基于體驗(yàn)的初中物理概念引入教學(xué)*
——以“力臂”為例

洪從兵

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022 年版）》（以下簡(jiǎn)稱“新課標(biāo)”）明確要求，初中物理課程要幫助學(xué)生從物理學(xué)視角認(rèn)識(shí)自然、解決相關(guān)問(wèn)題，初步形成科學(xué)的自然觀。初中物理概念的教學(xué)是落實(shí)這一要求的途徑之一，在平時(shí)的教學(xué)中教師要重視概念的教學(xué)，強(qiáng)化概念的引入過(guò)程，讓學(xué)生體驗(yàn)概念的生成過(guò)程。初中物理力臂概念的教學(xué)，前承杠桿概念的鞏固，后啟杠桿平衡條件、杠桿的應(yīng)用等新知識(shí)的學(xué)習(xí)，是高中物理力矩教學(xué)的基礎(chǔ)。因此，對(duì)力臂概念引入的教學(xué)進(jìn)行深入的研究與分析，具有非常重要的意義。

一、不同版本教材力臂概念的編寫分析

人教版、蘇科版物理教材在介紹了杠桿的定義后，直接給出了力臂的定義“支點(diǎn)到動(dòng)力作用線的距離叫動(dòng)力臂，支點(diǎn)到阻力作用線的距離叫阻力臂”，都缺少力臂對(duì)杠桿平衡作用介紹，更沒有引入力臂這一概念的學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)。

（圖1）

教科版教材在介紹了杠桿的定義后，先介紹了動(dòng)力、阻力的定義，設(shè)計(jì)了如圖1 所示的“杠桿平衡”演示實(shí)驗(yàn)。圖1（a）是一個(gè)平衡的杠桿，移動(dòng)一邊鉤碼的懸掛點(diǎn)，觀察產(chǎn)生的現(xiàn)象。如圖1（b）所示，用一個(gè)帶桿的滑輪向左（或向右）推動(dòng)右邊鉤碼的懸線，改變作用力的方向，再觀察產(chǎn)生的現(xiàn)象，分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，得出杠桿的平衡不僅與動(dòng)力與阻力的大小有關(guān)，還與力的作用點(diǎn)及力的作用方向有關(guān)，進(jìn)而引入力臂的概念。

筆者認(rèn)為，教師在教學(xué)中如果按人教版或蘇科版教材那樣直接講解力臂的定義，學(xué)生不會(huì)理解引入力臂這一概念的意圖，也不會(huì)理解力臂對(duì)杠桿平衡的作用。教科版教材安排了一個(gè)演示實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生觀察，得出杠桿的平衡不僅與力的大小有關(guān)，還與力的方向、作用點(diǎn)有關(guān)，再引入力臂的概念，對(duì)學(xué)生理解力臂的概念及它對(duì)杠桿平衡的影響有一定的幫助，但對(duì)力臂概念的本質(zhì)的理解還不到位，且有可能讓學(xué)生形成“只要作用在杠桿上的力的作用點(diǎn)或方向不同，其對(duì)杠桿的平衡的影響就不同”的誤解。

上述三種版本的教材對(duì)力臂概念的引入方式，只能讓學(xué)生對(duì)力臂的概念形成表面的感性認(rèn)識(shí)，容易導(dǎo)致學(xué)生對(duì)力臂的物理意義認(rèn)識(shí)不清。缺失對(duì)學(xué)生科學(xué)思維和科學(xué)探究的培養(yǎng)，不利于學(xué)生形成科學(xué)的物理觀念，反而可能引發(fā)學(xué)生對(duì)力臂概念的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)。

二、基于體驗(yàn)的力臂概念引入教學(xué)

通過(guò)分析力臂概念的本質(zhì)，結(jié)合學(xué)生認(rèn)知發(fā)展水平，遵循概念形成的邏輯順序，以培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力為目標(biāo)，筆者設(shè)計(jì)了一組“尋找更小的力——尋找影響杠桿平衡的一個(gè)重要物理量”的體驗(yàn)活動(dòng)，開展力臂概念引入教學(xué)。

1.力的作用點(diǎn)影響杠桿的平衡

情境創(chuàng)設(shè)：如圖2 所示，以鉤碼重物，在A點(diǎn)用彈簧測(cè)力計(jì)豎直向下拉，使杠桿在水平位置平衡，請(qǐng)學(xué)生利用彈簧測(cè)力計(jì)尋找拉起重物更小的動(dòng)力。

教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究、動(dòng)手體驗(yàn)，學(xué)生很容易得出改變力的作用點(diǎn)可達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，可以增大?dòng)力的作用點(diǎn)到支點(diǎn)的距離，將動(dòng)力作用點(diǎn)從A移到B點(diǎn)，或減小阻力（鉤碼）到支點(diǎn)的距離，就可以尋找到更小的動(dòng)力。（如圖3）

（圖2）

（圖3）

2.力的方向影響杠桿的平衡

情境創(chuàng)設(shè)：將圖3中動(dòng)力的作用點(diǎn)固定在B點(diǎn)不變，將力的方向繞B點(diǎn)沿逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)到Fc的方向，觀察彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)是否變化，這又說(shuō)明了什么？

學(xué)生進(jìn)行探究發(fā)現(xiàn)，如圖4 所示力的方向從Fb變到Fc時(shí)，盡管力的作用點(diǎn)沒有改變，但力的大小發(fā)生了改變，這說(shuō)明不僅力的作用點(diǎn)影響杠桿的平衡，力的方向也影響杠桿的平衡。

（圖4）

3.尋找影響杠桿平衡的重要物理量“力臂”

情境創(chuàng)設(shè)：再將圖4 中動(dòng)力的方向繞B點(diǎn)沿順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，觀察在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，測(cè)力計(jì)示數(shù)如何變化？能否尋找到一個(gè)方向與Fc不同、但力的大小與Fc相等的位置？

學(xué)生通過(guò)探究可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)力的方向從Fc開始沿順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)到Fd的過(guò)程中，力是先變小再變大；當(dāng)轉(zhuǎn)到圖4 中Fd的方向時(shí)，F(xiàn)d的大小與Fc相等，這說(shuō)明Fd與Fc對(duì)杠桿平衡的影響效果是相同的。這時(shí)教師再設(shè)問(wèn)：“Fd與Fc盡管方向不同，但有一個(gè)量是相同的，你能找到它嗎？”最終學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)支點(diǎn)到這兩個(gè)力的作用線的距離相等，即lc等于ld。

通過(guò)上述的體驗(yàn)、探究活動(dòng)學(xué)生可以發(fā)現(xiàn)，力的作用點(diǎn)和力的方向共同影響杠桿平衡，實(shí)質(zhì)上，這兩個(gè)因素共同決定了一個(gè)新的物理量，即支點(diǎn)到力的作用線的距離，物理上將這個(gè)距離定義為力臂。

三、研究啟示

依據(jù)課標(biāo)要求，反思力臂概念引入的教學(xué)過(guò)程，筆者得到如下啟示。

1.注意理解概念的物理意義

對(duì)事物的理解通常表現(xiàn)為透過(guò)事物的現(xiàn)象認(rèn)識(shí)事物的本質(zhì)。［1］對(duì)于力臂概念的教學(xué)，如果直接給出力臂的定義，讓學(xué)生識(shí)記，再通過(guò)作圖訓(xùn)練，雖然學(xué)生也能在一定程度上理解力臂，但這只是沒有意義的理解，學(xué)生不明白為什么要引入力臂的概念。因此，從尋找影響杠桿平衡的一個(gè)物理量的角度引入力臂的概念，是杠桿教學(xué)成功的關(guān)鍵，它能讓學(xué)生真正理解力臂的物理意義，這也為以后學(xué)習(xí)杠桿的平衡條件及杠桿的應(yīng)用奠定了一個(gè)理解基礎(chǔ)。

2.體驗(yàn)是建立概念的有效方法

初中階段是學(xué)生學(xué)習(xí)物理的初始階段，在這階段物理教學(xué)中突出體驗(yàn)式教學(xué)，有助于培養(yǎng)和保持學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，幫助學(xué)生逐漸掌握學(xué)習(xí)和研究物理問(wèn)題的基本方法。［2］

體驗(yàn)架起了具象到抽象的橋梁。讓學(xué)生經(jīng)歷解決真問(wèn)題的探究體驗(yàn)過(guò)程，掌握從特殊到一般的研究物理問(wèn)題方法，建立起物理概念。由力臂概念的引入可以發(fā)現(xiàn)，物理概念的教學(xué)包含以下環(huán)節(jié)：創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境—學(xué)生體驗(yàn)感悟—產(chǎn)生認(rèn)知沖突—再次體驗(yàn)、深度思維、解決沖突—運(yùn)用科學(xué)方法建立概念—詮釋概念本質(zhì)。

由此可見，體驗(yàn)不僅在物理規(guī)律的教學(xué)過(guò)程中發(fā)揮作用，在物理概念的引入教學(xué)過(guò)程中也有它的價(jià)值，通過(guò)體驗(yàn)活動(dòng)的安排能讓學(xué)生更加深入地理解科學(xué)探究在學(xué)習(xí)和研究物理中的作用。

3.注意對(duì)教材內(nèi)容的二次開發(fā)

教材是教學(xué)的基本資源，是教師進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)的主要參考，是課程標(biāo)準(zhǔn)的具體體現(xiàn)，是知識(shí)的載體。教材內(nèi)容是既定的，教材的編寫者不可能將相關(guān)內(nèi)容都編入教材，正如葉圣陶先生所說(shuō)：“教材不過(guò)是例子?！钡n堂教學(xué)是開放的、動(dòng)態(tài)的，這就要求教師在進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，要根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)的要求、學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)和教學(xué)實(shí)際，充分挖掘教材內(nèi)容，對(duì)教材進(jìn)行二次開發(fā)，適當(dāng)增減、調(diào)整學(xué)習(xí)內(nèi)容，開發(fā)出符合課標(biāo)要求、時(shí)代特點(diǎn)的課程資源，根據(jù)物理學(xué)科特點(diǎn)優(yōu)化教學(xué)方法，幫助學(xué)生理解知識(shí)、掌握方法、提高素養(yǎng)，全面實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。