指向核心素養(yǎng)的初中物理深度備課

付明 馬劍

摘 要：物理核心素養(yǎng)的提出，指明了物理教學(xué)方向，對(duì)教師也提出了更高的要求.核心素養(yǎng)如何在教學(xué)中實(shí)現(xiàn)真正的落地？本文以人教版“杠桿”一課為例，從物理核心素養(yǎng)的四個(gè)維度出發(fā)，抓住物理概念本質(zhì)，從學(xué)生認(rèn)知規(guī)律的角度設(shè)計(jì)教學(xué)，有效提升學(xué)生的物理核心素養(yǎng).

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng);深度備課;杠桿

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1008-4134（2021）12-0024-04

物理學(xué)科核心素養(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.在四個(gè)要素中，物理觀念代表知識(shí)的內(nèi)化，是其他核心素養(yǎng)的基礎(chǔ)，科學(xué)思維和科學(xué)探究是關(guān)鍵能力，科學(xué)態(tài)度和責(zé)任是必備品格.四個(gè)方面相互依賴(lài)、共同發(fā)展.教師應(yīng)基于教學(xué)實(shí)際，循序漸進(jìn)地培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng).

人教版義務(wù)教育教科書(shū)將“杠桿”安排在八年級(jí)下冊(cè)第十二章“簡(jiǎn)單機(jī)械”，本節(jié)內(nèi)容由“杠桿”“杠桿的平衡條件”“生活中的杠桿”三部分構(gòu)成.杠桿的知識(shí)是前幾章力學(xué)知識(shí)的延續(xù)，比如力的三要素、平衡狀態(tài)，也是學(xué)習(xí)滑輪和輪軸等簡(jiǎn)單機(jī)械的基礎(chǔ).而“探究杠桿的平衡條件”是《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》列出的20個(gè)學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)之一.因此，在本節(jié)課中培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)顯得尤為重要.

1 物理觀念——杠桿的概念、力臂的概念

物理觀念是學(xué)生從物理學(xué)視角形成的對(duì)客觀世界的基本認(rèn)識(shí)，是解決實(shí)際問(wèn)題的基礎(chǔ).就本節(jié)課而言，如何讓學(xué)生科學(xué)認(rèn)識(shí)杠桿、如何引導(dǎo)學(xué)生自主構(gòu)建力臂概念，是教師在備課時(shí)需要深入思考的.

1.1 杠桿的概念

教材中給出的杠桿的概念是：“一根硬棒，在力的作用下能繞著固定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，這根硬棒就是杠桿” .杠桿概念的關(guān)鍵詞是：硬棒、力的作用、固定點(diǎn)、轉(zhuǎn)動(dòng).很顯然，杠桿是一種物理模型，在力的作用下能夠繞固定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的硬棒，無(wú)論是直的還是彎曲的，都屬于杠桿.因此，在教學(xué)中，教師需要讓學(xué)生實(shí)際體驗(yàn)杠桿，再結(jié)合生活中的杠桿，找到共同點(diǎn)，從而形成杠桿的概念.

1.1.1 引入新課：大國(guó)重器——五大機(jī)械

播放視頻五大機(jī)械：火箭航空運(yùn)輸機(jī)械、礦山采挖機(jī)、懸空鋪橋造橋機(jī)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)安裝設(shè)備、挖隧道盾構(gòu)機(jī).震撼的場(chǎng)面，引發(fā)學(xué)生民族自豪感，激發(fā)學(xué)習(xí)機(jī)械的興趣.

1.1.2 實(shí)際體驗(yàn)，感受杠桿可以省力

先后讓力氣大的男生用老虎鉗、力氣小的女生用鋼筋剪鉗嘗試將粗鐵絲剪斷（如圖1所示）.學(xué)生發(fā)現(xiàn)男生無(wú)法剪斷鐵絲，而女生卻很輕松地剪斷了鐵絲.通過(guò)明顯的反差對(duì)比讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到杠桿可以省力.

1.1.3 分組體驗(yàn)，觀察杠桿特點(diǎn)

每組用鉛筆、直尺、硬幣等器材，模擬小時(shí)候玩蹺蹺板的過(guò)程（如圖2所示），并觀察蹺蹺板轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的特點(diǎn).最后，學(xué)生根據(jù)老虎鉗、鋼筋剪鉗、蹺蹺板等的使用體驗(yàn)，總結(jié)杠桿的共同特點(diǎn)，進(jìn)而得出杠桿的概念及支點(diǎn)、動(dòng)力、阻力三個(gè)要素.

1.2 引發(fā)學(xué)生深度思考，恰當(dāng)建立力臂概念

力臂這一概念對(duì)于初中學(xué)生來(lái)說(shuō)是個(gè)難點(diǎn)，也是物理教學(xué)的一個(gè)難點(diǎn).而大多現(xiàn)行的初中物理教材都是直接將杠桿的五要素列出，即直接給出力臂的概念，學(xué)生只能被動(dòng)接受，并不理解概念的本質(zhì)，也不知道為什么引入力臂的概念，這樣的教學(xué)安排不符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律.

引入力臂概念是為了方便探究杠桿的平衡條件，教師需要?jiǎng)?chuàng)造情境，引導(dǎo)學(xué)生建立力臂概念.抓住概念本質(zhì).為此，不少物理教師的做法是：先給出支點(diǎn)、動(dòng)力、阻力的概念，然后讓學(xué)生初步探究杠桿的平衡條件.沒(méi)有力臂概念之前，學(xué)生會(huì)用“支點(diǎn)到動(dòng)力的作用點(diǎn)（記為距離1）”“支點(diǎn)到阻力的作用點(diǎn)（記為距離2）”表示.在學(xué)生發(fā)現(xiàn)杠桿的平衡條件為“動(dòng)力×距離1=阻力×距離2”后，教師再用彎曲杠桿演示，使學(xué)生發(fā)生認(rèn)知沖突，從而適時(shí)建立力臂概念.這樣的處理符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，而且能很好地形成力臂的物理觀念.但是受課時(shí)限制，我們可能沒(méi)有充足的時(shí)間去探究.為此，筆者采取了以下方案.

1.2.1 是什么影響了蹺蹺板的轉(zhuǎn)動(dòng)效果

教師要求學(xué)生用圖3的裝置模擬蹺蹺板，使蹺蹺板在水平位置靜止，并總結(jié)影響蹺蹺板轉(zhuǎn)動(dòng)效果的因素.通過(guò)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生發(fā)現(xiàn)：保持1元硬幣位置不變將5角硬幣向右移動(dòng)、保持5角硬幣位置不變將1元硬幣向右移動(dòng)，都可實(shí)現(xiàn)蹺蹺板在水平位置靜止.所以，力的大小、力的作用點(diǎn)到支點(diǎn)的距離都會(huì)影響杠桿的轉(zhuǎn)動(dòng)效果.

1.2.2 力的方向也會(huì)影響杠桿的轉(zhuǎn)動(dòng)效果

力的三要素有大小、方向、作用點(diǎn).當(dāng)學(xué)生意識(shí)到力的大小、力的作用點(diǎn)到支點(diǎn)的距離影響杠桿的轉(zhuǎn)動(dòng)效果后，教師提出問(wèn)題并演示：當(dāng)力的方向改變時(shí)，杠桿的轉(zhuǎn)動(dòng)效果是否改變？

圖4是自制力臂演示器，轉(zhuǎn)盤(pán)上標(biāo)有刻度，細(xì)線懸掛的鉤碼相當(dāng)于動(dòng)力和阻力，定滑輪可以改變力的方向.由圖4可知，當(dāng)力的大小、力的作用點(diǎn)到支點(diǎn)的距離相同而力的方向改變時(shí)，杠桿的轉(zhuǎn)動(dòng)效果也不同.

1.2.3 抓住本質(zhì)，建立力臂概念

當(dāng)力的方向、力的作用點(diǎn)到支點(diǎn)的距離都改變時(shí)，杠桿的轉(zhuǎn)動(dòng)效果是否改變？繼續(xù)用力臂演示器演示，如圖5所示，杠桿的轉(zhuǎn)動(dòng)效果沒(méi)有改變.因此，應(yīng)該有一個(gè)更全面的因素影響杠桿的轉(zhuǎn)動(dòng)效果，是什么呢？教師繼續(xù)用力臂演示器演示，轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)，使細(xì)線與刻度盤(pán)的刻度重合，如圖6所示.

由實(shí)驗(yàn)可知，兩次實(shí)驗(yàn)杠桿的轉(zhuǎn)動(dòng)效果相同的根本原因是：支點(diǎn)到力的作用線的距離相同，由此引入力臂概念.

2 科學(xué)探究——探究杠桿的平衡條件

學(xué)生已經(jīng)知道物體的平衡狀態(tài)包括靜止?fàn)顟B(tài)和勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài).在此基礎(chǔ)上，教師告訴學(xué)生，杠桿在動(dòng)力和阻力作用下靜止或勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，即杠桿平衡.同時(shí)，教師要給出如圖7所示杠桿，學(xué)生需要明白兩種情況都是平衡狀態(tài)，而本節(jié)課針對(duì)杠桿在水平位置平衡時(shí)進(jìn)行探究.

2.1 認(rèn)真對(duì)待學(xué)生提出的合理猜想

在體驗(yàn)?zāi)M蹺蹺板之后，學(xué)生已經(jīng)知道影響杠桿平衡（即上面提到的杠桿的轉(zhuǎn)動(dòng)效果）的因素有動(dòng)力、阻力、動(dòng)力臂、阻力臂，并且發(fā)現(xiàn)：力大力臂短，力小力臂長(zhǎng)的規(guī)律.當(dāng)教師提出問(wèn)題“杠桿平衡時(shí)動(dòng)力、阻力、動(dòng)力臂、阻力臂之間滿足什么定量關(guān)系”后，學(xué)生能夠排除“力與力臂相減”或“力與力臂相除”的關(guān)系，因?yàn)橄鄿p或相除肯定不會(huì)相等，所以學(xué)生的猜想是“力與力臂相加”或“力與力臂相乘”的關(guān)系.

2.2 關(guān)于實(shí)驗(yàn)方案

筆者查閱了不同版本的初中物理教材，發(fā)現(xiàn)不同教材的實(shí)驗(yàn)方案是不同的（如圖8所示）.人教版和滬科粵教版的教材一致，即用鉤碼對(duì)杠桿施的力作為動(dòng)力和阻力;北師大版教材用到了鉤碼和彈簧測(cè)力計(jì)，且彈簧測(cè)力計(jì)的施力方向是豎直向上;蘇科版教材也用到了鉤碼和彈簧測(cè)力計(jì)，但彈簧測(cè)力計(jì)的施力方向是豎直向下.應(yīng)該說(shuō)，使用彈簧測(cè)力計(jì)能使規(guī)律更具普遍性，但要考慮課時(shí)的限制，蘇科版的插圖中由于彈簧測(cè)力計(jì)是倒著使用，需要倒著調(diào)零，而倒著調(diào)零最方便的方法如圖9所示：將彈簧測(cè)力計(jì)甲豎直正方向調(diào)零，再將彈簧測(cè)力計(jì)乙與彈簧測(cè)力計(jì)甲鉤對(duì)鉤相連，讓兩個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)一致.所以，筆者認(rèn)為，讓學(xué)生用鉤碼進(jìn)行3次測(cè)量，再用彈簧測(cè)力計(jì)豎直向上測(cè)1次較為合理.

2.3 數(shù)據(jù)分析與處理

學(xué)生得出數(shù)據(jù)后如何處理數(shù)據(jù)進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生得出結(jié)論？有的老師引導(dǎo)學(xué)生直接得出結(jié)論，有的老師引導(dǎo)學(xué)生得出力與力臂反比例關(guān)系.筆者認(rèn)為，大部分初中物理教材把杠桿安排在八年級(jí)下學(xué)期，學(xué)生沒(méi)有學(xué)反比例函數(shù)，不適合從反比例角度分析定量關(guān)系;蘇科版教材把杠桿放在九年級(jí)，此時(shí)學(xué)生已經(jīng)學(xué)了反比例函數(shù)，可以從力與力臂成反比角度分析.

3 科學(xué)思維——為什么要在杠桿水平平衡時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)

3.1 杠桿的種類(lèi)及自身重力對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響

實(shí)驗(yàn)室用來(lái)做“探究杠桿平衡條件”實(shí)驗(yàn)的杠桿，按照支點(diǎn)的位置不同，可分為三類(lèi)（如圖10所示）.無(wú)論哪種類(lèi)型的杠桿，由于杠桿轉(zhuǎn)軸的孔徑非常小，所以轉(zhuǎn)軸處摩擦力的力矩也非常小，可以忽略不計(jì).

圖10a的杠桿，支點(diǎn)在杠桿的上邊緣中點(diǎn).這種杠桿調(diào)節(jié)水平平衡比較容易，但由于支點(diǎn)與重心之間間距較大，在實(shí)驗(yàn)前如果杠桿不是嚴(yán)格水平，此時(shí)重心必然在支點(diǎn)正下方，重力力臂為零，當(dāng)杠桿懸掛鉤碼在水平位置平衡時(shí)，杠桿自重的力矩影響比較大（如圖11所示），實(shí)驗(yàn)誤差也就比較大.

圖10b的杠桿，支點(diǎn)在幾何中心，調(diào)節(jié)平衡螺母，可使杠桿重心與支點(diǎn)重合.當(dāng)杠桿重心與支點(diǎn)重合時(shí)，杠桿重力的力臂為零，杠桿可以在任何位置平衡，不容易在水平位置調(diào)節(jié)平衡;如果杠桿重心與支點(diǎn)不重合（由于平衡螺母的位置影響，平衡螺母和杠桿構(gòu)成的杠桿重心可能不重合），則杠桿在自身重力作用下必然會(huì)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，最終變?yōu)樨Q直狀態(tài)（如圖12所示）.因此，無(wú)論杠桿重心與支點(diǎn)是否重合，都很難調(diào)節(jié)杠桿在水平位置平衡，不易操作.

因此，實(shí)驗(yàn)室用的杠桿主要是圖10c的杠桿，支點(diǎn)在幾何中心之上、上邊緣之下.這種杠桿調(diào)節(jié)水平平衡容易，且由于支點(diǎn)到重心的距離小，杠桿重力的力臂也很小，在杠桿沒(méi)有嚴(yán)格水平平衡時(shí)，對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響也就小.

3.2 杠桿在水平位置平衡的原因

我們對(duì)圖10c的杠桿進(jìn)行分析.如果實(shí)驗(yàn)前杠桿沒(méi)有在水平位置平衡，如圖13a所示，杠桿重心在支點(diǎn)正下方，杠桿重力力臂為零;如果掛上鉤碼后使杠桿在水平位置平衡，如圖13b所示，此時(shí)杠桿重心在支點(diǎn)左下方，杠桿重力力臂不為零，對(duì)實(shí)驗(yàn)有一定的影響.如果實(shí)驗(yàn)前杠桿沒(méi)有在水平位置平衡，為了消除杠桿自身重力影響，需要使杠桿掛上鉤碼后傾斜角度與實(shí)驗(yàn)前相同，如圖13c所示，但是測(cè)量力臂非常不方便.

綜上分析，實(shí)驗(yàn)前調(diào)節(jié)杠桿水平平衡是為了消除杠桿自身重力的影響;實(shí)驗(yàn)中調(diào)節(jié)杠桿水平平衡是為了方便測(cè)量力臂.但是，我們必須清楚，實(shí)驗(yàn)前和實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的調(diào)節(jié)平衡不是獨(dú)立的，而應(yīng)該是一致的.如果不一致，要么杠桿自身重力有影響，要么測(cè)量力臂不方便.

4 科學(xué)態(tài)度與責(zé)任——真的可以撬動(dòng)地球嗎

“給我一個(gè)支點(diǎn)，我可以撬動(dòng)地球.”這是人們熟悉的阿基米德的名言.根據(jù)杠桿平衡條件，動(dòng)力臂需要多長(zhǎng)才能撬動(dòng)地球？如圖14所示，教師把數(shù)據(jù)給學(xué)生：以月球?yàn)橹c(diǎn)，地球質(zhì)量m地約為6×1024kg，月地平均距離L2約為38.44萬(wàn)公里，為了計(jì)算方便，近似取值4×108m，一個(gè)成年人體重m人=70kg，求動(dòng)力臂L1（即人到月球的距離）.

由杠桿平衡條件：m人g·L1= m地g·L2;

則動(dòng)力臂L1=m地L2m人=6×1024kg×4×108m70kg=3.43×1031m.

再將動(dòng)力臂的長(zhǎng)度變換成光年，1光年≈9.5×1015m，則動(dòng)力臂L1≈3.61×1015 光年，即3610萬(wàn)億光年.目前的研究認(rèn)為宇宙的范圍為930億光年，撬動(dòng)地球的杠桿長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了宇宙的大小，因此，撬動(dòng)地球只是一個(gè)理想.

5 結(jié)束語(yǔ)

基于核心素養(yǎng)的物理教學(xué)沒(méi)有固定的教學(xué)模式.核心素養(yǎng)的落地首先需要物理教師更新理念，以核心素養(yǎng)的四個(gè)方面為指導(dǎo)，加強(qiáng)深度備課，重視學(xué)生物理觀念的形成，在每一節(jié)課中注重學(xué)生科學(xué)思維的提升，通過(guò)物理和生活的聯(lián)系培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和責(zé)任，從而發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng).

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（收稿日期：2020-12-30）