利用真實(shí)情境促進(jìn)學(xué)生思維進(jìn)階
——以“杠桿”教學(xué)為例

焦 明

(南京師范大學(xué)附屬中學(xué)樹人學(xué)校，江蘇 南京 210036)

在蘇科版物理九年級(jí)第十一章第一節(jié)“杠桿”中，先通過“拔釘子”活動(dòng)體驗(yàn)生活中三種杠桿的使用過程，歸納出杠桿的定義；然后以螺絲刀撬圖釘為例，直接給出了與杠桿有關(guān)的五個(gè)名詞，即杠桿五要素。在授課中，筆者發(fā)現(xiàn)學(xué)生采用機(jī)械記憶的方法學(xué)習(xí)力臂概念，學(xué)習(xí)效果并不好。很多學(xué)生在后續(xù)的學(xué)習(xí)中還是不能正確理解力臂的概念,而且因?yàn)闆]有深入理解，容易遺忘，導(dǎo)致在畫力臂或分析力臂時(shí)遇到困難。

學(xué)習(xí)進(jìn)階理論指出：學(xué)生的學(xué)習(xí)過程是從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，連續(xù)地推理認(rèn)知、發(fā)展的過程。[1]杠桿在生活中是隨處可見的簡(jiǎn)單機(jī)械，對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)，雖然沒有深入研究，但有很多的生活體驗(yàn)?！墩n程標(biāo)準(zhǔn)》要求教學(xué)要“從生活走向物理，從物理走向社會(huì)”。如果教師能夠從學(xué)生認(rèn)知的角度創(chuàng)設(shè)貼近生活的真實(shí)情境來(lái)展開杠桿的概念教學(xué)，將大大降低學(xué)生理解的難度，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。以下是筆者基于上述思考進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，取得了較好的教學(xué)效果。

1 精選生活情境，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

本節(jié)課以實(shí)驗(yàn)視頻的方式引入：身強(qiáng)體壯的父親和稚氣的孩子進(jìn)行了一次關(guān)于力量的較量：拉起重達(dá)兩噸的汽車。結(jié)果是爸爸費(fèi)了九牛二虎之力，汽車紋絲不動(dòng)；一年級(jí)的兒子略微用力，輕松獲勝(圖1)。

圖1

實(shí)驗(yàn)視頻取材于生活中真實(shí)發(fā)生的事件，貼近學(xué)生的生活。雖然很多學(xué)生能預(yù)想到實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，但真實(shí)情境引發(fā)的認(rèn)知沖突還是一下子激發(fā)了學(xué)生的求知欲。讓學(xué)生對(duì)這個(gè)能起到“四兩撥千斤”神奇作用的機(jī)械——杠桿產(chǎn)生了濃厚的興趣，為接下來(lái)的學(xué)習(xí)做好鋪墊。

2 通過情境類比，建立抽象模型

科學(xué)建模教學(xué)理論的提出者海斯特斯指出：“物理研究(學(xué)習(xí))的過程即是對(duì)自然世界建模的過程?！蹦Ｐ徒?gòu)是核心素養(yǎng)中科學(xué)思維的要素，[2]而初中生的思維正處于從形象思維到抽象思維過渡的階段， 建構(gòu)模型更應(yīng)該以真實(shí)情境為抓手。

所以在這節(jié)課中，筆者先讓學(xué)生充分體驗(yàn)生活中熟悉的三個(gè)情境：用起子撬起釘子、用剪刀剪斷繩子和用鑷子夾取物體(圖2)，并向?qū)W生分別提出3個(gè)問題：

圖2

(1) 杠桿的材質(zhì)在軟硬程度上有什么共同點(diǎn)？

(2) 杠桿在工作中發(fā)生了怎樣的運(yùn)動(dòng)？

(3) 在什么條件下，杠桿才能發(fā)生這樣的運(yùn)動(dòng)？

依據(jù)生活體驗(yàn)學(xué)生能很快總結(jié)出：杠桿是一根在力的作用下繞著固定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的硬棒。這樣，學(xué)生不僅對(duì)杠桿的定義加深了印象，能夠舍棄次要因素，抽取出這些機(jī)械的共同特點(diǎn)，建立杠桿模型。

3 通過生活應(yīng)用，激發(fā)認(rèn)知沖突

建立杠桿模型只是第一步，本節(jié)課的教學(xué)難點(diǎn)是力臂概念的建立。在杠桿五要素中，對(duì)于支點(diǎn)、動(dòng)力、阻力的概念學(xué)生很容易理解。但由于生活經(jīng)驗(yàn)的局限性，多數(shù)學(xué)生對(duì)力臂缺乏準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)，會(huì)認(rèn)為支點(diǎn)到力的作用點(diǎn)的距離就是力臂。在這樣的情況下，如果教師只是簡(jiǎn)單地告知學(xué)生力臂的科學(xué)概念,學(xué)生只能是囫圇吞棗，還是會(huì)回到原來(lái)錯(cuò)誤的前概念。在授課中，教師不僅不能回避學(xué)生對(duì)力臂有錯(cuò)誤認(rèn)知的事實(shí)，反而要多加利用?？梢詣?chuàng)設(shè)生活情境，激發(fā)認(rèn)知沖突，幫助學(xué)生轉(zhuǎn)變概念。這節(jié)課中，筆者共創(chuàng)設(shè)了三個(gè)生活情境，幫助學(xué)生完成對(duì)力臂概念的學(xué)習(xí)進(jìn)階。

圖3

(1) 進(jìn)一步體驗(yàn)剪刀剪繩子的過程。將繩子由A點(diǎn)向C點(diǎn)方向逐漸靠近支點(diǎn)O,在手位置不變的情況，體驗(yàn)剪斷同樣一根繩子所需要的力大小是否相同(圖3)。學(xué)生發(fā)現(xiàn)：越靠近支點(diǎn)，剪斷繩子需要的力越小。

(2) 進(jìn)一步分析孩子拉動(dòng)汽車的原因。教師帶領(lǐng)學(xué)生對(duì)之前視頻中“父子較量”進(jìn)行受力分析(圖4)，引導(dǎo)學(xué)生思考孩子獲勝的原因，此時(shí)多數(shù)學(xué)生通過分析，認(rèn)為是支點(diǎn)到力的作用點(diǎn)距離很大。

圖4

(3) 利用實(shí)驗(yàn)激發(fā)認(rèn)知沖突。教師通過實(shí)驗(yàn)再現(xiàn)視頻中的情境：利用杠桿可以用較小的力F1拉起較重的物體(圖5)。但當(dāng)改變F1的方向時(shí)，彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)會(huì)明顯增大(圖6)。對(duì)比兩次實(shí)驗(yàn)，教師帶領(lǐng)學(xué)生繼續(xù)分析：在實(shí)驗(yàn)的過程中，支點(diǎn)到動(dòng)力和阻力作用點(diǎn)的距離并沒有發(fā)生變化，到底是什么因素導(dǎo)致了動(dòng)力大小的變化呢？

圖5

圖6

三個(gè)生活情境環(huán)環(huán)相扣：第一個(gè)生活情境重在讓學(xué)生體驗(yàn)、感受力臂的存在，發(fā)現(xiàn)隨著力臂的變化，動(dòng)力大小在逐漸發(fā)生變化；第二個(gè)生活情境重在讓學(xué)生觀察，引導(dǎo)他們嘗試建構(gòu)力臂的概念，雖然可能存在一定的錯(cuò)誤，但勝在獨(dú)立思考；第三個(gè)生活情境重在讓學(xué)生分析，利用實(shí)驗(yàn)激發(fā)認(rèn)知沖突，為后面準(zhǔn)確建構(gòu)力臂的概念埋下伏筆。

通過對(duì)三個(gè)生活情境進(jìn)行對(duì)比分析，能夠有效拉近學(xué)生與力臂這一陌生概念的距離；而且通過三個(gè)生活情境激發(fā)了認(rèn)知沖突，深化了學(xué)生對(duì)力臂概念的思考。

4 通過實(shí)驗(yàn)釋疑，提升思維品質(zhì)

在激發(fā)了認(rèn)知沖突之后，筆者設(shè)計(jì)了下面的實(shí)驗(yàn)：在一根直杠桿兩端各固定兩片完全相同的均勻打孔的鐵片,在兩塊鐵片上分別懸掛兩個(gè)質(zhì)量相等的掛鉤，左右兩側(cè)各懸掛一定數(shù)目的鉤碼使杠桿保持水平平衡。在本次實(shí)驗(yàn)中，左側(cè)懸掛4個(gè)鉤碼，動(dòng)力臂為12 cm；右側(cè)鉤碼用掛鉤懸掛在右側(cè)鐵片上，阻力臂為24 cm(圖7)。

圖7

師：此時(shí)杠桿已處于水平平衡，如果將右側(cè)鉤碼的懸掛點(diǎn)由A點(diǎn)換成B點(diǎn)，杠桿還能保持水平平衡嗎？

學(xué)生討論后，大部分同學(xué)不置可否。有的同學(xué)覺得不能保持，有的同學(xué)覺得能夠保持。教師實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)杠桿還是繼續(xù)保持水平平衡。

教師引導(dǎo)學(xué)生分析這次實(shí)驗(yàn)的杠桿模型，發(fā)現(xiàn)此時(shí)支點(diǎn)到力的作用點(diǎn)的距離在逐漸變大，而杠桿始終保持水平平衡(圖8)。那到底是什么因素會(huì)影響杠桿的平衡呢？經(jīng)過討論后學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)：在這次實(shí)驗(yàn)中，支點(diǎn)到力的作用線的距離一直沒有發(fā)生變化！是不是支點(diǎn)到力的作用線的距離才是影響杠桿平衡的因素呢？

圖8

為了進(jìn)一步驗(yàn)證，教師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)之前圖5和圖6所示的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析(圖9、圖10)。通過作圖，學(xué)生發(fā)現(xiàn)：在拉起重物的過程中，雖然支點(diǎn)到動(dòng)力作用點(diǎn)的距離沒有發(fā)生變化，但斜拉時(shí)，支點(diǎn)到動(dòng)力作用線的距離明顯變小了，所以所需要的動(dòng)力就變大了！此時(shí)學(xué)生便能順利地總結(jié)得出力臂的概念了。

圖9

圖10

物理來(lái)源于生活，又應(yīng)用與生活。我們?cè)诮虒W(xué)中應(yīng)該以學(xué)生看得見、摸得著的真實(shí)情境為抓手，貼近學(xué)生生活，才能引領(lǐng)學(xué)生從感性認(rèn)識(shí)向理性認(rèn)識(shí)發(fā)展；從學(xué)生真實(shí)的認(rèn)知水平出發(fā)，才能真正地激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生的核心素養(yǎng)。