基于物理核心素養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

曾育群

摘? ?要： 通過對(duì)“杠桿力臂的實(shí)驗(yàn)探究”的教學(xué)設(shè)計(jì)，引導(dǎo)學(xué)生如何進(jìn)行物理概念的建構(gòu)，將抽象的物理概念直觀化，引導(dǎo)和培養(yǎng)學(xué)生的建模能力，同時(shí)讓學(xué)生親身經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和探究過程中，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，總結(jié)物理規(guī)律，培養(yǎng)學(xué)生勇于提出問題的質(zhì)疑精神。

關(guān)鍵詞：物理實(shí)驗(yàn);科學(xué)素養(yǎng);杠桿平衡;力臂

核心素養(yǎng)下的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求學(xué)生親身經(jīng)歷科學(xué)的探究過程，在概念教學(xué)中，對(duì)簡(jiǎn)單的物理概念進(jìn)行深入理解和剖析，轉(zhuǎn)變教學(xué)的思維邏輯，學(xué)會(huì)從實(shí)驗(yàn)探究中總結(jié)提煉物理概念，而不是簡(jiǎn)單的下定義并進(jìn)行背誦，從而提高對(duì)學(xué)生的思維不斷沖擊訓(xùn)練，培養(yǎng)其科學(xué)推理能力。因此，本文通過自制“力臂探究”實(shí)驗(yàn)教具，讓學(xué)生參與力臂的概念建構(gòu)過程，直觀展示了物理模型，激發(fā)了學(xué)生探究的熱情。

1? 教材分析

愛恩斯坦曾經(jīng)說過：提出一個(gè)問題往往比解決一個(gè)問題更重要[ 1 ]，在滬科版八年級(jí)物理“杠桿的平衡條件”中，力臂概念和畫法是本節(jié)課的重難點(diǎn)，課本采用直接對(duì)力臂下定義，沒有科學(xué)的引入力臂，學(xué)生也不清楚力臂概念的由來，這樣概念是強(qiáng)加的，沒有進(jìn)行合理地科學(xué)創(chuàng)設(shè)。因此，有必要設(shè)計(jì)力臂實(shí)驗(yàn)教具，讓學(xué)生參與力臂的模型構(gòu)建。

2? 學(xué)情分析

在學(xué)習(xí)本節(jié)課內(nèi)容之前，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)和掌握了：力的三要素會(huì)影響力的作用效果，力的平衡條件和數(shù)學(xué)幾何知識(shí)（圓的半徑和切線垂直的關(guān)系）。因此，這些知識(shí)為本節(jié)課力臂概念的學(xué)習(xí)奠定了理論基礎(chǔ)，使學(xué)生易于明白和接受。

3? 教學(xué)目標(biāo)

3.1? 知識(shí)與技能

引導(dǎo)學(xué)生在“探究杠桿的平衡條件”的實(shí)驗(yàn)中如何尋找力臂，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并提高探究的能力。

3.2? 方法與過程

學(xué)生在“探究杠桿平衡條件”的實(shí)驗(yàn)中，經(jīng)歷尋找力臂科學(xué)探究的全過程。培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手操作實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)處理和歸納總結(jié)實(shí)驗(yàn)規(guī)律的能力。

3.3? 情感態(tài)度價(jià)值觀

通過實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，體驗(yàn)科學(xué)探究的樂趣，激起學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，培養(yǎng)學(xué)生善于提出問題和實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度。

4? 實(shí)驗(yàn)原理

（1）力的三要素影響力的作用效果

（2）平衡條件

（3）圓的半徑與切線垂直關(guān)系。

5? 實(shí)驗(yàn)器材

鐵架臺(tái)、杠桿、彈簧測(cè)力計(jì)、等間距同心圓的硬紙板、可移動(dòng)卡紙、橡皮筋、細(xì)繩、螺桿（如圖1）

6? 實(shí)驗(yàn)教具設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)

通過改進(jìn)杠桿平衡的實(shí)驗(yàn)裝置，在硬紙板上畫出多個(gè)等間距的同心圓，左邊杠桿用彈簧測(cè)力計(jì)固定在鐵架臺(tái)上，從而固定阻力的三要素：大小、方向和作用點(diǎn)。通過改變彈簧測(cè)力計(jì)拉力的作用點(diǎn)和拉力方向，直到杠桿在水平方向平衡時(shí)，觀察彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)的特點(diǎn)，當(dāng)示數(shù)相同時(shí)，拉力的作用線始終都與同一個(gè)圓相切。引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)共同規(guī)律，支點(diǎn)到垂足點(diǎn)間的長(zhǎng)度相同（力臂即為：同一個(gè)同心圓的半徑）。學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)探究過程中，主動(dòng)參與力臂概念的構(gòu)建過程，并且透過現(xiàn)象看到了事物的本質(zhì)，突破了教學(xué)中的難點(diǎn)——力臂的概念，把抽象的問題直觀化，充分體現(xiàn)了科學(xué)認(rèn)識(shí)的本質(zhì)。對(duì)杠桿的平衡條件科學(xué)探究的學(xué)習(xí)，起到了承上啟下的作用。

7? 教學(xué)過程

7.1? 科學(xué)探究一

將彈簧測(cè)力計(jì)放在杠桿上右邊的8 cm處，沿著豎直平面豎直向下拉。當(dāng)杠桿處于水平平衡，讓學(xué)生讀出拉力的讀數(shù)F1。

7.2? 科學(xué)探究二

改變彈簧測(cè)力計(jì)作用點(diǎn)，將其放在10 cm處，也沿著豎直平面豎直向下拉，當(dāng)杠桿處于水平平衡，讀出讀數(shù)為F'，引導(dǎo)學(xué)生思考讀數(shù)為什么發(fā)生變化？（如圖2）

7.3? 科學(xué)探究三

當(dāng)彈簧測(cè)力計(jì)固定在10 cm處時(shí)，在豎直平面內(nèi)向右方向傾斜，通過改變拉力的方向直到平衡時(shí)，讓學(xué)生通過觀察彈簧測(cè)力計(jì)讀數(shù)的變化，提問學(xué)生如何解釋這個(gè)現(xiàn)象。學(xué)生觀察到彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)變大，因?yàn)榱Φ淖饔眯Чc力的方向有關(guān)。當(dāng)彈簧測(cè)力計(jì)讀數(shù)減至第一次實(shí)驗(yàn)數(shù)值大小為F1時(shí)停下，引導(dǎo)學(xué)生移動(dòng)紙板，觀察拉力的作用線，尋找實(shí)驗(yàn)中的共同點(diǎn)——拉力的作用線始終都與同一個(gè)圓相切。

7.4? 科學(xué)探究四

引導(dǎo)學(xué)生再改變彈簧測(cè)力計(jì)拉力的作用點(diǎn)，并改變拉力的方向，發(fā)現(xiàn)跟同一個(gè)圓相切時(shí)，彈簧測(cè)力計(jì)讀數(shù)仍然為F1。

7.5? 科學(xué)探究五

讓學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，進(jìn)行交流與討論，物理學(xué)常常用某個(gè)物理量概括或定義物理規(guī)律。我們能否用一個(gè)量來描述這種規(guī)律。

7.6? 科學(xué)探究六

（1）引導(dǎo)學(xué)生通過觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象找到共同點(diǎn)，讓學(xué)生自己總結(jié)歸納：支點(diǎn)到拉力作用線的垂線距離相同（同一個(gè)圓半徑）。

（2）教師再進(jìn)一步作出概念總結(jié)：物理學(xué)上，我們把支點(diǎn)到力的作用線的垂線，叫做杠桿的力臂。支點(diǎn)到動(dòng)力作用線的距離叫做動(dòng)力臂。支點(diǎn)到阻力作用線的距離叫做阻力臂[ 2 ]。

7.7? 拓展七：探究杠桿的平衡條件

讀出：左邊阻力大小F2及其阻力臂L2。使杠桿處于水平方向平衡時(shí)，拉力作用點(diǎn)分別位于6 cm，8 cm，10 cm，12 cm……當(dāng)拉力作用線與相應(yīng)的圓相切時(shí)，讀出此時(shí)彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)，記錄在表1，學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)規(guī)律：力臂變化，拉力也跟著變化。觀察數(shù)據(jù)猜想和尋找杠桿平衡條件。

8? 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)

（1）實(shí)驗(yàn)之前，使彈簧測(cè)力計(jì)位于豎直方向時(shí)進(jìn)行調(diào)零，可以減小自重帶來的誤差。

（2）保持杠桿在水平虛線上平衡，才能使左邊彈簧測(cè)力計(jì)力的大小和力臂保持不變。

（3）實(shí)驗(yàn)時(shí)在與等間距同心圓板面平行的豎直平面上拉動(dòng)彈簧測(cè)力計(jì)。

9? 實(shí)驗(yàn)反思

（1）本實(shí)驗(yàn)器材簡(jiǎn)單、形象、直觀，將抽象的力臂概念，用直觀實(shí)驗(yàn)展示出來，有效地優(yōu)化課堂教學(xué)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)重難點(diǎn)的突破。

（2）本實(shí)驗(yàn)教具功能多樣化，除了可以進(jìn)行力臂概念的教學(xué)探究，還可以探究杠桿的平衡條件，使課堂教學(xué)達(dá)到一舉多得的效果。

（3）本節(jié)課的實(shí)驗(yàn)探究體現(xiàn)了新課程核心思想：以學(xué)生為主體。學(xué)生在教師問題層層遞進(jìn)的引導(dǎo)下，經(jīng)歷了科學(xué)探究過程，透過觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的變化尋找了物理本質(zhì)規(guī)律，總結(jié)出力臂的概念，使學(xué)生看到自己的智慧和意志，激發(fā)了學(xué)習(xí)的興趣，同時(shí)鍛煉了學(xué)生的思維能力，也突破了本節(jié)課的教學(xué)重難點(diǎn)，為解決杠桿平衡條件作了重要的鋪墊。

（4）不足之處：彈簧處在豎直方向，因自身重力引起的誤差; 中心轉(zhuǎn)軸摩擦引起的誤差;細(xì)繩長(zhǎng)容易確定拉力的方向，但是長(zhǎng)一些，不容易操作。

物理實(shí)驗(yàn)探究能夠?yàn)閷W(xué)生認(rèn)識(shí)物理現(xiàn)象、獲得物理知識(shí)創(chuàng)造良好的情景，使學(xué)生的學(xué)習(xí)過程更加直觀生動(dòng)[ 3 ]。本實(shí)驗(yàn)教具的設(shè)計(jì)有利于學(xué)生參與力臂的建構(gòu)并通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象推理歸納總結(jié)實(shí)驗(yàn)規(guī)律，符合學(xué)生的認(rèn)知水平，從而實(shí)現(xiàn)在教學(xué)過程中培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，達(dá)到質(zhì)的提高。

參考文獻(xiàn)：

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