利用杠桿原理教學培養學生的創新能力

王健民

素質教育的核心是培養學生的創新能力和實踐能力．對中學生來說，創新能力主要體現在學生具有創新的意識和思維上，創新往往從疑問和驚訝開始，學生有疑問才會進一步思考和探索，才能有所發現，有所創新．如果在教學中重視把教學和引導學生求異質疑相結合，注意為學生提供發現問題和應用知識的機會和創造性解決問題的條件，學生的創造性思維就可以得到培養和發展．物理定律的發現和完善過程都是人們運用創造性思維不斷創新的過程，在發現定律的過程中所創造出來的科學方法是人類極其寶貴的財富．因此，利用物理定律教學培養學生的創新能力是一個極好途徑，本文以初中物理“杠桿原理”一課為例探討在物理定律教學中培養學生創新能力的方法．

一、知識準備

探索和創新都是在一定的基礎上進行的，沒有一定的知識基礎，根本談不上探索、創新．學生若要順利進行探索，就必須有一定的知識準備．為此在“杠桿原理”的教學中，有必要使學生確切了解“力臂是支點到力的作用線的距離”這一概念，并能熟練作出作用在杠桿上的各種力的力臂．因此要求學生做適當的針對性練習，特別強調與杠桿垂直的力的力臂(支點到該力的作用點的距離)，為實驗設計做準備，同時明確杠桿平衡是指杠桿在動力和阻力作用下處于靜止或勻速轉動的狀態，其中勻速轉動是指杠桿繞支點勻速轉動．

二、提出質疑

發現問題、產生驚訝、提出疑問是激發學生求知欲，使學生主動學習，成為學習主體的最好辦法．為此，演示如下實驗：用細線穿過硬桿中間的小孔并把硬桿掛在鐵架臺上作為杠桿，調節杠桿兩端螺母，使杠桿處于水平位置平衡．在支點左邊10cm處掛3個50g的鉤碼，在支點右邊6cm處掛5個50g的鉤碼，并使杠桿處于水平位置平衡；保持所掛位置不變，杠桿兩邊各加掛一個相同的鉤碼，觀察杠桿是否能保持平衡?杠桿不能保持平衡是因為動力和阻力改變引起，這說明杠桿的平衡與什么有關?除去所加鉤碼，使杠桿重新恢復平衡，再把掛鉤碼的位置到支點的距離各加大2cm，觀察杠桿是否還能保持平衡?杠桿不能保持平衡是因為動力臂、阻力臂變化引起，這又說明杠桿的平衡與什么有關?然后讓學生分析、歸納得出結論：杠桿的平衡與動力、動力臂、阻力和阻力臂有關．此時，抓住時機提出問題：動力、動力臂、阻力和阻力臂之間存在著什么樣的關系時才能使杠桿平衡?這樣通過創設適當的物理情境使學生對問題產生強烈的探求欲望，迅速進入學習角色當中．

三、實驗研究

1．實驗設計

有目的的實踐探索過程，都必須先設計好方案、計劃，而具體的方案設計又需要學生具有獨立思考、大膽猜想及豐富的想像力，這是發揮學生積極性和提高學生聰明才智，培養學生探索能力和創造精神的好方法．為此，可提供給學生鐵架臺、50g的鉤碼若干、兩端帶螺母有刻度且中間有小孔的硬桿、彈簧秤、細線等器材；要求學生分組討論并根據提供的器材設計一個研究動力、動力臂、阻力和阻力臂之間存在著什么樣的關系時才能使杠桿平衡的實驗方案．在此過程，教師要注意了解學生的設計情況，然后，對較合理、有創意的設計方案作出肯定、表揚，使學生樹立創新的信心和勇氣．接著提出具體的實驗要求和實驗方案：用細線穿過硬桿中間的小孔并把硬桿掛在鐵架臺上作為杠桿，線與桿的接觸點即為支點；調整杠桿兩端的螺母，使杠桿處于水平位置平衡；分別用細線把鉤碼掛在支點的兩邊，使杠桿重新處于水平位置平衡；此時，掛在杠桿上的鉤碼的重分別等于杠桿的動力和阻力，所掛鉤碼處到支點的距離分別為動力臂、阻力臂．最后把實驗所得數據填入下表．

2．實驗操作

物理定律往往是在觀察實驗的基礎上通過分析、計算、推理、歸納而得出的，認真做好物理實驗對培養學生的探索精神和實踐能力具有十分重要的意義．在教師的指導下讓學生分組完成以下實驗步驟(右邊掛的鉤碼對杠桿的拉力作為阻力，左邊掛的鉤碼或彈簧秤對杠桿的拉力作為動力)：①在杠桿支點右邊8cm處掛3個鉤碼，左邊掛2個鉤碼并調節所掛位置，使杠桿處于水平位置平衡，記下此時的動力、動力臂、阻力和阻力臂；②保持右邊所掛鉤碼個數及位置不變，左邊改為掛4個鉤碼并調節所掛位置，使杠桿重新處于水平位置平衡，記下此時的動力和動力臂；③保持右邊所掛鉤碼個數及位置不變，左邊改掛6個鉤碼并調節所掛位置，使杠桿重新處于水平位置平衡，記下此時的動力和動力臂．對操作熟練，完成得快又好的實驗小組作出表揚，使學生樹立探索實踐的信心．

3．實驗數據處理

實驗的目的是為了能從實驗結果中發現物理規律，得出物理規律．在不能直接從實驗結果中得出結論找到規律時，就需要對實驗結果進行分析、計算、推理、歸納，才能發現其規律性．因此，引導學生根據實驗數據大膽的進行假設、猜想、推理，讓學生有一定的時間來討論、思考，這是培養學生批判性思維和創造精神，提高推理能力和歸納能力的好辦法．分析實驗結果可知：在阻力和阻力臂不變的條件下，動力變為原來的N倍，要保持杠桿平衡，動力臂則應變為原來的1／N，由此不難看出，杠桿的左邊隱含著一個不變的因素，此因素是什么?與右邊對應的因素是否相等?杠桿平衡時是否都符合此條件?

讓學生再用下面實驗進行驗證：在杠桿支點的右邊10cm處掛6個50g的鉤碼，用彈簧秤在右邊15cm處豎直向上拉杠桿，使杠桿處于水平位置平衡，記下此時的動力、動力臂、阻力和阻力臂．那么，動力乘以動力臂與阻力乘以阻力臂是否相等?

四、得出結論

通過上面的實驗，很容易得出杠桿平衡條件(杠桿原理)：動力乘以動力臂等于阻力乘以阻力臂．

五、知識運用

學生通過親身探索、分析、推理，“發現”了杠桿原理，使學生體會到了成功的喜悅，從而激發了學生的學習興趣．為了使學生能對新知識有更深的理解，及時提出一些日常生活中的問題，并能應用自己“發現”的原理去解決，這進一步增強了學生的創新欲望和創新信心．

實踐使我們認識到，在物理定律教學過程中，要培養好學生的創新能力并不是一件很容易的事情，作為教師本身也應具有很強的創新意識和創新精神，相信學生在學習過程中能起主體作用，留給學生一定的學習空間和時間，為學生的發展創設必要的條件，營造創新的氛圍和創造寬松的環境，如在杠桿原理教學中讓學生自己設計實驗方案和討論分析實驗數據，這就為學生營造了創新的氛圍，使學生的稟賦和潛能得到自由、充分的發展，使學生的創造能力也得到了提高，很好地體現了學生的主體作用．