以問題激發(fā)思考 借探究實(shí)現(xiàn)成長
——蘇科版物理九（上）“杠桿”教學(xué)與反思

■董伏勇

本節(jié)課是蘇科版物理教材九年級上冊第十一章第一節(jié)內(nèi)容，根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)的要求，通過實(shí)驗(yàn)，探究并了解杠桿的平衡條件。在教學(xué)中，教師應(yīng)將知識問題化，以問題驅(qū)動學(xué)生思考，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用已有的物理知識和方法進(jìn)行自主探究。本節(jié)課具體通過九個邏輯嚴(yán)密、層層遞進(jìn)、逐級深化的問題串設(shè)置，驅(qū)動學(xué)生思考、討論和探究。學(xué)生在探究中將問題一一解決，從而找出本節(jié)學(xué)習(xí)和解決實(shí)際問題的核心策略，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)目標(biāo)的有效達(dá)成，促進(jìn)思維發(fā)展，提升科學(xué)素養(yǎng)。

一、課堂實(shí)錄

【探討1】

學(xué)生活動：選擇合適的工具把瓶蓋撬開（如圖1），在活動中尋找不同的方法并找到方便、省力的方法。

圖1

師：這些工具本身有什么共同的物理屬性？

生：硬度都比較大，都是硬棒。

師：使用這類工具時，施加力的目的是什么？

生：使它繞固定點(diǎn)轉(zhuǎn)動。

師：施加力就一定能使它轉(zhuǎn)動嗎？為什么？

生：不一定，因?yàn)橛凶枇Α?/p>

師：你能說出這些工具在使用時的共同特征嗎？

生：在力的作用下，能繞固定點(diǎn)轉(zhuǎn)動。

［設(shè)計(jì)意圖］學(xué)生通過使用這些工具進(jìn)行活動，總結(jié)出這些工具在使用過程中的共同特征。設(shè)計(jì)本環(huán)節(jié)的目的是讓學(xué)生自主構(gòu)建杠桿模型，同時自主定義什么是杠桿，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中先認(rèn)識杠桿五要素里的三個要素：支點(diǎn)O、動力F1、阻力F2。

【探討2】

師：剛剛你在使用杠桿時，使杠桿勻速轉(zhuǎn)動或靜止，我們就認(rèn)為杠桿處于平衡狀態(tài)。請你畫出在使用杠桿時的動力和阻力。

學(xué)生畫出圖形（如圖2）。

圖2

師：根據(jù)你所畫的圖，你能從力的三要素角度說出動力和阻力的特點(diǎn)嗎？

生：受力物體都是杠桿，動力使杠桿轉(zhuǎn)動，阻力阻礙杠桿轉(zhuǎn)動。它們使杠桿轉(zhuǎn)動的效果相反。

師：動力和阻力大小關(guān)系呢？

生：未撬開瓶蓋時動力小于阻力，撬開瓶蓋時動力大于阻力，所以都有可能。

［設(shè)計(jì)意圖］學(xué)生畫出動力和阻力之后，再自主分析力的三要素，能夠生成動力和阻力的受力物體都是杠桿，作用點(diǎn)都在杠桿上，以及從杠桿平衡角度分析出動力與阻力的方向和對杠桿的作用效果是相反的，為接下來的實(shí)驗(yàn)探究做好知識鋪墊。通過生活實(shí)例，學(xué)生發(fā)現(xiàn)動力和阻力在不同狀態(tài)時的大小關(guān)系，產(chǎn)生探究問題的興趣。

【探討3】

師：杠桿在平衡時，你怎樣比較動力與阻力的大小關(guān)系？

生：讓阻力不變，改變動力，比較動力與阻力的大小關(guān)系。

師：你準(zhǔn)備如何改變動力呢？

生：改變動力的作用點(diǎn)或者方向。

學(xué)生根據(jù)設(shè)計(jì)的方案（如圖3），進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，杠桿平衡時，測出并記錄每個鉤碼的重力、阻力的作用點(diǎn)到支點(diǎn)O的距離、動力的作用點(diǎn)到支點(diǎn)O的距離以及動力的大小。

圖3

師：分析數(shù)據(jù)，你發(fā)現(xiàn)動力和阻力大小有什么關(guān)系嗎？你能根據(jù)動力和阻力的大小關(guān)系對杠桿分類嗎？

生：動力可以小于、等于、大于阻力，按照動力與阻力的大小關(guān)系可以將杠桿分為省力杠桿、等力杠桿、費(fèi)力杠桿。

師：你能找出杠桿省力、等力、費(fèi)力的原因嗎？

生：應(yīng)該是受到動力的作用點(diǎn)到O點(diǎn)距離的影響。

師：那F1′、F2′、F3′的作用點(diǎn)到O點(diǎn)距離相同，可為什么大小不同呢？

生：……

［設(shè)計(jì)意圖］學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)，分析數(shù)據(jù)，得到動力可以大于、等于、小于阻力。同時，學(xué)生初步發(fā)現(xiàn)造成動力與阻力大小變化的原因在于動力作用點(diǎn)到支點(diǎn)的距離。如阻力作用點(diǎn)到支點(diǎn)的距離與F2′作用點(diǎn)到支點(diǎn)的距離相等，則F2′等于阻力大小，此時類似于托盤天平，符合學(xué)生的原有認(rèn)知。而教師的及時追問又引起學(xué)生的認(rèn)知矛盾與好奇心：對呀！F1′、F2′、F3′的作用點(diǎn)到支點(diǎn)O的距離相同，可為什么它們大小不同呢？動力與阻力的大小關(guān)系究竟和什么因素有關(guān)呢？值得研究！

【探討4】

師：動力與阻力的大小關(guān)系究竟與什么因素有關(guān)呢？

生：與支點(diǎn)到動力（阻力）作用線的距離有關(guān)。

［設(shè)計(jì)意圖］教師引導(dǎo)學(xué)生通過分析數(shù)據(jù)，自主發(fā)現(xiàn)支點(diǎn)到動力作用點(diǎn)的距離不同，動力F2′、F4′、F5′大小也不同。那么動力的大小究竟與什么因素有關(guān)呢？通過觀察圖3，并結(jié)合數(shù)學(xué)知識，很多學(xué)生會聯(lián)想到與支點(diǎn)到動力所在的直線距離有關(guān)。在此基礎(chǔ)上，教師引導(dǎo)學(xué)生畫出這個距離（如圖4），測出并記錄支點(diǎn)O到阻力作用線的距離、阻力的大小、支點(diǎn)O到拉力作用線的距離、拉力的大小。

圖4

分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在阻力和支點(diǎn)到阻力作用線距離不變時，支點(diǎn)到動力作用線距離越大，動力越小。學(xué)生根據(jù)圖4，自然地將支點(diǎn)到動力作用線的距離定義為動力臂l1。

保持右邊的彈簧測力計(jì)豎直向下，拉力大小與作用點(diǎn)都不變，將左邊的鉤碼也換成彈簧測力計(jì)，再重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，使杠桿平衡，測量并記錄支點(diǎn)O到左邊阻力作用線的距離和左邊阻力的大小。

學(xué)生根據(jù)畫圖，也自然地把支點(diǎn)到阻力作用線的距離定義為阻力臂l2。

師生通過觀察分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，最終得出動力與阻力的大小關(guān)系與動力臂和阻力臂有關(guān)，在此基礎(chǔ)上總結(jié)出杠桿五要素：支點(diǎn)O、動力F1、阻力F2、動力臂l1、阻力臂l2以及為杠桿的分類進(jìn)行更名——省力杠桿、等臂杠桿和費(fèi)力杠桿。

學(xué)生通過對比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和觀察圖形，直觀而自主地發(fā)現(xiàn)每次實(shí)驗(yàn)共同的特點(diǎn)是改變了支點(diǎn)到力作用線的距離，從而得出定義動力臂和阻力臂的重要性、必要性和科學(xué)性。同時學(xué)生了解了動力和阻力的大小關(guān)系受到動力臂和阻力臂大小的影響，以及它們之間的定性關(guān)系。從定性關(guān)系再到定量關(guān)系探究，知識層次遞進(jìn)分明，把杠桿平衡探究的難度進(jìn)行有梯度的分解，符合學(xué)生的認(rèn)知。

【探討5】

師：杠桿平衡時，動力、阻力與動力臂、阻力臂有什么具體的數(shù)量關(guān)系？

生：動力乘以動力臂等于阻力乘以阻力臂。

［設(shè)計(jì)意圖］學(xué)生分析以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，作用力為F2′時，等臂杠桿的數(shù)據(jù)相對直觀，應(yīng)用以前用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表示物理意義的方法，易于得到F2′×L2=阻力×阻力臂或

【探討6】

師：如何進(jìn)一步驗(yàn)證你的想法？

生：每次實(shí)驗(yàn)在前一次基礎(chǔ)上只改變F2、l1、l2中的某一個量，再用彈簧測力計(jì)測出對應(yīng)的F1。

［設(shè)計(jì)意圖］學(xué)生嘗試進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)力的大小可以根據(jù)力臂與力的作用線垂直的關(guān)系，通過彈簧測力計(jì)測量，但同時發(fā)現(xiàn)力臂比較難測量。

【探討7】

師：這個實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)在哪里？你準(zhǔn)備用什么辦法解決？

生：難點(diǎn)在于力臂很難測量。若讓杠桿在水平位置平衡，彈簧測力計(jì)沿豎直方向拉杠桿，則力臂與杠桿重合，可以直接測量這段杠桿的長度。

師：結(jié)合托盤天平的使用方法，在實(shí)驗(yàn)前，是否要調(diào)節(jié)杠桿在水平位置平衡？

生：實(shí)驗(yàn)前需要調(diào)節(jié)杠桿在水平位置平衡，避免杠桿自身重力對后續(xù)實(shí)驗(yàn)中杠桿平衡產(chǎn)生影響。

師：若實(shí)驗(yàn)時彈簧測力計(jì)不沿豎直方向拉杠桿，F(xiàn)1l1=F2l2能否成立？你能否設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證？

［設(shè)計(jì)意圖］教師通過提問，驅(qū)動學(xué)生嘗試實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新。學(xué)生斜拉彈簧測力計(jì)，一次次測量力臂“失敗”后，通過小組交流，結(jié)合數(shù)學(xué)知識，提出若拉力作用線是某個圓的切線，則只要連接圓心與切點(diǎn)（半徑），再用直尺測量這個半徑的長度，即為力臂大小。于是設(shè)計(jì)出模型：在支點(diǎn)處固定一個豎直圓盤，并貼上以支點(diǎn)為圓心的多個同心圓的白紙，再在彈簧測力計(jì)軸線方向上固定一個激光筆（如圖5、圖6），以便直觀地看到力的作用線與圓相切，從而突破彈簧測力計(jì)不沿豎直方向拉住杠桿時的力臂測量問題。

圖5

圖6

通過實(shí)驗(yàn)探究得到杠桿平衡時，動力、阻力與動力臂、阻力臂具體數(shù)量關(guān)系是F1l1=F2l2。此時再把以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別代入杠桿平衡關(guān)系式，發(fā)現(xiàn)在誤差允許的范圍內(nèi)，動力×動力臂=阻力×阻力臂都成立，這個結(jié)論是科學(xué)的、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)摹Ｍ瑫r進(jìn)一步分析省力杠桿、等臂杠桿、費(fèi)力杠桿的根本區(qū)別在于動力臂與阻力臂之間的大小關(guān)系：當(dāng)l1>l2時，動力小于阻力，杠桿為省力杠桿；當(dāng)l1

【探討8】

師：在“撬瓶蓋”活動中你使用的工具屬于哪一類杠桿？你是怎么判斷的？

生：省力杠桿。通過畫杠桿五要素圖，比較出l1>l2，再根據(jù)杠桿平衡條件，可以得出是省力杠桿。

師：那么怎樣撬瓶蓋更省力呢？你準(zhǔn)備怎么做？

生：增大動力臂。根據(jù)杠桿平衡條件，在阻力和阻力臂不變時，動力臂越大，動力越小。

［設(shè)計(jì)意圖］這時引導(dǎo)學(xué)生分析圖4作用在A點(diǎn)的三個力F1′、F2′、F3′，依據(jù)杠桿平衡條件，杠桿在圖中位置平衡時，阻力和阻力臂不變，動力臂最大，動力最小。支點(diǎn)與動力作用點(diǎn)連線最長就是最大動力臂，從而知道三個力中最小動力是F2′。

【探討9】

師：你認(rèn)為解決有關(guān)杠桿實(shí)際問題的核心策略是什么？

生：辨別杠桿五要素并畫出杠桿圖，利用杠桿平衡條件解決實(shí)際問題。

［設(shè)計(jì)意圖］生活中，為了達(dá)到不同的目的，往往需要選擇不同類型的杠桿，這就要求選擇者必須會對杠桿進(jìn)行分類并了解不同類型杠桿的使用特點(diǎn)。同時，我們在使用不同類型杠桿的過程中，需要知道怎樣使用才能實(shí)現(xiàn)此杠桿給工作帶來的最大成效。在探尋這些實(shí)際問題的解決策略時，都需要先進(jìn)行杠桿五要素的判斷和圖示，然后結(jié)合杠桿平衡條件進(jìn)行針對性分析，從而找到解決問題的有效策略。綜上所述，解決有關(guān)杠桿實(shí)際問題的核心策略就是“杠桿五要素的判斷和圖示”。

二、教學(xué)反思

教師基于課程標(biāo)準(zhǔn)，深度備課；聯(lián)系教學(xué)實(shí)際，深思精問，注重問題間的邏輯性和遞進(jìn)性；創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，提出問題，有助于學(xué)生為了解決實(shí)際問題主動學(xué)習(xí)，獨(dú)立思考，大膽設(shè)計(jì)，敢于創(chuàng)新。學(xué)生在探究杠桿平衡條件的過程中，通過與學(xué)生“交流”的形式，創(chuàng)造輕松的氛圍，引發(fā)學(xué)生主動地思考問題，尋找解決問題的方法，并主動動手去做，發(fā)揮學(xué)生內(nèi)在潛能和自主創(chuàng)新能力，同時培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)肅認(rèn)真、實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度，真正體現(xiàn)了物理學(xué)科的“生活·物理·社會”的自然科學(xué)味道，促進(jìn)學(xué)生思維生長，在“自我探究”的過程中完成“自我提升”。

本節(jié)知識首先建立杠桿概念，認(rèn)識杠桿模型，其次探究杠桿平衡條件。若以傳統(tǒng)的教學(xué)方式進(jìn)行本節(jié)課的教學(xué)，學(xué)生會被動地記憶知識，無助于物理核心素養(yǎng)在課堂教學(xué)中“生根發(fā)芽”?；诖?，筆者以“學(xué)生生活中使用不同工具撬動瓶蓋”這個情境引入，設(shè)計(jì)層層遞進(jìn)的問題，不斷激發(fā)學(xué)生主動思考，讓學(xué)生帶著疑問和好奇，自主制訂實(shí)驗(yàn)方案，通過探究解決每一個問題，最終自主歸納總結(jié)出物理規(guī)律，并運(yùn)用物理規(guī)律解決實(shí)際問題?！耙詥栴}激發(fā)思考，借探究實(shí)現(xiàn)成長”的課堂教學(xué)為學(xué)生提供一種融洽和諧的學(xué)習(xí)氛圍，注重培養(yǎng)學(xué)生知識獲得的過程與方法，并且使學(xué)生能夠更加積極地參與到物理學(xué)習(xí)中。教學(xué)過程符合知識呈現(xiàn)的邏輯順序和學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)了“懂、會、悟”的三級學(xué)習(xí)進(jìn)階。

當(dāng)然，這節(jié)課的探究過程還有不足的地方：應(yīng)該讓學(xué)生列舉生活中還有哪些地方使用了杠桿，這些杠桿為我們帶來了哪些方便，這樣更有利于學(xué)生構(gòu)建杠桿模型，并學(xué)會使用杠桿；在探究杠桿平衡條件時，有少許學(xué)生沒有調(diào)節(jié)杠桿在水平位置平衡，在此過程中，與學(xué)生交流討論不足，沒有很好地引導(dǎo)學(xué)生解決此類問題。這些都需要筆者在今后的教學(xué)過程中努力完善。