“力臂”概念建構(gòu)的思維導(dǎo)析

王正虎

關(guān)鍵詞：杠杠;力臂;力的三要素;實(shí)驗(yàn)探究

在杠桿學(xué)習(xí)過(guò)程中，對(duì)初中學(xué)生來(lái)說(shuō)“力臂”概念全新而陌生。“力臂”概念建構(gòu)是“杠桿”教學(xué)的重點(diǎn)，也是難點(diǎn)。教學(xué)中如何突破該難點(diǎn)？本文結(jié)合筆者的教學(xué)實(shí)踐來(lái)介紹“力臂”概念的建構(gòu)思維活動(dòng)過(guò)程。

1教學(xué)背景分析

1.1前認(rèn)知分析

“杠桿”在“蘇科版”教材中是安排在九年級(jí)（初三年級(jí)）上學(xué)期的教學(xué)內(nèi)容。在這之前，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了力（包括重力、彈力和摩擦力）及其三要素，力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系（包括二力平衡、牛頓第一定律）。即學(xué)生知道“力的大小、方向、作用點(diǎn)對(duì)力的作用效果的影響”“力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因”等。學(xué)生對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的理解只涉及到物體速度大小和方向的改變，未涉及物體轉(zhuǎn)動(dòng)問(wèn)題，學(xué)生不清楚、不明白轉(zhuǎn)動(dòng)是不是指運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變。

1.2教材呈現(xiàn)分析

如圖1所示?！疤K科版”教材中呈現(xiàn)了與杠桿有關(guān)的名稱、意義與解讀。但對(duì)“力臂”提到的“從支點(diǎn)到動(dòng)（阻）力的作用線的距離”中“力的作用線”未作出解讀：教材也沒(méi)有安排與杠桿相關(guān)的情境或?qū)嶒?yàn)作為概念建構(gòu)的鋪墊過(guò)程。這就為教師在教學(xué)實(shí)踐中進(jìn)行教材處理和選取教學(xué)素材留下了創(chuàng)作的空間。從新課程的理念來(lái)講，教師在教學(xué)中要通過(guò)“科學(xué)探究”的方式來(lái)幫助學(xué)生建構(gòu)“力臂”概念。

1.3認(rèn)知障礙分析

教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)告訴我們。學(xué)生在學(xué)習(xí)“支點(diǎn)”“動(dòng)（阻）力”時(shí)比較容易，理解程度也較深，而對(duì)“動(dòng)（阻）力臂”的學(xué)習(xí)往往會(huì)出現(xiàn)差異。不少學(xué)生對(duì)于為什么有“力臂”這個(gè)概念不太理解。對(duì)“支點(diǎn)到力的作用線”“支點(diǎn)到力的作用點(diǎn)”容易混淆。

實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明。學(xué)生在沒(méi)有感知和相關(guān)經(jīng)驗(yàn)儲(chǔ)備時(shí)。對(duì)于一個(gè)新概念的認(rèn)知往往會(huì)有自己的“內(nèi)隱化”的認(rèn)識(shí)。就會(huì)把“支點(diǎn)到力的作用線”與“支點(diǎn)到力的作用點(diǎn)”等同起來(lái)。學(xué)生理解不了“力臂”是反映物體轉(zhuǎn)動(dòng)效果的物理量。

綜上分析。教師在實(shí)際教學(xué)中要幫助學(xué)生突破學(xué)習(xí)的難點(diǎn)，為學(xué)生的認(rèn)知過(guò)程提供應(yīng)有的思維通道，幫助他們建構(gòu)準(zhǔn)確的“力臂”概念。

2教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)分析

2.1實(shí)驗(yàn)探究。建構(gòu)概念

在學(xué)生初步認(rèn)識(shí)“杠桿”，并對(duì)“杠桿平衡”（靜止或勻速轉(zhuǎn)動(dòng)）有些許理解之后。通過(guò)探究性實(shí)驗(yàn)來(lái)幫助學(xué)生建構(gòu)“力臂”的概念。

【實(shí)驗(yàn)1】（1）如圖2所示，調(diào)節(jié)杠桿在水平位置平衡，然后在杠桿左側(cè)某點(diǎn)掛一個(gè)鉤碼，杠桿立即失去平衡;接著在右側(cè)等距處掛一個(gè)相同的鉤碼，杠桿再次水平平衡。

設(shè)計(jì)意圖：觀察實(shí)驗(yàn)。讓學(xué)生體驗(yàn)到力可以改變物體的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)。

（2）如圖3所示，調(diào)節(jié)杠桿在水平位置平衡。在左側(cè)某點(diǎn)掛兩個(gè)鉤碼。在B點(diǎn)用彈簧測(cè)力計(jì)豎直下拉（位置3），使杠桿在水平位置平衡。

設(shè)計(jì)意圖：力的大小影響杠桿的轉(zhuǎn)動(dòng)效果。

（3）將拉力作用點(diǎn)移到A點(diǎn)，豎直向下拉杠桿（位置1），杠桿由不平衡到重新平衡。

設(shè)計(jì)意圖：力的作用點(diǎn)影響杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)效果。

（4）將彈簧測(cè)力計(jì)在A點(diǎn)由位置1旋轉(zhuǎn)到位置2，讓學(xué)生觀察杠桿由不平衡到平衡的過(guò)程。

設(shè)計(jì)意圖：力的方向影響杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)效果。

歸納：力的大小、方向、作用點(diǎn)都會(huì)影響杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)效果，即力的三要素會(huì)改變杠桿的轉(zhuǎn)動(dòng)效果。

【實(shí)驗(yàn)2】利用圖4所示裝置，讓學(xué)生探究“杠桿平衡條件”。

設(shè)計(jì)意圖：利用教材。讓學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析與歸納。訓(xùn)練學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能，同時(shí)讓學(xué)生體會(huì)“杠桿平衡”的意思;學(xué)習(xí)歸納實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

歸納：同學(xué)們通過(guò)探究實(shí)驗(yàn)歸納結(jié)論：“動(dòng)力×支點(diǎn)到動(dòng)力作用點(diǎn)的距離=阻力×支點(diǎn)到阻力作用點(diǎn)的距離”是杠桿平衡條件。這個(gè)結(jié)論是否能夠成為杠桿平衡條件的一般性結(jié)論？

【實(shí)驗(yàn)3】（1）結(jié)合圖3實(shí)驗(yàn)裝置，做圖5所示實(shí)驗(yàn)。在B點(diǎn)調(diào)節(jié)力的大小，方向始終與杠桿垂直，使杠桿在水平位置平衡，記下力的大小F1，測(cè)出OB距離L1;改變力的方向，調(diào)整拉力角度，使杠桿在水平位置平衡，記下力的大小F2。

設(shè)計(jì)意圖：在杠桿平衡時(shí)為鉤碼重力，為支點(diǎn)到鉤碼對(duì)杠桿拉力作用點(diǎn)的距離）;認(rèn)識(shí)到“動(dòng)力×支點(diǎn)到動(dòng)力作用點(diǎn)的距離=阻力×支點(diǎn)到阻力作用點(diǎn)的距離”不是杠桿平衡的一般表達(dá)式。它只是在動(dòng)力和阻力分別與杠桿“垂直”時(shí)成立。另一方面。讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到力的方向?qū)Ω軛U平衡的影響。需要引入新的物理量才能研究出其平衡條件。這個(gè)新物理量如果定義呢？

（2）由“垂直”聯(lián)想：試著作支點(diǎn)到F2的垂直線（此時(shí)順便引入“力的作用線”概念）。如圖5所示，并測(cè)量出垂足到支點(diǎn)的距離L2;計(jì)算F2L2，并與GL比較。

設(shè)計(jì)意圖：運(yùn)用聯(lián)想的思維策略。引發(fā)學(xué)生主動(dòng)思維。自覺(jué)引入“垂直線”的想法。然后看這個(gè)想法是否成立（創(chuàng)新思維的一種基礎(chǔ)策略）。學(xué)生發(fā)現(xiàn)，從而驗(yàn)證其觀點(diǎn)。這種想法是否具有一般性？

（3）實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：如圖6所示，彈簧測(cè)力計(jì)在D點(diǎn)拉杠桿使其平衡，記下力的大小F3，測(cè)量距離L3，分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，尋找規(guī)律。

設(shè)計(jì)意圖：在上述實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)想，并尋找到。

為研究杠桿平衡條件。引入“力臂”這個(gè)物理概念，其表述為“支點(diǎn)到力的作用線的距離”。從而歸納出杠桿平衡條件：動(dòng)力×動(dòng)力臂=阻力×阻力臂。

2.2建構(gòu)概念的思維過(guò)程分析

從上述實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程可以看到?！傲Ρ邸备拍钍前殡S著“杠桿平衡條件”規(guī)律的尋找應(yīng)運(yùn)而生的。是在學(xué)生對(duì)杠桿進(jìn)行充分認(rèn)知和實(shí)驗(yàn)操作的過(guò)程中建構(gòu)的必要的概念。其思維過(guò)程是一個(gè)從特殊到一般的過(guò)程。是一個(gè)從現(xiàn)實(shí)到理念的過(guò)程，是一個(gè)從他主學(xué)習(xí)到自主學(xué)習(xí)的過(guò)程。

總之，無(wú)論是在學(xué)習(xí)方式。還是在思維過(guò)程中。這種教學(xué)方式都有利于學(xué)生物理學(xué)科素養(yǎng)的沉淀，把物理研究、思考的方法時(shí)刻滲透在具體的概念建構(gòu)和規(guī)律學(xué)習(xí)的過(guò)程中。將教師生硬的給予轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生主動(dòng)的建構(gòu)。