合，這樣力臂就可以從刻度尺上讀出了.

問題3：兩側(cè)鉤碼的重力就是杠桿的動(dòng)力和阻力嗎？

杠桿在水平位置保持平衡，鉤碼在重力的作用下對(duì)杠桿產(chǎn)生拉力，是拉力分別充當(dāng)了杠桿的動(dòng)力和阻力.只不過此時(shí)由于“重力和拉力的方向重合，大小相等”的巧合對(duì)學(xué)生造成了誤導(dǎo).由此筆者想到：教材中的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)雖然操作簡(jiǎn)單，但在探究“杠桿平衡條件”時(shí)具有很大的局限性，甚至使學(xué)生產(chǎn)生了一些錯(cuò)誤的認(rèn)知.具體還體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

一是動(dòng)力和阻力的方向只能豎直向下.

二是只能完成動(dòng)力和阻力在支點(diǎn)兩側(cè)的實(shí)驗(yàn)探究.

三是容易造成對(duì)“力臂”概念的錯(cuò)誤理解.實(shí)驗(yàn)中要求使杠桿在水平位置平衡，動(dòng)力和阻力的方向豎直向下，這樣其動(dòng)力臂和阻力臂都可以直接從杠桿上讀出.從操作的角度來看，這樣的設(shè)計(jì)使力臂的測(cè)量變得更簡(jiǎn)單.但最大的問題是，學(xué)生所要測(cè)量的力臂正好等于支點(diǎn)到力的作用點(diǎn)的距離.在學(xué)生剛剛學(xué)完力臂的概念之后，這種處理恰恰又強(qiáng)化了學(xué)生對(duì)力臂的錯(cuò)誤認(rèn)知，即認(rèn)為：“力臂就是支點(diǎn)到力的作用點(diǎn)的距離”.從心理學(xué)角度來看，學(xué)生親自動(dòng)手實(shí)踐獲得的認(rèn)知會(huì)更深刻.這種“錯(cuò)誤認(rèn)知”的強(qiáng)化正是在具體的實(shí)驗(yàn)中發(fā)生的，它無疑會(huì)影響學(xué)生今后的學(xué)習(xí).基于以上分析，筆者對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了以下改進(jìn)：

改進(jìn)1：將杠桿一側(cè)鉤碼的拉力用測(cè)力計(jì)代替（如圖6所示）.

這樣的好處是：糾正了學(xué)生“鉤碼重力充當(dāng)動(dòng)力和阻力”的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)，更重要的是這樣既可以任意改變力的方向，又可以分別探究動(dòng)力和阻力在支點(diǎn)同側(cè)和異側(cè)的情況，突破了原有實(shí)驗(yàn)的局限性，使實(shí)驗(yàn)探究的過程更具有普遍性，結(jié)論更具有說服力.

但是如圖6（中）圖所示，左側(cè)動(dòng)力臂L1可以直接從杠桿上讀出，右側(cè)阻力臂L2則不能利用上述方法進(jìn)行測(cè)量，這種認(rèn)知沖突的產(chǎn)生恰恰強(qiáng)化了學(xué)生對(duì)力臂概念的正確認(rèn)識(shí)，通過比較知道“力臂恰好等于支點(diǎn)到力的作用點(diǎn)的距離”只是一種特殊情況.但以上改進(jìn)隨之帶來的問題是：增大了阻力臂L2的測(cè)量難度，此時(shí)我們可以再次利用“力臂測(cè)量?jī)x”測(cè)出阻力臂.

那么問題又來了：在實(shí)際操作時(shí)，如果一只手拉動(dòng)測(cè)力計(jì)使杠桿保持平衡，另一只手再利用力臂測(cè)量?jī)x完成測(cè)力臂的動(dòng)作幾乎是不可能的，這就需要兩個(gè)同學(xué)共同完成測(cè)量，操作起來很不方便.

改進(jìn)2：利用數(shù)學(xué)中圓的相關(guān)知識(shí)構(gòu)建直角，測(cè)量力臂.

如圖7中甲、乙的兩種方案：

圖7甲是利用了“圓的切線垂直于過切點(diǎn)的半徑”，圖7乙是利用了“圓的直徑所對(duì)的圓周角是直角”.

從原理上來講，兩種方法都可以利用數(shù)學(xué)知識(shí)將拉力對(duì)應(yīng)的力臂測(cè)出來.下面，筆者從實(shí)驗(yàn)的可行性角度來分析一下兩種方案的利弊.

圖7甲：當(dāng)在杠桿上同一點(diǎn)施加拉力時(shí)，圖7甲中和圓相切且讓杠桿保持平衡的拉力方向只有兩個(gè)，一個(gè)是斜向左下方、另一個(gè)是斜向右下方，也就是說同一點(diǎn)施加的拉力方向不能任意改變，而且當(dāng)拉力方向斜向右下方時(shí)，是拉力方向的反向延長(zhǎng)線與圓相切，操作很不方便.

圖7乙：當(dāng)在杠桿上同一點(diǎn)施加拉力時(shí)，圖7乙則可以任意改變拉力方向，并順利找出拉力對(duì)應(yīng)的力臂進(jìn)行測(cè)量.因此筆者最終確定利用圖乙進(jìn)一步完善實(shí)驗(yàn)裝置，如圖8所示.

將杠桿固定在一個(gè)直立白板上，借助重錘線使白板處于豎直狀態(tài).白板中央固定白紙，白紙中心（與杠桿支點(diǎn)重合）處畫了分度盤，便于觀察杠桿是否在某一位置平衡，同時(shí)，白紙上以支點(diǎn)為切點(diǎn)在杠桿兩側(cè)分別畫了幾個(gè)不同半徑的圓，方便在杠桿上不同位置施加拉力并測(cè)量力臂，如圖9所示，我們將拉力作用線與對(duì)應(yīng)圓的交點(diǎn)B找到，然后用刻度尺測(cè)量OB的長(zhǎng)度即為力臂的大小.

3 教學(xué)反思

本課最大的亮點(diǎn)是在設(shè)計(jì)上采用了實(shí)驗(yàn)探究的學(xué)習(xí)模式，通過創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，引導(dǎo)學(xué)生多方位、多角度地參與實(shí)驗(yàn)探究.實(shí)驗(yàn)中學(xué)生經(jīng)歷了力臂概念的建構(gòu)過程，既探究了杠桿水平時(shí)的平衡條件，又探究了杠桿在傾斜位置時(shí)的平衡條件，增加了實(shí)驗(yàn)的普遍性，培養(yǎng)了學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度.

物理學(xué)習(xí)的主要目的不僅是學(xué)習(xí)物理知識(shí)，更重要的是使學(xué)生通過學(xué)習(xí)物理知識(shí)，學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)，學(xué)會(huì)探究，形成正確的物理觀念.在教學(xué)中，教師要注重科學(xué)探究的教學(xué)，要引導(dǎo)學(xué)生在探究中領(lǐng)悟物理的研究方法，掌握一定的實(shí)驗(yàn)技巧，形成應(yīng)用數(shù)學(xué)知識(shí)處理物理問題的能力，同時(shí)養(yǎng)成正確的科學(xué)觀和價(jià)值觀.反思這節(jié)課，筆者越來越多地感受到物理教師不能墨守陳規(guī)，尤其在探究實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，勇于突破原有實(shí)驗(yàn)的局限性，師生共同探索，多角度尋找改進(jìn)措施，從而有助于達(dá)到最佳的實(shí)驗(yàn)效果，切實(shí)提升學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng).

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（收稿日期：2020-02-10）