在初中物理深度學習中發展核心素養
——以“杠桿”教學為例

云南師范大學物理與電子信息學院（650500）劉荔鑫 徐曉梅

所謂深度學習，就是在教師的引導下，學生圍繞具有挑戰性的學習主題，全身心參與體驗成功、獲得發展的有意義的學習過程［1］。相對三維目標，2017 年版普通高中物理課程標準中明確的物理學科核心素養，站在一個更高的物理文化層面對物理教學提出要求，要求從“知識為本”轉向“觀念建構”，在“觀念建構”過程中讓學生形成從物理的視角認識事物和解決問題的思想、方法、觀點［2］。從中學物理教學現狀來看，部分教師習慣直接向學生灌輸知識，使學生難以獨立探究解決問題的方法，使教學出現淺表化現象。深度學習強調學習是學習者主動參與、積極建構的過程，注重批判性理解、知識遷移、創造性地解決問題以及高階思維的應用。這些與核心素養的內涵不謀而合，所以說深度學習能夠發展學生核心素養。

本文從深度學習的聯想與結構、活動與體驗、本質與變式、遷移與應用以及價值與評價五個基本方面來設計教學，下面以“杠桿”教學為例，從深度學習的基本特征出發，將深度學習滲透于各教學環節中，探索提高學生物理學科核心素養的教學。

一、教學目標

依據課程標準、教學內容和學生實際，設置合理的教學目標用以引導學生深度學習。

1.通過生活體驗，學會從生產生活中相關的工具歸類得出“杠桿”這一簡單機械［3］。在杠桿和力臂概念的建構過程中，培養模型建構的科學思維。

2.在探究力臂的概念實驗中，通過小組合作探究，加深對科學探究過程的認識，鍛煉科學探究能力。

3.通過對生產生活中杠桿的認識，解決實際問題，加強物理與生活的聯系，提高學習物理的興趣；通過經歷實驗探究的過程，培養科學嚴謹、實事求是的態度和合作交流的品質。

二、教學過程

（一）趣味游戲，導入新課

準備一個拉環損壞的八寶粥罐子，選擇能夠快速且容易打開蓋子的工具。工具有筷子、螺絲刀、皮尺、鐵絲、薄木板、繩子以及鑰匙。請每個小組派代表上臺，展示自己用所選工具開蓋的效果。

根據展示結果提出如下兩個問題：

問題1.為什么皮尺、鐵絲、繩子和薄木板均無法打開蓋子？

問題2.在使用筷子、螺絲刀、鑰匙打開蓋子的過程中，發現它們有什么共同特征？

引導學生分析得出杠桿的定義：一根硬棒，在力的作用下能夠繞著固定點轉動，這根硬棒就是杠桿。

設計意圖：通過活動和體驗激發學生的學習動機，使學生能夠迅速進入深度學習狀態。將杠桿的概念與生活經驗聯系起來，使學生對杠桿概念的認知從感性上升到理性，形成正確的物理觀念，發展系統化思維。

（二）引導學生深度體驗，建構物理模型

展示生活中常見的杠桿：鑷子和羊角錘。

師：如圖1 和圖2 所示，在二者的使用過程中，支撐點分別在哪？哪些力阻礙它轉動？哪些力使它轉動？

圖1 鑷子

圖2 羊角錘

生：在使用鑷子的過程中，支撐點在鑷子的尾部O點，手對鑷子施力使得鑷子轉動，物體對鑷子首端起阻礙作用。在使用羊角錘的過程中，支撐點在羊角錘頭部的中點O′處，手在A′點對它施加力使其轉動，釘子在B′點阻礙羊角錘轉動。

［歸納總結］

支點：杠桿可以繞其轉動的點。

動力：使杠桿轉動的力F1。

阻力：阻礙杠桿轉動的力F2。

設計意圖：學生在觀察和分析問題時，能夠從生活中常用工具抽象出杠桿模型，形成建構物理模型的能力，發展科學思維。

師：知道了什么是支點、動力和阻力，下面學習杠桿的另一個要素——力臂。

師：請同學們觀察圖3，蹺蹺板在A，B兩種情況下分別處于什么狀態？

圖3 蹺蹺板

生甲：A是平衡狀態，B是非平衡狀態。

生乙：A，B都是平衡狀態。

（針對不同的看法，請學生分組討論。）

師：當物體在幾個力的作用下處于靜止或者勻速直線運動時，我們就說這個物體處于平衡狀態。

師：也就是說當杠桿在動力和阻力作用下靜止時，我們就說杠桿平衡。

師：那么杠桿的平衡與哪些因素有關呢？

設計意圖：本環節通過鑷子和羊角錘的使用，引導學生將生活中對杠桿的認識抽象為杠桿的物理模型，認識杠桿的要素，發展科學思維。通過蹺蹺板的情境，產生認知沖突，重新建構杠桿平衡的概念。

（三）深度探究，建構力臂概念

實驗儀器：自制杠桿、沙袋、彈簧測力計。

問題1.作用在木棍上的任意位置，用的力是一樣大嗎？

猜想：（1）靠近支點的位置省力；（2）遠離支點的位置省力。

實驗1.如圖4所示，在木棍一端掛上沙袋，在木棍另一端A，B兩個位置分別用彈簧測力計將沙袋提起至水平位置平衡，記錄彈簧測力計的示數。重復以上操作3次。

圖4 實驗1

表1 實驗1記錄

結論：杠桿的平衡與力的大小有關，并且力的作用點距離支點越遠，所用的力就越小。

問題2.當我們在離支點的最遠端施加力時，將沙袋提起到同一位置，是不是無論力的方向朝哪，用的力都是一樣大的呢？

實驗2.如圖5 所示，在木棍的最遠端，用彈簧測力計朝著如圖5 所示1、2 方向拉動杠桿，待杠桿水平平衡后，讀出彈簧測力計的示數，重復3 次，將數據記錄到表格中。

圖5 實驗2

表2 實驗2記錄

結論：杠桿的平衡與力的方向有關，當力的方向垂直木棍的時候，所用的力最小。

問題3.能否把力的方向的改變歸結為某個距離的改變？

師（黑板作圖）：只改變力的方向，支點到力的哪個距離發生了變化？

生：支點到力的作用線的距離發生了變化。

師：從圖中可以發現，當力垂直于杠桿時，支點到力的作用線的距離是怎樣的？

生：最長的。

師：當力不垂直于杠桿時，支點到力的作用線的距離就會變小，我們把表示從支點到力的作用線的距離的線段稱為力臂。

師：因為杠桿有動力與阻力，所以力臂也分為什么？

生：動力臂和阻力臂。

師：大家一起總結一下力臂的畫法。首先找出支點，然后畫出力的作用線，結合數學中點到線的距離可知，過支點向力的作用線作垂線，這條垂線段就是力臂。

設計意圖：深度學習強調學生的親身體驗，通過探究實驗，加深對影響杠桿平衡要素的理解，培養科學探究能力。同時，通過問題組層層深入，經歷力臂概念的建構過程；通過對數學知識遷移運用，將零散的知識結構化、體系化，以融會貫通的方式學習力臂的作圖方法。

（四）深度理解，探究杠桿平衡條件

1.探究杠桿的平衡條件

通過剛才的學習，我們知道了杠桿的平衡與動力、阻力、動力臂、阻力臂有關，那么當它們滿足什么關系時杠桿才能平衡呢？

問題1.要知道這四個物理量滿足什么關系，首先就要測量出這四個物理量的大小。動力和阻力可以通過砝碼的質量計算得出，力臂怎樣測量最容易呢？

師：根據前一環節“力臂”的學習，知道當力垂直于杠桿時，力臂最容易測量。

學生小組討論，展示實驗設計方案。教師完善實驗方案后，引導學生分組進行實驗。

［實驗儀器］杠桿、砝碼。

［實驗過程］

a.調平杠桿，在杠桿的左右兩側12 cm 處各掛一個重為2 N 的砝碼，此時發現杠桿處于平衡狀態，將支點右側規定為阻力，然后把數據記錄在下面的表格中（見表3）。

表3 實驗3記錄

b.將左側砝碼加為4 N，位置仍為12 cm，此時杠桿發生了偏斜，保持阻力不變，移動砝碼的位置直至杠桿平衡，則此時砝碼位置是多少？

c.將左側砝碼減小為2 N，移動至24 cm 處，此時保持阻力砝碼的位置為24 cm，阻力為多少時可以使杠桿平衡？

d.將左側砝碼調整為4 N，距離調整為24 cm，此時阻力側砝碼的質量和位置分別是多少時可以保證杠桿平衡？

實驗結論：分析表格中的數據可以得到杠桿的平衡條件：F1L1=F2L2。

設計意圖：注重設計與評估的科學探究是初中物理深度學習的典型特征之一［4］。在本環節中，學生經歷杠桿平衡條件的科學探究過程，培養科學推理能力，進一步加深對力臂的理解。學生收集數據、分析數據的能力得以鍛煉，養成了實事求是的科學態度。

2.杠桿的分類

師：我們已知動力×動力臂=阻力×阻力臂，那么在“動力臂>阻力臂”“動力臂<阻力臂”“動力臂=阻力臂”這三種情況下，動力和阻力的關系分別是什么樣的？

讓學生給杠桿命名，并將表4填寫完整。

表4 杠桿分類表

（五）舉一反三，進行深度評價

在本節課的評價環節，主要通過練習題檢驗學生的學習情況，下面舉例說明。

練習題1：請同學們畫出圖6所示的三個杠桿的力臂示意圖。

圖6 練習題1

練習題2：請同學們舉例說明生活中的杠桿。

設計意圖：把握事物的本質，是建構知識結構的前提，也是以簡馭繁、削枝強干的前提［1］。抓住力臂的本質，才能舉一反三。學生通過解答練習題提升知識深度加工能力，實現知識的遷移與應用。通過對生活中杠桿的舉例，檢驗學生對杠桿定義和五要素的掌握情況。通過對變式題的解答，教師可以對學生進行過程性評價，學生也能對本節課的學習情況進行自我批判與反思。

三、教學反思

在本節課中，首先通過趣味游戲引入新課，激發學生深度學習；其次通過問題組與探究實驗，引發學生的認知沖突，建立力臂的概念；再次通過設計實驗，探究杠桿的平衡條件；最后利用變式題，檢驗本節課的學習效果。