转变观念，指明方向
——“重力方向”的实验改进

骆永炳

（浙江省杭州市余杭区仁和中学，浙江 杭州）

“物体为什么要下落”是浙教版《科学》七年级下册第二章的内容，它是科学课程中的重点。重力的学习在章节安排中起着承上启下的作用，既是对前面章节“力的三要素”的巩固和复习，又是为后面学习摩擦力、牛顿第一定律打下坚实的基础。尤其对学习物体的受力分析，起着至关重要的作用。

力是一个看不见、摸不着的事物，需要借助力的作用效果来感受力的存在。因此学习力的知识对学生而言会感觉很困难。所以在重力的学习中，就需要通过实验来帮助学生认识重力，了解重力的存在。实验也就成为研究重力方向必不可少的教学方式和手段。同样，选择合适的实验器材，成为探究重力方向的关键因素。

一、课堂教学，问题凸显

为了上好这节课，我精心准备了课堂教学设计，并以教科书中的活动（书本P58页图2-51重力的方向）来进行实验演示。

课堂教学：

“我们知道力包含三个要素：力的大小、力的方向、力的作用点。重力作为其中的一种力，也肯定存在重力的方向，那重力的方向会是怎样的呢？”于是我参考书上的活动，将小球悬挂在铁架台的横杆上，待小球静止时，要求学生仔细观察细线的位置（如图1所示）。然后将铁架台倾斜一个角度，等小球静止时，再次让学生观察细线的位置（如图2所示）。

图1

图2

两次活动对比之后，学生都能得到一个结论，即两次活动中，细线的位置始终不变。

分析：在此活动中，由于细线质量很小，可忽略不计。小球在重力的作用下，使细线位置保持不变。由此可知，重力的方向应与细线所在的方向一致。

经过分析，有学生说，重力方向为“竖直向下”，也有学生说，重力方向为“垂直向下”。各有各的答案，那究竟谁的答案正确呢？

于是我对“竖直方向”与“垂直方向”作了分析：

“垂直方向”是指物体与接触面垂直的方向，“竖直方向”是指物体与水平面垂直的方向。而活动中是以铁架台底座为参照，小球并没有与铁架台的底座垂直，而是与水平地面垂直，即所谓的“竖直方向”。因此，我们说重力的方向为竖直向下。

通过讲解分析，学生都表示认可。于是我出示习题，想了解一下学生的掌握情况。如图所示，请作图3、图4中物体所受重力的示意图。

图3

图4

结果在作斜面上的物体的重力方向时，学生普遍都画错，出现图6中的情形。由此可知，学生对重力方向的判断，掌握得并不好。那么问题到底出在哪里呢？

图5

图6

二、分析问题，查找原因

课堂中对重力方向进行了实验演示，也对重力方向进行了分析说明，为什么学生依然搞不清楚重力方向呢？

课后，我也问了其他科学老师，发现他们也存在同样的问题。于是我上网查阅相关资料，也与学生在课后进行了沟通交流。结合学生的实际情况，进行了课后反思，我认为可能原因有以下几个方面：

1.学生对概念混淆

“竖直方向”这个词在初中科学中是第一次出现，学生不明白怎样的方向才是“竖直方向”。查阅资料可知，“竖直方向”是指与水平方向相对立的方向，即与水平面垂直的方向。而“垂直方向”是指物体与接触面垂直的方向。学生对这两个方向的定义不明确，无法正确区分“竖直方向”与“垂直方向”，其实两个概念中都有“垂直”的意思，只是参照对象不同。从范围上讲，“垂直方向”更广，包括其中的“竖直方向”，而“竖直方向”仅仅只针对“水平面”而言。因此，在接触面与水平面的方向一致时，竖直方向就等同于垂直方向，所以学生就会误认为竖直方向就是垂直方向。于是对于水平地面上的物体所受重力方向就容易判断，而当物体放在斜面上时，就会搞混淆。

2.学生思维定式

学生意识中存在已有的前概念，导致学生做题时会出现思维定式，即停留在原有的认知结构中的概念。学生对“水平面”的认识，还停留在小学时对水平面的认识，即水平面就是水平地面或地平线。正由于这种思维在作怪，使得学生在分析重力方向时，总习惯性地把“地面”作为“水平面”，并以此为参照物判断重力方向。爱因斯坦曾说过，教育的本质就是打破学生原有的认知观念，并在此基础上重新建立起新的认知观念。因此，作为教师就需要指出学生原有的错误观念，并要求转变思维，重新正确认识事物，形成新的观念。

3.实验装置中存在的问题

书本中的演示实验，仅存在一个“接触面”——铁架台的底座为参照。而缺乏一个合理的“水平面”作为参照物。于是学生在判断重力方向时，就只能选择旁边的桌面或者地面，作为所谓的“水平面”为参照。因此，当所选择的参照物——桌面不平整，或者地面为斜坡时，学生的判断就会出错，甚至成为学生判断重力方向的障碍和陷阱。所以要使学生能通过实验来认识重力方向，就需要建立起一个合理、规范的“水平面”。

三、改进实验，解决问题

为了能解决这个问题，我也尝试着该改进实验装置。我选择桶装饮用水的水桶作为实验器材，在水桶中加入适量的水，并在水桶口位置固定一根细线，细线的另一端系住一个小球。通过这几个简单物品的组合，就形成演示重力方向的实验器材（如图7所示）。在这套实验装置中，我将桶内水的液面作为“水平面”，水桶的底面模拟地面。其中选择水面作为“水平面”的意图在于：水是液体，具有流动性，无论实验装置如何倾斜，等桶内的水保持静止时，水面始终能保持水平，这样就能在学生面前形成一个合理、规范的“水平面”作为参照，便于判断重力的方向。

图7

图8

在实验演示时，只要将水桶倾斜一个角度，如图8所示，可以发现细线方向始终与水平面方向垂直。即小球受到的重力方向始终竖直向下，而且与“地面方向”并不垂直。通过这个直观的演示，学生也更容易认识重力方向，也能很好地区分“竖直方向”与“垂直方向”。

之后我带着自制的实验器材，再次上了这个内容的课。通过课堂的反馈，绝大多数学生都能很好地理解重力的方向为竖直向下。教学效果显著，学生也学得更轻松。

实验装置的局限与不足：

1.由于水桶本身的空间有限，水桶倾斜的角度也受到了限制，不能很好地演示任意情况下的重力方向。

2.实验中水桶内水的量需要控制，同时由于水是无色透明的，作为演示实验，后排的学生不能清楚地观察到实验现象。针对这个问题，可以将演示实验改为学生实验，用透明的玻璃瓶取代大水桶，再将水染上颜色。这样实验效果会更明显。

四、教学反思与总结

通过实验改进教学，让我从中学到了许多，也领悟到教学中自身需要改进的地方。

对于科学中的概念和科学术语，在平时的教学中，需要向学生进行合理的解释说明，并尽可能引用生活事例进行分析，帮助学生正确理解科学概念。

同时学生经过小学科学的学习，已经在脑海里形成一定的认知观念。在进入初中学习过程中，他还会习惯性运用已有的认知观念去认识新事物。这时候作为教师，在教学前就应该先了解学生已有的认知观，并在此基础上进行教学。引导学生打破已有的错误观念，建立起科学合理的新思维、新观念。这是教师的职责，也是教育的本质，只有不断地去完善教学，提高自身能力，才能取得较大的成就，培养出优秀的人才！