“二力平衡”科學(xué)探究的深度備課及實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

顧曉芳

摘? ?要：基于情境，始于問題，成于探究的初中物理教學(xué)，適合培養(yǎng)初中生的學(xué)習(xí)能力，滿足初中生的學(xué)習(xí)需求。在研究學(xué)生的基礎(chǔ)上，教師設(shè)計(jì)了符合學(xué)生學(xué)情的教學(xué)，這有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高課堂教學(xué)質(zhì)量。通過以八年級(jí)下冊(cè)“二力平衡”的教學(xué)為例，談?wù)劷處熑绾窝芯繉W(xué)情，進(jìn)而怎樣利用情境探究促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)方式的改進(jìn)。

關(guān)鍵詞：初中物理;實(shí)驗(yàn)改進(jìn);科學(xué)探究;情境

中圖分類號(hào)：G633.7? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：1009-010X（2018）35-0050-03

二力平衡及其條件是初中物理教學(xué)中的一個(gè)重要內(nèi)容，教材在介紹了二力平衡的概念后，設(shè)計(jì)了“探究二力平衡條件” 的活動(dòng)，通過探究活動(dòng)得到了二力平衡的條件。教材內(nèi)容篇幅不大，情境豐富，條理清晰，言簡(jiǎn)意賅，留給教師發(fā)揮的空間很大。筆者多次在現(xiàn)場(chǎng)觀摩課中聽到這節(jié)內(nèi)容，經(jīng)過多次觀摩比較，在心中產(chǎn)生了幾點(diǎn)疑惑：二力平衡的條件究竟需要探究什么？該如何進(jìn)行探究？對(duì)這些疑惑進(jìn)行思考后提出了自己的一些見解以及改進(jìn)方法。

一、“二力平衡的條件”需要探究的內(nèi)容

教材首先借助多個(gè)生活情境幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)兩個(gè)有關(guān)平衡的概念：1.若物體在幾個(gè)力的作用下仍保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)，我們就說該物體處于平衡狀態(tài);2.如果物體在兩個(gè)力的作用下處于平衡狀態(tài)，我們就說這兩個(gè)力相互平衡，簡(jiǎn)稱二力平衡。待學(xué)習(xí)完這兩個(gè)概念后，教材提出問題：“你認(rèn)為兩個(gè)力在怎樣的條件下才能平衡？”通過實(shí)驗(yàn)探究，教材最后得出結(jié)論——當(dāng)作用在同一物體上的兩個(gè)力，大小相等、方向相反且在同一條直線上時(shí)，這兩個(gè)力才能平衡，即二力平衡的條件可簡(jiǎn)化為如下四個(gè)：同體、等值、反向、共線。

鑒于教材上的這個(gè)結(jié)論，教師在教學(xué)設(shè)計(jì)的猜想環(huán)節(jié)中，提出了四個(gè)探究問題：兩個(gè)力的大小有什么關(guān)系;方向有什么關(guān)系;是否作用在同一物體上;是否作用在同一條直線上。

（一）分析與思考

仔細(xì)推敲一下上述的兩個(gè)概念和結(jié)論可以發(fā)現(xiàn)，二力平衡產(chǎn)生的前提是“一個(gè)物體”受到“兩個(gè)力”的作用，且這兩個(gè)力必須同體。這是二力平衡的前提，當(dāng)然也是二力平衡的條件，那么這個(gè)條件是否需要在課堂教學(xué)中進(jìn)行探究呢？

在實(shí)際教學(xué)中，教師都把這個(gè)條件作為探究?jī)?nèi)容。即教師在完成另外三個(gè)條件的探究之后，用一把剪刀把研究對(duì)象——“卡片”從中間一剪為二，看到卡片不再保持靜止，由此證明這兩個(gè)力必須同時(shí)作用在同一物體上。

深入思考后可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)卡片被一剪為二時(shí)，實(shí)驗(yàn)條件也隨之發(fā)生了質(zhì)的變化。其一，研究對(duì)象發(fā)生了改變，已經(jīng)不再是原來的那一張卡片了，而是兩個(gè)半張卡片，研究對(duì)象也由一個(gè)變?yōu)閮蓚€(gè);其二，研究對(duì)象受力的個(gè)數(shù)發(fā)生了改變，兩個(gè)拉力分別作用在兩個(gè)半張卡片上，這樣研究對(duì)象受到的拉力就只有一個(gè)，而不是兩個(gè)。所以，無論從研究對(duì)象，還是從研究對(duì)象受力的數(shù)量來看，都已經(jīng)背離了“二力平衡”這個(gè)概念產(chǎn)生的前提。

（二）反思與總結(jié)

基于以上分析，筆者認(rèn)為既然“二力平衡”的概念是基于“物體在兩個(gè)力的作用下”這個(gè)前提，那么“同體”這個(gè)條件是否值得進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究就還有待商榷。教師在備課過程中要深入研究教材，認(rèn)真做到科學(xué)地解讀教材，科學(xué)地探究教材，教師的科學(xué)素養(yǎng)得到了提升，才能潛移默化地影響學(xué)生，幫助學(xué)生習(xí)得更為科學(xué)的學(xué)習(xí)方式。

二、“二力平衡的條件”究竟該如何探究

教材上把質(zhì)量較小的卡片作為研究對(duì)象，兩邊的鉤碼通過定滑輪水平作用在卡片上。在探究二力的大小關(guān)系時(shí)，通過改變鉤碼的個(gè)數(shù)來改變拉力的大小;在探究二力的共線關(guān)系時(shí)，通過將卡片旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度來改變拉力的方向。由于卡片的重力遠(yuǎn)小于鉤碼對(duì)卡片的拉力，所以卡片的重力可忽略不計(jì)。

在教學(xué)過程中，教師在教材的基礎(chǔ)上都有所創(chuàng)新，如有的教師在實(shí)驗(yàn)前植入了“為什么選擇質(zhì)量可以忽略的卡片作為研究對(duì)象”的實(shí)驗(yàn)探究和邏輯推理環(huán)節(jié)，這令實(shí)驗(yàn)過程更趨完善。

（一）如何才能做到卡片的重力可忽略不計(jì)

“忽略不計(jì)”是進(jìn)行物理學(xué)研究的一個(gè)重要思想，它在初中物理中出現(xiàn)的頻率比較高。為什么要“忽略”呢？滿足什么條件才可以“忽略不計(jì)”呢？教師在教學(xué)中應(yīng)當(dāng)正確引導(dǎo)、科學(xué)示范，以此讓學(xué)生真正理解“忽略不計(jì)”的適用條件并正確掌握，進(jìn)而加以實(shí)際運(yùn)用。

在探究二力平衡條件的過程中，相關(guān)因素是鉤碼對(duì)卡片的兩個(gè)水平拉力，同時(shí)還存在著干擾因素——卡片的重力。兩側(cè)鉤碼通過定滑輪對(duì)卡片施加水平方向的拉力，卡片在重力的作用下向下運(yùn)動(dòng)，使卡片兩側(cè)連接鉤碼的細(xì)線也向下移動(dòng)，由此導(dǎo)致卡片兩側(cè)的拉力方向不再水平。卡片的重力干擾需要消除，但卡片的重力客觀存在，所以只能設(shè)法忽略。

基于以上分析可知，卡片的重力相較于水平方向的拉力越小，對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響越小。因此當(dāng)卡片的重力遠(yuǎn)小于鉤碼的重力時(shí)，卡片的重力可以忽略不計(jì)。

（二）如何才能通過將卡片旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度來探究二力的共線關(guān)系

在探究二力平衡的條件時(shí)采用的實(shí)驗(yàn)方法是控制變量法，即在探究二力的共線關(guān)系時(shí)，提前確保二力的大小相同、方向相反。

在教學(xué)過程中，教師將矩形卡片旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度后，能否保證二力的大小相同、方向相反呢？這取決于卡片的位置和旋轉(zhuǎn)軸的方向。如果將卡片放置在兩個(gè)定滑輪的正中間，并以卡片的中心為旋轉(zhuǎn)軸，那么卡片被任意旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度后，二力的大小仍然相同、方向依舊相反。如果卡片不在正中間，或者旋轉(zhuǎn)的支點(diǎn)不是卡片的中心，那么卡片被旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度后，二力的大小不變，但二力的方向很可能不再相反，此時(shí)的變量會(huì)有兩個(gè)——不反向和不共線，由此導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果不科學(xué)不可靠。

三、“二力平衡的條件”實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

本教材的探究教學(xué)優(yōu)點(diǎn)是：形象直觀。同時(shí)帶給師生兩個(gè)困擾：一個(gè)是干擾因素（卡片的重力）;一個(gè)是器材陌生（定滑輪）。這給教師的教學(xué)帶來了不便，也給學(xué)生的學(xué)習(xí)制造了麻煩。為了規(guī)避這些教學(xué)上的不利因素，筆者另辟蹊徑，嘗試用彈性繩和圓形薄鐵片來取代教材上的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行教學(xué)。

（一）改進(jìn)的設(shè)想

既然物體的重力無法消除，不如將物體的重力由干擾因素轉(zhuǎn)變?yōu)橄嚓P(guān)因素，即探究物體在拉力和重力的作用下處于平衡狀態(tài)時(shí)需要滿足什么條件。這樣定滑輪也失去了作用，實(shí)驗(yàn)器材變得精簡(jiǎn)。實(shí)驗(yàn)的簡(jiǎn)化，為學(xué)生思維的深度訓(xùn)練提供了機(jī)會(huì)。

另外，由于豎直方向的重力比較抽象，拉力和重力的大小關(guān)系不直觀，所以教師準(zhǔn)備了幾個(gè)長(zhǎng)度、顏色不同的箭頭貼在圓形薄鐵片上，如此可將重力、拉力的大小關(guān)系、方向關(guān)系直觀地進(jìn)行標(biāo)識(shí)，以便于學(xué)生思考。

實(shí)驗(yàn)器材：鐵架臺(tái)、小球、彈性繩、彈簧測(cè)力計(jì)。

提出問題：

1.說出圖3中的小球受到哪些力的作用？

2.根據(jù)生活經(jīng)驗(yàn)猜想這些力滿足什么條件小球才能平衡？

（二）探究過程

1.探究二力的大小關(guān)系

用彈簧測(cè)力計(jì)分別測(cè)出小球的重力G和彈性繩在圖3中拉伸長(zhǎng)度為l時(shí)的彈力F，得到F=G。在圖3的基礎(chǔ)上，用手將小球輕輕往上托一點(diǎn)（圖4），判斷此時(shí)F和G的大小關(guān)系，以及松手后小球的運(yùn)動(dòng)情況;用手向下拉一點(diǎn)（圖5），判斷此時(shí)F和G的大小關(guān)系，以及松手后小球的運(yùn)動(dòng)情況。

2.探究二力的方向關(guān)系

如圖6所示，將小球豎直往上拉，使彈性繩的拉伸長(zhǎng)度為l，保證小球受到的力F=G。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)猜想小球能否在松手后靜止，然后按此過程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論。

3.探究二力的共線關(guān)系

如圖7所示，將小球轉(zhuǎn)向一側(cè)，并保持彈性繩的方向豎直，長(zhǎng)度為l，同時(shí)保證小球受到的力F=G，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)猜想小球能否在松手后靜止，然后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論。

拓展訓(xùn)練：將教材上的“探究二力平衡的條件”作為拓展訓(xùn)練的內(nèi)容。

（1）如果按照教材上用卡片進(jìn)行探究，需要解決什么問題？

（2）設(shè)計(jì)探究過程。

雖然教無定法，但一定要以生為本。教材只是一個(gè)例子，教師應(yīng)該根據(jù)自己學(xué)生的學(xué)情，創(chuàng)造性地運(yùn)用教材，選擇符合學(xué)生學(xué)習(xí)情境，能夠引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探究的教學(xué)方式，以此幫助學(xué)生體驗(yàn)獲取知識(shí)的過程，感受學(xué)習(xí)的樂趣，并最終實(shí)現(xiàn)我們的教育目標(biāo)。