核心素養(yǎng)視角下“杠桿”教學的創(chuàng)新教具實踐探索

［摘 要］實驗教學是實現物理課程目標的重要途徑，對于提升學生的物理核心素養(yǎng)至關重要。由于實驗器材存在一定的局限性，學生在學習“杠桿”這一課時往往面臨諸多困難。為了克服這些困難，文章探索了利用自制教具來拓展“杠桿”課的教學方法。通過自制教具，旨在幫助學生深入理解杠桿的五要素，并有效突破“力臂”這一教學難點。這一舉措不僅增強了教學效果，還進一步提升了學生的物理核心素養(yǎng)。

［關鍵詞］核心素養(yǎng)；自制教具；杠桿

［中圖分類號］" " G633.7" " " " " " " " ［文獻標識碼］" " A" " " " " " " " ［文章編號］" " 1674-6058（2025）05-0045-04

物理作為自然科學領域的一門基礎學科[1]，極其重視實驗教學。在物理課堂中，實驗是實現課程目標、提高學生綜合素質的關鍵環(huán)節(jié)。實驗教學不僅要幫助學生建構物理概念、發(fā)現物理規(guī)律，還要促進學生科學思維的發(fā)展。要使實驗在初中物理教學中發(fā)揮應有的作用，就需要正確理解實驗教學的實質，注重其特性，并對其進行合理的開發(fā)與利用[2]。然而，目前部分中學存在實驗器材不配套、實驗數量不足、實驗質量差、實驗設備易損壞等問題。教師使用單一且質量不佳的實驗教具進行教學，既顯得抽象乏味，又難以達到教學目的，更難以激發(fā)學生學習物理的興趣。因此，開發(fā)和應用創(chuàng)新教具，已成為提高教學效果的重要途徑。

一、傳統杠桿實驗教學的局限性分析

“杠桿”這節(jié)課的重點內容是探究杠桿的平衡條件，其中力臂的測量是學生的學習難點。在教學過程中，教師通常根據教材內容的編排進行：首先創(chuàng)設情境，展示一些杠桿的圖片讓學生觀察，說明人類在很早以前就已經使用杠桿，并引導學生歸納出杠桿的定義。接著，介紹杠桿的五要素，幫助學生全面認識杠桿[3]。然后，帶領學生利用實驗室現有的實驗器材對杠桿的平衡條件進行探究。通過改變杠桿左右兩邊鉤碼的數目或使用彈簧測力計對杠桿施加豎直向下的力，使杠桿保持水平平衡，并從杠桿上讀取力臂的數據，最終得出“[F1×L1=F2×L2]”的結論。最后，學生學習杠桿的應用，使知識回歸生活。然而，在這樣的學習方式下，學生對力臂概念的理解比較模糊，這不利于有效突破教學難點。

王成燕老師在《借助自制教具" " 突破教學難點——以〈杠桿〉教學為例》一文中提到，教材直接給出了力臂的定義，但教材、教參等各類資源并未充分解釋為何將力臂定義為“支點到力的作用線的距離”[4]。韓麗梅、鄭潔琪、羅艷琳老師在《運用自制教具拓展“杠桿”的教學》一文中也指出，生活中的杠桿形式多樣，而學生如果僅僅基于物理模型來認識杠桿，可能會導致他們難以理解并應用生活中的杠桿原理[5]。黃淑靜老師則在《通過自制教具實現杠桿實驗的改進及拓展》一文中指出了教材中杠桿實驗的幾處不足，如傳統實驗器材只能探究水平位置的杠桿平衡條件，這不利于學生對力臂概念的全面掌握，也可能導致學生對杠桿的種類認識不全[6]。

歸納起來，傳統杠桿實驗教學往往面臨以下幾個困境：①學生對杠桿種類的認識不夠全面，這主要是學校配備的杠桿模型大多是直的，學生容易誤認為只有直的硬棒才是杠桿，而彎曲的則不是杠桿[7]；②實驗只研究杠桿處于水平位置的平衡條件，這樣的實驗設計使得實驗結論不具有普遍性。學生可能會因此誤認為只有水平位置平衡才是杠桿的平衡狀態(tài)，而杠桿傾斜則不是平衡狀態(tài)[8]；③實驗用的杠桿模型是直的，且力臂是直接從杠桿刻度上讀取的，這種實驗方式容易讓學生誤認為力臂的大小剛好等于支點到力的作用點之間的距離；④學生配備的杠桿比較小，且只能放在水平桌面上進行演示，這導致坐在后排的學生很難觀察到實驗現象。

綜上可知，傳統實驗器材存在一定的局限性，這些局限性影響了學生對杠桿原理的深入理解和力臂本質的準確認識。為了克服這些局限性，筆者決定對本節(jié)課的教學內容進行拓展，并根據教學需求重新設計了教具。

二、自制教具所需器材及具體步驟

實驗裝置如圖1所示，主要由可彎折的輕質杠桿、可移動的磁吸定滑輪、可旋轉的鐵絲和布尺等組成。所需器材包括玻璃纖維板、小木條、螺絲釘、磁鐵、鐵絲、直角三角板、布尺、平衡螺母、磁吸定滑輪等。

具體制作步驟如下：取三塊長為400 mm、寬為30 mm、厚為5 mm的玻璃纖維板，在其中一塊玻璃纖維板的中間打一個孔徑為10 mm的孔，作為杠桿的支點。距兩側20 mm處分別打上孔徑為6 mm的孔，作為彎折杠桿的連接點。其余地方每隔20 mm分別打上孔徑為2 mm的孔。另外兩塊玻璃纖維板在距左側20 mm處分別打上孔徑為6 mm的孔，作為彎折杠桿的連接點。距右側20 mm處打上一個孔徑為5 mm的孔，距右側10 mm處上下兩邊打上孔徑為4 mm的孔，作為平衡螺母的固定點。其余地方每隔20 mm分別打上孔徑為2 mm的孔。玻璃纖維板的孔打好后，用螺絲釘將小木條、磁鐵、鐵絲、直角三角板、布尺、平衡螺母固定在對應的位置。這樣，教具就制作完成了。由于使用的玻璃纖維板足夠長，調節(jié)好后的杠桿長達1.2米。杠桿的中心位置上加裝了大磁鐵，因此杠桿可以穩(wěn)穩(wěn)地吸附在白板上，并且承重能力達到500 N。

教室里的每一個學生，無論坐在哪個位置，都能清晰地觀察到老師和同學的演示過程，這極大地增強了學生的視覺體驗。當教師將這個自制的杠桿吸附在白板上時，立刻吸引了學生的注意力，激發(fā)了他們的學習興趣。操作者無須借助任何工具，即可根據需要手動調節(jié)杠桿的彎曲程度。通過轉動實驗裝置上的小木條和調整可移動的磁吸定滑輪的位置，可以在任意方向對杠桿施加作用力，而作用力的大小則可以通過磁吸定滑輪下面的鉤碼來直觀顯示。雖然新杠桿上沒有刻度，但其設計巧妙。通過可以轉動的小鐵絲和直角三角形的構造，學生可以更加直觀地看出力臂是哪一段。此外，可轉動的布尺使得測量力臂變得非常方便，使用起來極為順手。而且，玻璃纖維板兩端的平衡螺母還可以進行調節(jié)，以確保杠桿保持平衡狀態(tài)。

三、自制教具在“杠桿”教學中的拓展運用

本教具特別適用于拓展教學，能夠演示在任意方向施加動力、阻力的杠桿平衡，非水平位置的杠桿平衡，以及奇異杠桿的平衡。此外，該實驗裝置采用磁吸式設計，可以方便吸附在白板上，使學生能夠非常清晰地觀察到整個演示過程。這一教具不僅能夠幫助學生開拓思維，深入理解杠桿的原理，還進一步引導他們認識力臂的本質，同時有效解決了“杠桿”教學中經常遇到的困境，突破了教學難點。

（一）在任意方向施加動力、阻力的杠桿平衡條件探究

在傳統實驗中，通常是通過鉤碼來提供豎直向下的作用力，并且力臂是直接在杠桿上讀取的。然而這種方式容易導致學生形成錯誤的認知，即認為動力、阻力的方向只能是豎直向下，力臂也總是在杠桿上。這種錯誤認知阻礙了學生全面掌握力臂概念。

［教學片段1］

師：先在杠桿的B處掛一個鉤碼，再在杠桿的另一端A處也掛一個鉤碼（如圖2），杠桿會平衡嗎？

生1：會平衡。

師：（用自制教具演示）看，杠桿平衡了。

師：如果把鉤碼掛在杠桿右邊的C處（如圖2），杠桿還會平衡嗎？

生2：不會。

師：為什么呢？

生2：杠桿的平衡與距離有關。

生3：杠桿的平衡與支點到動力作用點的距離有關。

師：（直接把鉤碼重新掛回A處，移動磁吸定滑輪的位置，改變鉤碼對杠桿的作用力的方向，如圖3所示）同學們，現在動力的作用點改變了嗎？杠桿還平衡嗎？

生4：作用點沒有變，杠桿不平衡了。

（學生很疑惑，開始討論起來）

師：現在，大家有什么疑問可以提出來，我們一起來解決。

（學生可能會提出很多問題，教師需要引導他們選出最具有共性、最符合教材要求的問題進行探究）

生5：當在左邊的B處掛一個鉤碼時，我分別在右邊的A處和C處也各掛了一個鉤碼，雖然用在杠桿上的力大小一樣，但效果卻不一樣。這說明杠桿的平衡與支點到力的作用點的距離有關?？墒?，當我重新把鉤碼掛到A處時，支點到力的作用點距離也一樣，為什么效果卻與原來掛A處時不一樣呢？

生6：是不是兩次掛在A處時有不一樣的地方呢？

生7：兩次掛在A處的力相同，但力的方向不同。

師：兩次掛在A處的力相同，但力的方向不同，因此它們對杠桿平衡的作用效果就不同。那么，有沒有辦法使A處的作用點相同，力的方向不同，但它們對杠桿的平衡作用效果相同呢？

生8：可以嘗試增加鉤碼的數量或者改變鉤碼的位置。

師：（用自制教具演示）看，杠桿又平衡了。這說明杠桿的平衡不僅與支點到動力作用點的距離有關，還與什么因素有關呢？

這時候，教師可以引導學生使用自制教具在任意方向施加動力和阻力，進行杠桿平衡條件的實驗探究。通過實驗，學生很容易就能發(fā)現杠桿平衡的規(guī)律：動力×支點到動力作用線的距離=阻力×阻力到阻力作用線的距離。接著，教師引出力臂的概念，幫助學生糾正“動力、阻力的方向總是豎直向下”“力臂總在杠桿上”“力臂等于支點到力的作用點的距離”等錯誤認知，從而有效突破了教學難點。

（二）非水平位置杠桿的平衡條件探究

在前面的教學中，學生已經探究了水平位置杠桿的平衡條件，并得出“[F1×L1=F2×L2]”這個結論。然而，在探究過程中，由于杠桿一直處于水平位置平衡，學生可能會形成誤解，認為只有水平位置的杠桿才是平衡的，而傾斜的杠桿則不是。為了打破這種誤解，教師再順勢將杠桿旋轉至非水平位置，引導學生繼續(xù)進行深入探究。

［教學片段2］

師：（旋轉杠桿至非水平位置靜止）現在，杠桿還平衡嗎？你是如何判斷的？

生1：杠桿不平衡，因為它不在水平位置上。

師：雖然杠桿現在不在水平位置上，但我們還是要探究一下它是否滿足杠桿的平衡條件?，F在，讓我們一起來驗證它是否滿足杠桿的平衡條件。

（教師用自制教具進行演示，指導學生記錄動力、動力臂、阻力和阻力臂的數據）

通過實驗探究，學生很容易發(fā)現當杠桿在非水平位置靜止時，同樣滿足“[F1×L1=F2×L2]”這個條件。這證明他們之前的判斷是錯誤的。教師趁機引導：杠桿的平衡狀態(tài)是指杠桿處于靜止狀態(tài)或勻速轉動的狀態(tài)。這樣，學生對杠桿平衡狀態(tài)有了更深刻的理解，從而有效突破了這一易錯點。

（三）奇異杠桿的平衡條件探究

生活中的杠桿形狀多種多樣，我們將這些杠桿統稱為奇異杠桿[9]。然而，在傳統的教學中，一直采用物理模型——直杠桿進行教學，這導致學生常常會誤認為杠桿只能是一根直的硬棒。為了避免學生形成這種錯誤的認知，我們設計了可以手動調節(jié)彎曲程度的自制教具。這個教具使杠桿的曲直可變，從而能夠在課堂上模擬出生活中各式各樣的杠桿，有效彌補了教材實驗形式的單一性，使教學內容更加貼近學生的生活實際。此外，自制教具還可以用于探究多種可能性的杠桿模型，幫助我們得出更具有普遍性的實驗結論。下面是我們在課堂上使用這個自制教具的一個小片段。

［教學片段3］

師：同學們，老師將杠桿調節(jié)成一頭平直，一頭向上彎曲（如圖4），這時它還是杠桿嗎？

（學生議論紛紛，觀點不一）

師：要判斷它是不是杠桿，我們只需要看它是否滿足杠桿的平衡條件。

（學生恍然大悟）

教師引導學生調節(jié)杠桿的形狀，并掛上鉤碼使其保持平衡，然后測量動力、動力臂、阻力和阻力臂。學生嘗試了如圖5所示的多種形狀。通過測量，學生發(fā)現無論杠桿處于何種形狀下的平衡狀態(tài)，都滿足“[F1×L1=F2×L2]”這一結論，從而深刻理解了杠桿原理的廣泛性，有效突破了學習中的易錯點。

這節(jié)課，學生經歷了對任意方向施加動力、阻力的杠桿平衡條件的探究，非水平位置杠桿的平衡條件探究，以及奇異杠桿的平衡條件探究。通過這些探究活動，學生得出了更具有普遍性的實驗結論，有效培養(yǎng)了探究精神，并提高了學習興趣。

在使用自制教具的過程中，筆者發(fā)現了一些問題，如木板質量不均勻、板面不夠光滑、摩擦力較大，這些問題導致打孔時孔徑不夠均勻，且影響杠桿的美觀和精準度。為了優(yōu)化這個實驗裝置，筆者換用了密度較小的玻璃纖維板，并采用CAD軟件進行二維平面圖的繪制，使用激光進行精準打孔。這樣有效避免了原木板存在的問題所帶來的實驗誤差，減少了因材質不均勻導致的重力分布不均對實驗的影響。然而，由于我們采用的綠色玻璃纖維板顏色比較暗淡，學生在觀察實驗現象時感到吃力。為了方便學生的觀察，筆者給杠桿噴上了紅色的環(huán)保漆。經過這一系列的改進措施，自制的教具變得更加完善了。

四、總結

利用日常物品自制物理實驗教具并運用于課堂教學中，具有簡單直觀的效果，它使抽象的物理概念具體化，枯燥的知識趣味化，拉近了物理與生活的距離[10]。自制教具讓學生深切地感受到科學的真實性，同時又能引導學生將物理知識應用于生活實際，使學生在輕松愉快的氛圍中學習物理知識，達到活學巧用的目的。此外，自制教具不僅彌補了傳統實驗的不足，還豐富了杠桿實驗的內容，有助于得出更具有普遍性的實驗結論[11]。更重要的是，它還能培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神，提升學生的物理核心素養(yǎng)[12]。

［" "參" "考" "文" "獻" "］

[1]" 中華人民共和國教育部.義務教育物理課程標準：2022年版[M].北京：北京師范大學出版社，2022.

[2]" 朱新榮.創(chuàng)新設計實驗" "促進思維進階：以“杠桿”為例[J].西藏教育，2021（9）：28-30.

[3]" 袁學貞.“探究杠桿平衡條件”實驗的改進[J].中學物理教學參考，2021，50（3）：47-48.

[4]" 王成燕.借助自制教具" "突破教學難點：以《杠桿》教學為例[J].寧波教育學院學報，2016，18（6）：130-132.

[5][9]" 韓麗梅，鄭潔琪，羅艷琳.運用自制教具拓展“杠桿”的教學[J].湖南中學物理，2020，35（4）：51-52.

[6][11]" 黃淑靜.通過自制教具實現杠桿實驗的改進及拓展[J].物理教師，2021，42（3）：64-66.

[7][8][10]" 江耀基.探究杠桿平衡的條件實驗改進與教學[J].中學物理（初中版），2021，39（18）：33-35.

[12]" 陳士海，唐建華.自制教具展開初中物理生活化教學：以設計揚聲器、話筒為例[J].中學物理，2021，39（18）：35-37.

（責任編輯" " 黃春香）