核心素養(yǎng)視角下對(duì)“探究杠桿的平衡條件”實(shí)驗(yàn)的再思考

陳橋育　閃芳芳

摘? 要：在探究杠桿平衡條件的實(shí)驗(yàn)中，通常有三個(gè)疑問(wèn)：為什么選擇杠桿（質(zhì)量分布均勻）的中心作為支點(diǎn)？為什么要使杠桿在水平位置平衡？為什么杠桿的平衡條件是F1 L1=F2 L2？對(duì)于這三個(gè)經(jīng)典的疑問(wèn)，簡(jiǎn)單的處理并不能很好地解決學(xué)生的疑惑。教學(xué)中，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生勇于質(zhì)疑并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)踐，分析比較經(jīng)典實(shí)驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn)，反思根據(jù)疑問(wèn)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究的意識(shí)和能力，從而發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：探究；實(shí)驗(yàn)；杠桿平衡條件

“探究杠桿的平衡條件”作為探究類學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)，承載著深化對(duì)物理規(guī)律的認(rèn)識(shí)、培養(yǎng)科學(xué)探究能力、凸顯物理實(shí)驗(yàn)育人功能的作用。筆者認(rèn)為更重要也更難實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)是科學(xué)探究意識(shí)和能力的培養(yǎng)?？茖W(xué)探究意識(shí)和能力是比科學(xué)內(nèi)容更高、更具方法論的目標(biāo)，這個(gè)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)需要一個(gè)漫長(zhǎng)的學(xué)習(xí)過(guò)程，需要教師在平時(shí)的教學(xué)中具有這樣的認(rèn)識(shí)和意識(shí)，并結(jié)合科學(xué)內(nèi)容載體在學(xué)生兩年的初中物理學(xué)習(xí)過(guò)程中不斷進(jìn)行培養(yǎng)，從而發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)。

1? 一樣的問(wèn)題，不一樣的思考

好奇是求知的動(dòng)力，質(zhì)疑是創(chuàng)新的起點(diǎn)。要想培養(yǎng)孩子的好奇心，教師必須言傳身教，潛移默化。下面結(jié)合筆者和學(xué)生在探究杠桿的平衡條件的實(shí)際教學(xué)中經(jīng)常遇到的一些疑問(wèn)進(jìn)行一些深入思考，并結(jié)合初中物理教學(xué)的特點(diǎn)提出一些建議。

問(wèn)題1：為什么選擇杠桿（質(zhì)量分布均勻）的中心作為支點(diǎn)？

有些初中學(xué)生在平時(shí)的學(xué)習(xí)生活中已經(jīng)積累了一些有關(guān)機(jī)械方面的初步認(rèn)識(shí)，有些孩子也能認(rèn)識(shí)到人們使用的杠桿并不都是等臂杠桿（如塔吊、筷子、釣魚(yú)竿、扳手、鑷子等），為什么在探究杠桿的平衡條件時(shí)都選擇了等臂杠桿的模型呢？

教師在教學(xué)時(shí)可以引導(dǎo)學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行初步嘗試，這個(gè)環(huán)節(jié)可以視情況在新課前布置，也可以考慮在新課結(jié)束后拓展環(huán)節(jié)布置，科學(xué)探究能力的培養(yǎng)是需要時(shí)間和精力的，教師要學(xué)會(huì)“舍”——投入適當(dāng)?shù)臅r(shí)間和精力，不要太著急趕進(jìn)度等，這樣才有可能“得”——培養(yǎng)學(xué)生的探究意識(shí)和探究能力，發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)。

如圖1所示，在實(shí)際的探究實(shí)驗(yàn)中往往考慮方便簡(jiǎn)單，更容易操作。選擇勻質(zhì)杠桿的中心作為支點(diǎn)就是出于這個(gè)考慮。這也說(shuō)明如果沒(méi)有選擇勻質(zhì)杠桿的中心作為支點(diǎn)不代表這個(gè)實(shí)驗(yàn)無(wú)法進(jìn)行，例如塔吊類的杠桿，只不過(guò)操作更復(fù)雜一些。如圖2所示，支點(diǎn)不在杠桿中心時(shí)，如果選擇恰當(dāng)?shù)呐渲匾部梢允垢軛U在水平位置平衡（為什么一定要水平，這個(gè)問(wèn)題將在第二個(gè)問(wèn)題中討論），調(diào)節(jié)平衡后也可以正常進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。通過(guò)發(fā)散的啟發(fā)式引導(dǎo)，保護(hù)學(xué)生的好奇心，鼓勵(lì)學(xué)生敢想，并勇于實(shí)踐。

平時(shí)的教學(xué)中，往往都用避免杠桿自重對(duì)平衡的影響來(lái)解釋這個(gè)問(wèn)題，但往往不能解決學(xué)生的疑問(wèn)。所以，筆者認(rèn)為此時(shí)可以在肯定學(xué)生好問(wèn)善思的基礎(chǔ)上，與學(xué)生一起探討如何更好地解決問(wèn)題。

在探究杠桿的平衡條件時(shí)，不一定非要選擇中心作為支點(diǎn)，選擇其他位置作為支點(diǎn)也是可以的，只不過(guò)需要通過(guò)不同的配重使杠桿在實(shí)驗(yàn)前能夠在水平位置保持靜止，從而可以消除杠桿自重對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響。

在后續(xù)的拓展中，可以更進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生思考不增加配重調(diào)節(jié)時(shí)是否能夠完成實(shí)驗(yàn)？（遷移到天平在使用前調(diào)節(jié)天平平衡時(shí)游碼沒(méi)有歸零的使用情境）

如圖3所示，實(shí)驗(yàn)前在選定的位置（根據(jù)需要確定，任意選擇）用彈簧測(cè)力計(jì)拉住杠桿使其在水平位置平衡，并記下此時(shí)彈簧測(cè)力計(jì)的讀數(shù)F，姑且稱為“調(diào)零”。接下來(lái)即可正常進(jìn)行實(shí)驗(yàn)（彈簧測(cè)力計(jì)的位置不可變化，鉤碼的位置可以隨意變化，若想更換彈簧測(cè)力計(jì)的位置則要重復(fù)上述的“調(diào)零”步驟），記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的時(shí)候要注意彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)F'應(yīng)該減去“調(diào)零”時(shí)的示數(shù)F才為動(dòng)力F1，即F1=F'- F。

通過(guò)上述兩種方法都可以避免杠桿自重的影響，也可以進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)，所以筆者認(rèn)為在解釋為什么選擇杠桿中心作為支點(diǎn)時(shí)，僅僅回答避免杠桿自重的影響，既不能更好地解釋學(xué)生心中的疑問(wèn)，也不能體現(xiàn)探究實(shí)驗(yàn)的初衷。更合理的解釋?xiě)?yīng)該為在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要考慮杠桿自重的影響，但會(huì)使探究實(shí)驗(yàn)難以操作，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量選擇直觀的模型和簡(jiǎn)單的方案。選擇杠桿中心作為支點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)就是為了更方便簡(jiǎn)單地進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)。

問(wèn)題2：為什么探究實(shí)驗(yàn)過(guò)程中都要使杠桿在水平位置平衡？

關(guān)于這個(gè)問(wèn)題，一般從兩個(gè)方向解釋：一是避免杠桿自重的影響，二是方便測(cè)量力臂（可以直接從杠桿上讀出力臂）。在這樣的限制下，學(xué)生會(huì)感覺(jué)物理規(guī)律的得出怎么有那么多限制條件，從而對(duì)這些定律的普適性是有疑惑的。為了讓學(xué)生更好地認(rèn)識(shí)到探究實(shí)驗(yàn)的意義和作用，筆者認(rèn)為有必要與學(xué)生一起深入研究，勇于嘗試，從而讓學(xué)生在探究的過(guò)程中更好地認(rèn)識(shí)科學(xué)知識(shí)、學(xué)會(huì)探究方法，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度、科學(xué)精神等。

筆者認(rèn)為在探究實(shí)驗(yàn)中，如果每次都能使杠桿在同一位置平衡，也是可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的。如圖4所示，將杠桿進(jìn)行適當(dāng)改造，設(shè)置類似于天平的指針和中央分度盤(pán)，用以記錄天平在非水平平衡時(shí)的位置，以便后續(xù)探究實(shí)驗(yàn)過(guò)程中再次找到該位置。在這個(gè)環(huán)節(jié)需要引導(dǎo)學(xué)生理解模型和真實(shí)情境之間的差異，生活中的杠桿很多情況下并不是在水平位置平衡的，探究實(shí)驗(yàn)需要將其模型化、簡(jiǎn)單化，但不能失去普適性。理論上杠桿在任意位置平衡都能探究得到杠桿平衡條件，但需要在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保證杠桿每次都在同一位置平衡，當(dāng)然此時(shí)力臂的測(cè)量會(huì)成為一個(gè)難點(diǎn)。經(jīng)過(guò)這一環(huán)節(jié)的討論和探究，學(xué)生能夠明白杠桿在非水平位置平衡也是滿足杠桿平衡條件的。實(shí)驗(yàn)中主要還是基于實(shí)驗(yàn)操作的簡(jiǎn)單與方便選擇在水平位置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

問(wèn)題3：為什么杠桿的平衡條件是F1 L1=F2 L2？

探究實(shí)驗(yàn)前，我們是不知道結(jié)果究竟如何的，這是科學(xué)發(fā)展史上普遍存在的，科學(xué)概念和規(guī)律都是人們?cè)诓粩嗟难芯恐欣弥腔壑饾u發(fā)現(xiàn)的，所以在探究過(guò)程中要充分引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行猜想與假設(shè)，注意猜想與假設(shè)的邏輯性和科學(xué)性。還可以適當(dāng)介紹一些科學(xué)發(fā)展史的故事，很多時(shí)候猜想與假設(shè)都是基于人們的生活經(jīng)驗(yàn)、認(rèn)知水平和思維水平等因素的。

對(duì)于杠桿的五要素，很多學(xué)生“知其然，而不知其所以然”，在探究杠桿平衡條件時(shí)可以再次引導(dǎo)學(xué)生理解“其所以然”。特別是影響平衡的“力臂”究竟是“支點(diǎn)到力的作用線之間的距離”還是“支點(diǎn)與力作用點(diǎn)之間的距離”，在實(shí)驗(yàn)中可以增加如圖5所示的環(huán)節(jié)加以突破，通過(guò)實(shí)驗(yàn)記錄表格體現(xiàn)出來(lái)，如表1所示。

在實(shí)驗(yàn)時(shí)，固定鉤碼數(shù)量和懸掛位置不變，分別在A、B、C 三個(gè)位置沿F1、F2、F3三個(gè)不同方向但都與圓O相切的方向進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過(guò)這一簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)操作，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析論證，可以讓學(xué)生更深入地認(rèn)識(shí)到影響杠桿平衡的因素之一的“力臂”的具體含義。

滬科版的教材中也有分析數(shù)據(jù)、發(fā)現(xiàn)規(guī)律時(shí)作出了一些必要的示范和引導(dǎo)，這種示范和引導(dǎo)更能凸顯科學(xué)探究的意義和作用，這樣的環(huán)節(jié)才能算得上真探究而非假探究，這個(gè)環(huán)節(jié)的具體思路如下：

第一步，先引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)記錄的數(shù)據(jù)的類別，一組是力，一組是距離，這是兩種不同的物理量；

第二步，再引導(dǎo)學(xué)生思考、猜想這些物理量背后可能滿足的規(guī)律；

第三步，根據(jù)數(shù)據(jù)分析討論哪些猜想可能是正確的。

當(dāng)然在學(xué)生進(jìn)行數(shù)據(jù)分析尋找規(guī)律時(shí)，也可以引導(dǎo)學(xué)生優(yōu)先考慮數(shù)學(xué)工具中簡(jiǎn)單的四則運(yùn)算。

在第一步的基礎(chǔ)之上，可以減少學(xué)生的不符合物理意義的猜想與假設(shè)，就算部分學(xué)生提出了力與力臂之間的“加減運(yùn)算”，教師也可以在引導(dǎo)學(xué)生分析哪些猜想不合理基礎(chǔ)上將之排除。因?yàn)椴煌锢砹恐g的“加減運(yùn)算”沒(méi)有物理意義。

排除了“加減運(yùn)算”，簡(jiǎn)單四則運(yùn)算中只?！俺顺\(yùn)算”，對(duì)學(xué)生的猜想進(jìn)行分類，如表2所示，從而使后續(xù)驗(yàn)證更方便簡(jiǎn)單，優(yōu)化探究過(guò)程。

2? 行動(dòng)中的核心素養(yǎng)——幾點(diǎn)建議

基于上述三個(gè)問(wèn)題的思考，筆者提出以下幾點(diǎn)建議：

（1）重視科學(xué)探究，過(guò)程大于內(nèi)容。物理課程旨在促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的養(yǎng)成和發(fā)展，科學(xué)探究作為核心素養(yǎng)的一個(gè)方面有其不可忽視的地位。教師要從思想上真正認(rèn)識(shí)到科學(xué)探究對(duì)物理學(xué)習(xí)的重要性，認(rèn)真學(xué)習(xí)《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)》中有關(guān)科學(xué)探究的要求，并積極結(jié)合科學(xué)內(nèi)容思考更好地開(kāi)展科學(xué)探究的形式和側(cè)重點(diǎn)，不追求每次都面面俱到；在科學(xué)探究的教學(xué)過(guò)程中，學(xué)習(xí)過(guò)程比學(xué)習(xí)內(nèi)容更重要，也就是學(xué)習(xí)的思維、能力比知識(shí)更重要，教師在教學(xué)時(shí)需要以科學(xué)內(nèi)容為載體，采用科學(xué)探究等多種學(xué)習(xí)形式和過(guò)程，既要提高學(xué)生的認(rèn)知水平，也要提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

（2）避免“急功近利”，多挖掘深思考。教師在實(shí)際的教學(xué)中，對(duì)于科學(xué)探究，不可“急功近利”，簡(jiǎn)單解釋和面對(duì)學(xué)生的疑惑、直奔結(jié)果（教學(xué)目標(biāo)的科學(xué)內(nèi)容）而去往往會(huì)造成學(xué)生物理觀念模糊，不能以科學(xué)的思維去思考問(wèn)題，妨礙科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的形成，不利于學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展。

（3）引領(lǐng)示范，言傳身教。教師自身需要有對(duì)科學(xué)的熱愛(ài)，對(duì)新事物的探索精神，愿意積極投入實(shí)踐。教學(xué)中根據(jù)學(xué)生的疑問(wèn)積極開(kāi)展探究實(shí)驗(yàn)，以科學(xué)探究解釋探究實(shí)驗(yàn)中的疑問(wèn)，在言傳身教中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究意識(shí)和能力，發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)。