自制低成本教具 突破概念教学难点①
——以“力臂”教学为例

吴宏盛 王亚峰

(1.江苏省无锡市胡埭中学,江苏 无锡 214100;2.江苏省无锡市滨湖区教育研究发展中心,江苏 无锡 214072)

1 引言

“力臂”概念在初中物理教材中的出现比较突兀,苏科版初中物理教材写道:“为了了解杠杆的作用,我们先以螺丝刀撬图钉为例来认识几个与杠杆有关的名词。”[1]大部分学生对于“支点”“动力”“阻力”的理解都没有大的障碍,但对于“力臂”却非常陌生。在实际教学中发现,每次复习时,大多数学生由于遗忘而对力臂的画法逐渐模糊,部分能够正确画出的学生也仅仅是依靠机械记忆。

接着教材安排了“探究杠杆的平衡条件”的学生实验,实验中要求学生组装器材,完成下列3个操作:(1) 保持钩码和弹簧测力计的位置不变,改变钩码的数量;(2) 保持钩码的数量和位置不变,改变弹簧测力计的位置;(3) 保持弹簧测力计的位置和钩码的数量不变,改变钩码的位置。进而根据实验数据归纳出结论:F1l1=F2l2。在整个实验过程,学生完全按照教材上的要求进行操作,并不知道为什么要改变阻力、阻力臂和动力臂,也不知道阻力、阻力臂是否会影响杠杆的平衡。这样做实验并不是科学探究,更像是做验证性实验。

2 自制教具

实验器材:杠杆、支架、圆形硬纸板、工字钉、细线、记号笔、钩码、弹簧测力计等。

实验装置如图1所示,其特点如下:(1) 器材的获取难度相对较小;(2) 由于使用了圆形硬纸板和工字钉,可以使拉力作用在杠杆以外的区域;(3) 工字钉可以用作定滑轮,改变力的方向。

图1

3 教学设计的调整与优化

3.1 在实验猜想中结合学生的生活体验

猜想是探究性实验的开始,既不能让学生不猜,也不能让学生乱猜。不猜会使后续的实验成为没有灵魂的空壳,乱猜会影响教学进度和节奏。在提问哪些因素会影响杠杆平衡时,提示学生结合儿时玩跷跷板的体验,他们会很容易想到杠杆平衡中力的作用效果的影响因素,利用自制教具验证学生的猜想,对学生的猜想给予肯定,这样能激发学生实验的积极性。

3.2 运用自制教具,引发思维冲突

初学时学生不大可能提出猜想:力臂对杠杆平衡有影响,因为在他们的脑海中根本没有这一概念。所以学生仍会结合玩跷跷板的经历,认为往前或往后坐也会影响杠杆平衡,即力的作用点对杠杆平衡有影响。此时教师不要急于评价学生的猜想,仍用自制教具来验证学生的猜想(图2),此时学生内心认定作用点会影响杠杆的平衡。此时呈现图3和图4所示的情形,学生刚刚形成的认知受到强烈的冲击,明明作用点位置不同,杠杆却仍能保持平衡,面对前后矛盾的结果,学生陷入沉思。此时可以让学生在那条特殊的直线上任意选取其他作用点,发现结果都是一样的。学生开始质疑自己最初的猜想,并分析杠杆的平衡一定与那条特殊的直线DE有关。这时教师不要急于解答学生的疑惑,而是让学生带着疑惑继续思考后续的问题。

图2

图3

图4

3.3 思行并举,挖掘问题本质

学生已初步探究了力的大小、作用点对杠杠平衡的影响,这时部分学生便会很自然地把目光投向力的方向。他们通过实验发现,当用弹簧测力计改变力的方向的瞬间,杠杆便不再平衡。但当弹簧测力计调节至某些特定方向时(图5、图6),杠杆又能平衡。此时学生更加迷惑,因为通过之前的实验把目光聚焦到那根特殊的直线上,而现在连那条特殊的直线都不见了。接下来教师需要给予学生一定的引导,既然图3、图4、图5和图6所示情景中杠杆都处于平衡状态,那其中必然隐含着杠杆平衡的其他因素,需要学生透过现象看本质。经过思考,思维灵活的学生已经能看出其中的内在联系,这样的深入思考过程可以提高学生的思维水平。教师尊重学生之间的差异,明确这样做的目的是让学生自己说出“点到线的距离”。从长远看,我们需要让学生会思维,提高学生分析和解决问题的能力。所以,在教学过程中尽可能让每一位学生都参与到这样有思维层次的实验探究中,使学生的逻辑推理能力和归纳能力得到质的提升,这是培养学生高阶思维的必经之路。

图5

图6

3.4 总结归纳,构建新知

经过以上探究,学生已经知道支点到那条特殊直线的距离会影响杠杆平衡,为了便于研究,我们将那条特殊的直线叫作“力的作用线”,将支点到力的作用线的距离叫作“力臂”。让学生明白“力臂”是我们实验所需要用到的,是有价值的,这个概念对探究杠杆平衡条件有着重要意义。相比于课本中直接给出 “力臂”概念,通过这种方式,学生的理解要深刻得多,记起来也就容易多了。至此,要看学生是否真正理解,需要提出一个有挑战性的问题:你可以在不同作用点、沿不同方向施加一个大小相同的力让杠杆平衡吗?抛开力的作用点和方向的假象,只需抓住“力臂”的本质即可构建成如图7的杠杆。在掌握力和力臂对杠杆平衡有影响后,探究杠杆平衡的条件自然会水到渠成。

图7

4 教学反思

4.1 概念教学需要尊重学生的认知特点

初中生感性思维能力较强、理性思维能力较弱,在概念教学中需要向学生解释为什么要学习这个概念。正如在“力臂”的教学中,通过实验激发学生自身的求知欲,让他们在实验中自主构建“力臂”概念。同样,学生对于为什么要学习“密度”这一概念也不是很清楚,其实只要一段简短的解释就可以消除学生内心的疑惑:密度是物质诸多物理属性(如硬度、透光性、延展性……)中的一个,在实际生活中可以用密度鉴别、区分物质,比如钢化玻璃和高硼硅玻璃,在硬度、透光性上都差不多,我们可以通过密度的不同来区分它们。另一方面,学生在学习某个概念前脑海中存有前概念,这些前概念有可能是正确的、也有可能是错误的或者不完整的,但都需要被尊重,忽视前概念的暴露与转变,只会让后期的教学事倍功半。

4.2 概念建构需要由具体到抽象

“能量”概念对学生来说较为抽象,苏科版初中物理教材第十二章第一节中关于能量的表述为:“一个物体能对另一个物体做功,就表明这个物体具有能量。”在介绍能量概念前,有必要将之前所学过的“声能”“光能”等结合生活实例予以呈现,声波能震碎酒杯、使烛焰晃动,光合作用、太阳能汽车表明光具有能量,等等,这些例子都说明了具有能量的物体能够对其他物体做功,进而加深学生对能量的理解。诸如“力臂”“法线”“功”“磁场”等抽象的概念还有很多,在教学中采用自制教具、结合生活实例、应用信息技术,可将抽象的概念形象化,为学生搭建思维提升的台阶。

5 结语

物理概念是物理教学的重要内容,物理概念的构建过程也是学生科学思维与实践能力进阶的过程。[2]只有在平时的教学中重视概念教学,提升构建概念的思维品质,才能让核心素养的培养落地生根,让学科育人的功能得到有效发挥。