自制低成本教具 突破概念教學難點①
——以“力臂”教學為例

吳宏盛 王亞峰

(1.江蘇省無錫市胡埭中學,江蘇 無錫 214100;2.江蘇省無錫市濱湖區教育研究發展中心,江蘇 無錫 214072)

1 引言

“力臂”概念在初中物理教材中的出現比較突兀,蘇科版初中物理教材寫道:“為了了解杠桿的作用,我們先以螺絲刀撬圖釘為例來認識幾個與杠桿有關的名詞?！盵1]大部分學生對于“支點”“動力”“阻力”的理解都沒有大的障礙,但對于“力臂”卻非常陌生。在實際教學中發現,每次復習時,大多數學生由于遺忘而對力臂的畫法逐漸模糊,部分能夠正確畫出的學生也僅僅是依靠機械記憶。

接著教材安排了“探究杠桿的平衡條件”的學生實驗,實驗中要求學生組裝器材,完成下列3個操作:(1) 保持鉤碼和彈簧測力計的位置不變,改變鉤碼的數量;(2) 保持鉤碼的數量和位置不變,改變彈簧測力計的位置;(3) 保持彈簧測力計的位置和鉤碼的數量不變,改變鉤碼的位置。進而根據實驗數據歸納出結論:F1l1=F2l2。在整個實驗過程,學生完全按照教材上的要求進行操作,并不知道為什么要改變阻力、阻力臂和動力臂,也不知道阻力、阻力臂是否會影響杠桿的平衡。這樣做實驗并不是科學探究,更像是做驗證性實驗。

2 自制教具

實驗器材:杠桿、支架、圓形硬紙板、工字釘、細線、記號筆、鉤碼、彈簧測力計等。

實驗裝置如圖1所示,其特點如下:(1) 器材的獲取難度相對較小;(2) 由于使用了圓形硬紙板和工字釘,可以使拉力作用在杠桿以外的區域;(3) 工字釘可以用作定滑輪,改變力的方向。

圖1

3 教學設計的調整與優化

3.1 在實驗猜想中結合學生的生活體驗

猜想是探究性實驗的開始,既不能讓學生不猜,也不能讓學生亂猜。不猜會使后續的實驗成為沒有靈魂的空殼,亂猜會影響教學進度和節奏。在提問哪些因素會影響杠桿平衡時,提示學生結合兒時玩蹺蹺板的體驗,他們會很容易想到杠桿平衡中力的作用效果的影響因素,利用自制教具驗證學生的猜想,對學生的猜想給予肯定,這樣能激發學生實驗的積極性。

3.2 運用自制教具,引發思維沖突

初學時學生不大可能提出猜想:力臂對杠桿平衡有影響,因為在他們的腦海中根本沒有這一概念。所以學生仍會結合玩蹺蹺板的經歷,認為往前或往后坐也會影響杠桿平衡,即力的作用點對杠桿平衡有影響。此時教師不要急于評價學生的猜想,仍用自制教具來驗證學生的猜想(圖2),此時學生內心認定作用點會影響杠桿的平衡。此時呈現圖3和圖4所示的情形,學生剛剛形成的認知受到強烈的沖擊,明明作用點位置不同,杠桿卻仍能保持平衡,面對前后矛盾的結果,學生陷入沉思。此時可以讓學生在那條特殊的直線上任意選取其他作用點,發現結果都是一樣的。學生開始質疑自己最初的猜想,并分析杠桿的平衡一定與那條特殊的直線DE有關。這時教師不要急于解答學生的疑惑,而是讓學生帶著疑惑繼續思考后續的問題。

圖2

圖3

圖4

3.3 思行并舉,挖掘問題本質

學生已初步探究了力的大小、作用點對杠杠平衡的影響,這時部分學生便會很自然地把目光投向力的方向。他們通過實驗發現,當用彈簧測力計改變力的方向的瞬間,杠桿便不再平衡。但當彈簧測力計調節至某些特定方向時(圖5、圖6),杠桿又能平衡。此時學生更加迷惑,因為通過之前的實驗把目光聚焦到那根特殊的直線上,而現在連那條特殊的直線都不見了。接下來教師需要給予學生一定的引導,既然圖3、圖4、圖5和圖6所示情景中杠桿都處于平衡狀態,那其中必然隱含著杠桿平衡的其他因素,需要學生透過現象看本質。經過思考,思維靈活的學生已經能看出其中的內在聯系,這樣的深入思考過程可以提高學生的思維水平。教師尊重學生之間的差異,明確這樣做的目的是讓學生自己說出“點到線的距離”。從長遠看,我們需要讓學生會思維,提高學生分析和解決問題的能力。所以,在教學過程中盡可能讓每一位學生都參與到這樣有思維層次的實驗探究中,使學生的邏輯推理能力和歸納能力得到質的提升,這是培養學生高階思維的必經之路。

圖5

圖6

3.4 總結歸納,構建新知

經過以上探究,學生已經知道支點到那條特殊直線的距離會影響杠桿平衡,為了便于研究,我們將那條特殊的直線叫作“力的作用線”,將支點到力的作用線的距離叫作“力臂”。讓學生明白“力臂”是我們實驗所需要用到的,是有價值的,這個概念對探究杠桿平衡條件有著重要意義。相比于課本中直接給出 “力臂”概念,通過這種方式,學生的理解要深刻得多,記起來也就容易多了。至此,要看學生是否真正理解,需要提出一個有挑戰性的問題:你可以在不同作用點、沿不同方向施加一個大小相同的力讓杠桿平衡嗎?拋開力的作用點和方向的假象,只需抓住“力臂”的本質即可構建成如圖7的杠桿。在掌握力和力臂對杠桿平衡有影響后,探究杠桿平衡的條件自然會水到渠成。

圖7

4 教學反思

4.1 概念教學需要尊重學生的認知特點

初中生感性思維能力較強、理性思維能力較弱,在概念教學中需要向學生解釋為什么要學習這個概念。正如在“力臂”的教學中,通過實驗激發學生自身的求知欲,讓他們在實驗中自主構建“力臂”概念。同樣,學生對于為什么要學習“密度”這一概念也不是很清楚,其實只要一段簡短的解釋就可以消除學生內心的疑惑:密度是物質諸多物理屬性(如硬度、透光性、延展性……)中的一個,在實際生活中可以用密度鑒別、區分物質,比如鋼化玻璃和高硼硅玻璃,在硬度、透光性上都差不多,我們可以通過密度的不同來區分它們。另一方面,學生在學習某個概念前腦海中存有前概念,這些前概念有可能是正確的、也有可能是錯誤的或者不完整的,但都需要被尊重,忽視前概念的暴露與轉變,只會讓后期的教學事倍功半。

4.2 概念建構需要由具體到抽象

“能量”概念對學生來說較為抽象,蘇科版初中物理教材第十二章第一節中關于能量的表述為:“一個物體能對另一個物體做功,就表明這個物體具有能量?！痹诮榻B能量概念前,有必要將之前所學過的“聲能”“光能”等結合生活實例予以呈現,聲波能震碎酒杯、使燭焰晃動,光合作用、太陽能汽車表明光具有能量,等等,這些例子都說明了具有能量的物體能夠對其他物體做功,進而加深學生對能量的理解。諸如“力臂”“法線”“功”“磁場”等抽象的概念還有很多,在教學中采用自制教具、結合生活實例、應用信息技術,可將抽象的概念形象化,為學生搭建思維提升的臺階。

5 結語

物理概念是物理教學的重要內容,物理概念的構建過程也是學生科學思維與實踐能力進階的過程。[2]只有在平時的教學中重視概念教學,提升構建概念的思維品質,才能讓核心素養的培養落地生根,讓學科育人的功能得到有效發揮。