基于概念轉(zhuǎn)變理論的初中物理教學(xué)探討
——以“力臂”教學(xué)為例

侯慧玲

(江蘇省常州外國(guó)語(yǔ)學(xué)校,江蘇 常州 213031)

1 引言

閻金鐸、郭玉英教授在《中學(xué)物理教學(xué)概論》中指出:“學(xué)生在正式學(xué)習(xí)有關(guān)的物理知識(shí)之前,頭腦中已存在著一定的原有認(rèn)識(shí)和該認(rèn)識(shí)賴以存在的思維方式,我們統(tǒng)稱為前概念,它們?cè)诤艽蟪潭壬蠜Q定著學(xué)生對(duì)新知識(shí)的理解。”雖然物理學(xué)科的正式學(xué)習(xí)是在八年級(jí),但學(xué)生在學(xué)習(xí)之前已經(jīng)有了一定的知識(shí)儲(chǔ)備,通過平時(shí)的觀察體驗(yàn)、與他人的交流會(huì)形成物理前概念，比如,雞蛋碰石頭,雞蛋破了,石頭還是完好的,學(xué)生認(rèn)為雞蛋受到的力比石頭受到的力大。學(xué)生在小學(xué)科學(xué)中學(xué)習(xí)了很多與初中物理相關(guān)的內(nèi)容,也是學(xué)生前概念的重要來源。如果學(xué)生的前概念和科學(xué)概念一致,那必然對(duì)學(xué)生的物理學(xué)習(xí)起到促進(jìn)的作用,但是如果形成的前概念是錯(cuò)誤的,就會(huì)影響學(xué)生科學(xué)概念的建構(gòu)。在初中物理教學(xué)中轉(zhuǎn)變學(xué)生錯(cuò)誤的前概念顯得尤為重要，本文以“力臂”概念教學(xué)為例,對(duì)比研究小學(xué)科學(xué)、初中物理教材中相關(guān)內(nèi)容,探討概念轉(zhuǎn)變的教學(xué)策略。

2 小學(xué)生關(guān)于力臂的前概念

蘇科版《科學(xué)》五年級(jí)下冊(cè)第一單元“神奇的機(jī)械”第2課“怎樣移動(dòng)重物”的主題為杠桿，一開始就提出問題：“要移動(dòng)重物,你能想出什么輕松的辦法嗎？”如圖1所示，用撬棒撬重物,這根撬棒就是一個(gè)簡(jiǎn)單機(jī)械，這種杠桿包括一個(gè)支點(diǎn)和一根能繞支點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的棍子,人手和支點(diǎn)之間長(zhǎng)長(zhǎng)的棍子“放大”了人力,所以人就能輕松地撬動(dòng)重物。教材分別對(duì)石塊壓撬棒、支點(diǎn)和人用力的位置進(jìn)行了標(biāo)注,學(xué)生雖然還沒有建立力臂的概念,但學(xué)生會(huì)直觀地認(rèn)為人施力點(diǎn)和支點(diǎn)之間的棍子越長(zhǎng),撬起這個(gè)石塊時(shí)人用力就越小。

圖1

在探究杠桿省力的秘密時(shí),小學(xué)教材選擇的裝置和蘇科版物理九上教材學(xué)生實(shí)驗(yàn)“探究杠桿的平衡條件”裝置一致,如圖2所示，兩邊均利用鉤碼施加力的作用,杠桿處于水平平衡狀態(tài)。小學(xué)教材中的探究活動(dòng)為：仔細(xì)觀察鉤碼的個(gè)數(shù)與支點(diǎn)的距離,你發(fā)現(xiàn)了什么？學(xué)生能意識(shí)到某個(gè)距離的大小會(huì)影響用力的大小,由于在探究過程中杠桿處于水平平衡狀態(tài),鉤碼的拉力沿豎直方向,學(xué)生會(huì)很自然地認(rèn)為這個(gè)距離是鉤碼懸掛點(diǎn)與支點(diǎn)的距離,而且用這個(gè)結(jié)論確實(shí)可以解釋一些問題。

圖2

3 前概念的轉(zhuǎn)變

3.1 初小銜接，讓學(xué)生暴露錯(cuò)誤的前概念

在建立正確的力臂概念之前,先利用小學(xué)科學(xué)教材中的器材來研究影響杠桿平衡的因素,熟悉的情境、相似的探究過程很容易讓學(xué)生的前概念暴露出來,同時(shí)也讓學(xué)生在研究的過程中明白建立力臂概念的必要性,它是影響杠桿平衡的因素之一。

先展示如圖3所示的裝置,兩邊掛上鉤碼,讓杠桿在水平位置平衡,然后提問:在不改變杠桿左邊鉤碼數(shù)目和位置的情況下,可以采取哪些措施,使得原來平衡的杠桿失去平衡？

圖3

方案一：加減鉤碼。學(xué)生根據(jù)已有經(jīng)驗(yàn)立刻能想到：可以在右邊已掛鉤碼的基礎(chǔ)上加減鉤碼。教師演示,發(fā)現(xiàn)增減鉤碼確實(shí)可以使原來平衡的杠桿失去平衡,說明施加的力的大小會(huì)影響杠桿的平衡。

方案二:改變鉤碼位置。還有學(xué)生會(huì)想到可以改變右邊鉤碼懸掛的位置。教師演示,發(fā)現(xiàn)向左或向右移動(dòng)鉤碼,也能打破平衡,在此基礎(chǔ)上教師提問:這又說明還有什么因素會(huì)影響杠桿的平衡？學(xué)生會(huì)想到移動(dòng)鉤碼懸掛的位置其實(shí)是改變了某個(gè)距離。

基于這樣的探究過程,學(xué)生會(huì)認(rèn)為是支點(diǎn)到鉤碼懸掛點(diǎn)的距離,也就是支點(diǎn)到力的作用點(diǎn)的距離會(huì)影響杠桿的平衡，至此學(xué)生的錯(cuò)誤前概念就暴露出來。

3.2 設(shè)置實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生產(chǎn)生認(rèn)知沖突

學(xué)生暴露出錯(cuò)誤的前概念之后,在剛才實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,仍然保持杠桿左邊鉤碼的數(shù)目和位置不變,將右邊懸掛的鉤碼換成彈簧測(cè)力計(jì)。

實(shí)驗(yàn)步驟:(1) 如圖4所示，先用彈簧測(cè)力計(jì)沿豎直方向拉動(dòng),使杠桿在水平位置靜止,讀出彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)，學(xué)生發(fā)現(xiàn)和圖3中用鉤碼施力大小相同。

圖4

(2) 如圖5所示，改變彈簧測(cè)力計(jì)的施力方向,而力的作用點(diǎn)保持不變,也就是支點(diǎn)到力的作用點(diǎn)的距離不變,學(xué)生根據(jù)前概念猜想：要讓杠桿仍然在水平位置靜止,彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)應(yīng)該是不變的。但通過實(shí)驗(yàn),學(xué)生發(fā)現(xiàn)彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)變大了。

學(xué)生對(duì)自己的前概念產(chǎn)生了懷疑,并有了進(jìn)一步探究的欲望,影響杠桿平衡的距離到底應(yīng)該怎樣描述？?jī)H用這套實(shí)驗(yàn)裝置是沒有辦法直觀顯示出來的。

3.3 通過探究,讓學(xué)生建構(gòu)正確概念

因?yàn)閷W(xué)生在很長(zhǎng)的時(shí)間里對(duì)錯(cuò)誤的前概念有了先入為主的印象,形成了思維定勢(shì),如果教師認(rèn)為學(xué)生已經(jīng)知道自己的前概念是錯(cuò)誤的而直接給出力臂的概念,告訴學(xué)生應(yīng)該是支點(diǎn)到力的作用線的距離影響了杠桿的平衡,學(xué)生雖然認(rèn)可老師的說法,但又很難放棄原有的認(rèn)識(shí),從而造成思維混亂。教師需要引導(dǎo)學(xué)生通過進(jìn)一步的探究,幫助學(xué)生建構(gòu)正確概念。

3.3.1 前概念的突破

如圖6所示,仍然保持左邊鉤碼不動(dòng),用彈簧測(cè)力計(jì)在杠桿支點(diǎn)右側(cè)的B點(diǎn)用力使杠桿在水平位置靜止,沿圓弧從M點(diǎn)逆時(shí)針轉(zhuǎn)到N點(diǎn),發(fā)現(xiàn)彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)在不斷變化,在這個(gè)過程中支點(diǎn)到力的作用點(diǎn)的距離不變,說明影響杠桿平衡的距離不是支點(diǎn)到力的作用點(diǎn)的距離。

圖6

3.3.2 力臂概念的建構(gòu)

學(xué)生在觀察上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象時(shí),發(fā)現(xiàn)雖然彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)在變,但也注意到：以過B點(diǎn)垂直于水平杠桿的直線為軸,在關(guān)于這根軸左右對(duì)稱的位置彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)是一樣的，說明在這兩個(gè)方向上施加力的時(shí)候,我們要找的某個(gè)距離是相等的，如何找出來呢？

3.3.3 借助數(shù)學(xué)方法研究力臂

如圖7所示,在杠桿后面用一張白紙作為背景,畫出以支點(diǎn)為圓心的一組同心圓,找出兩個(gè)示數(shù)相等的位置,畫出力的作用線。學(xué)生發(fā)現(xiàn)當(dāng)彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)相同時(shí),這兩個(gè)力的作用線分別與同一個(gè)圓只有一個(gè)交點(diǎn),連接圓心和交點(diǎn)發(fā)現(xiàn)這條連線與力的作用線垂直(力的作用線即為數(shù)學(xué)上圓的切線),這條連線就是圓的半徑,同一圓上半徑相等,由此想到可能是支點(diǎn)到力的作用線的距離影響了杠桿的平衡。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：只要彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)相等,這個(gè)距離就是相等的。

圖7

如圖8所示,在B點(diǎn)施加力的作用,使力的作用線與某個(gè)圓相切,記下此時(shí)彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù),換個(gè)作用點(diǎn),如在C點(diǎn)施加力的作用,調(diào)整力的方向,使兩次示數(shù)相同,畫出此時(shí)所施力的作用線,發(fā)現(xiàn)與同一個(gè)圓相切，同樣可以利用白紙上的同心圓多次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。由此,可得出結(jié)論：影響杠桿平衡的是支點(diǎn)到力的作用線的距離,我們把這個(gè)距離定義為力臂。

圖8

3.4 拓展提升,讓學(xué)生鞏固力臂概念

科學(xué)的概念經(jīng)過逐步深入的探究而建立,但這一過程并不是一勞永逸的，錯(cuò)誤的前概念還會(huì)在學(xué)生應(yīng)用的過程中干擾學(xué)生的思維。所以還要在后續(xù)教學(xué)中出示相關(guān)的練習(xí)題,讓學(xué)生更好地理解科學(xué)概念。

例題(2015年常州市中考題)：如圖9所示,OAB為輕質(zhì)杠桿,可繞支點(diǎn)O自由轉(zhuǎn)動(dòng),在B端施加一個(gè)動(dòng)力使杠桿在水平位置平衡,該杠桿( )。

圖9

A. 一定是省力杠桿

B. 一定是費(fèi)力杠桿

C. 一定是等臂杠桿

D. 以上情況都有可能

這個(gè)題目考查了學(xué)生對(duì)力臂概念的理解,由圖9可知：在B端施加一個(gè)力使杠桿在水平位置平衡,由于力的方向不確定,所以動(dòng)力臂也不確定,動(dòng)力臂可能比阻力臂長(zhǎng),也可能比阻力臂短,還可能相等。本題的解題關(guān)鍵是首先明確動(dòng)力的方向不確定,無法判斷動(dòng)力臂與阻力臂的大小關(guān)系，通過類似的練習(xí)可以加深學(xué)生對(duì)力臂概念的理解。

4 結(jié)語(yǔ)

從錯(cuò)誤的前概念到科學(xué)的概念的轉(zhuǎn)變,學(xué)生要經(jīng)歷一個(gè)艱辛的過程,會(huì)不斷經(jīng)歷認(rèn)知沖突,不斷進(jìn)行修正,從而真正領(lǐng)悟科學(xué)概念,教師在教學(xué)中很有必要去了解學(xué)生前概念的來源并予以關(guān)注,這樣才能有的放矢地幫助學(xué)生解決困惑,建構(gòu)科學(xué)的概念。