“二力平衡”科學探究的深度備課及實驗改進

顧曉芳

摘? ?要：基于情境，始于問題，成于探究的初中物理教學，適合培養初中生的學習能力，滿足初中生的學習需求。在研究學生的基礎上，教師設計了符合學生學情的教學，這有助于激發學生的學習興趣，提高課堂教學質量。通過以八年級下冊“二力平衡”的教學為例，談談教師如何研究學情，進而怎樣利用情境探究促進學生學習方式的改進。

關鍵詞：初中物理;實驗改進;科學探究;情境

中圖分類號：G633.7? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1009-010X（2018）35-0050-03

二力平衡及其條件是初中物理教學中的一個重要內容，教材在介紹了二力平衡的概念后，設計了“探究二力平衡條件” 的活動，通過探究活動得到了二力平衡的條件。教材內容篇幅不大，情境豐富，條理清晰，言簡意賅，留給教師發揮的空間很大。筆者多次在現場觀摩課中聽到這節內容，經過多次觀摩比較，在心中產生了幾點疑惑：二力平衡的條件究竟需要探究什么？該如何進行探究？對這些疑惑進行思考后提出了自己的一些見解以及改進方法。

一、“二力平衡的條件”需要探究的內容

教材首先借助多個生活情境幫助學生認識兩個有關平衡的概念：1.若物體在幾個力的作用下仍保持靜止或勻速直線運動，我們就說該物體處于平衡狀態;2.如果物體在兩個力的作用下處于平衡狀態，我們就說這兩個力相互平衡，簡稱二力平衡。待學習完這兩個概念后，教材提出問題：“你認為兩個力在怎樣的條件下才能平衡？”通過實驗探究，教材最后得出結論——當作用在同一物體上的兩個力，大小相等、方向相反且在同一條直線上時，這兩個力才能平衡，即二力平衡的條件可簡化為如下四個：同體、等值、反向、共線。

鑒于教材上的這個結論，教師在教學設計的猜想環節中，提出了四個探究問題：兩個力的大小有什么關系;方向有什么關系;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

仔細推敲一下上述的兩個概念和結論可以發現，二力平衡產生的前提是“一個物體”受到“兩個力”的作用，且這兩個力必須同體。這是二力平衡的前提，當然也是二力平衡的條件，那么這個條件是否需要在課堂教學中進行探究呢？

在實際教學中，教師都把這個條件作為探究內容。即教師在完成另外三個條件的探究之后，用一把剪刀把研究對象——“卡片”從中間一剪為二，看到卡片不再保持靜止，由此證明這兩個力必須同時作用在同一物體上。

深入思考后可以發現，當卡片被一剪為二時，實驗條件也隨之發生了質的變化。其一，研究對象發生了改變，已經不再是原來的那一張卡片了，而是兩個半張卡片，研究對象也由一個變為兩個;其二，研究對象受力的個數發生了改變，兩個拉力分別作用在兩個半張卡片上，這樣研究對象受到的拉力就只有一個，而不是兩個。所以，無論從研究對象，還是從研究對象受力的數量來看，都已經背離了“二力平衡”這個概念產生的前提。

（二）反思與總結

基于以上分析，筆者認為既然“二力平衡”的概念是基于“物體在兩個力的作用下”這個前提，那么“同體”這個條件是否值得進行實驗探究就還有待商榷。教師在備課過程中要深入研究教材，認真做到科學地解讀教材，科學地探究教材，教師的科學素養得到了提升，才能潛移默化地影響學生，幫助學生習得更為科學的學習方式。

二、“二力平衡的條件”究竟該如何探究

教材上把質量較小的卡片作為研究對象，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系時，通過改變鉤碼的個數來改變拉力的大小;在探究二力的共線關系時，通過將卡片旋轉一個角度來改變拉力的方向。由于卡片的重力遠小于鉤碼對卡片的拉力，所以卡片的重力可忽略不計。

在教學過程中，教師在教材的基礎上都有所創新，如有的教師在實驗前植入了“為什么選擇質量可以忽略的卡片作為研究對象”的實驗探究和邏輯推理環節，這令實驗過程更趨完善。

（一）如何才能做到卡片的重力可忽略不計

“忽略不計”是進行物理學研究的一個重要思想，它在初中物理中出現的頻率比較高。為什么要“忽略”呢？滿足什么條件才可以“忽略不計”呢？教師在教學中應當正確引導、科學示范，以此讓學生真正理解“忽略不計”的適用條件并正確掌握，進而加以實際運用。

在探究二力平衡條件的過程中，相關因素是鉤碼對卡片的兩個水平拉力，同時還存在著干擾因素——卡片的重力。兩側鉤碼通過定滑輪對卡片施加水平方向的拉力，卡片在重力的作用下向下運動，使卡片兩側連接鉤碼的細線也向下移動，由此導致卡片兩側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，對實驗的影響越小。因此當卡片的重力遠小于鉤碼的重力時，卡片的重力可以忽略不計。

（二）如何才能通過將卡片旋轉一個角度來探究二力的共線關系

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

在教學過程中，教師將矩形卡片旋轉一個角度后，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軸的方向。如果將卡片放置在兩個定滑輪的正中間，并以卡片的中心為旋轉軸，那么卡片被任意旋轉一個角度后，二力的大小仍然相同、方向依舊相反。如果卡片不在正中間，或者旋轉的支點不是卡片的中心，那么卡片被旋轉一個角度后，二力的大小不變，但二力的方向很可能不再相反，此時的變量會有兩個——不反向和不共線，由此導致實驗結果不科學不可靠。

三、“二力平衡的條件”實驗改進

本教材的探究教學優點是：形象直觀。同時帶給師生兩個困擾：一個是干擾因素（卡片的重力）;一個是器材陌生（定滑輪）。這給教師的教學帶來了不便，也給學生的學習制造了麻煩。為了規避這些教學上的不利因素，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驗進行教學。

（一）改進的設想

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變為相關因素，即探究物體在拉力和重力的作用下處于平衡狀態時需要滿足什么條件。這樣定滑輪也失去了作用，實驗器材變得精簡。實驗的簡化，為學生思維的深度訓練提供了機會。

另外，由于豎直方向的重力比較抽象，拉力和重力的大小關系不直觀，所以教師準備了幾個長度、顏色不同的箭頭貼在圓形薄鐵片上，如此可將重力、拉力的大小關系、方向關系直觀地進行標識，以便于學生思考。

實驗器材：鐵架臺、小球、彈性繩、彈簧測力計。

提出問題：

1.說出圖3中的小球受到哪些力的作用？

2.根據生活經驗猜想這些力滿足什么條件小球才能平衡？

（二）探究過程

1.探究二力的大小關系

用彈簧測力計分別測出小球的重力G和彈性繩在圖3中拉伸長度為l時的彈力F，得到F=G。在圖3的基礎上，用手將小球輕輕往上托一點（圖4），判斷此時F和G的大小關系，以及松手后小球的運動情況;用手向下拉一點（圖5），判斷此時F和G的大小關系，以及松手后小球的運動情況。

2.探究二力的方向關系

如圖6所示，將小球豎直往上拉，使彈性繩的拉伸長度為l，保證小球受到的力F=G。根據經驗猜想小球能否在松手后靜止，然后按此過程進行實驗得出結論。

3.探究二力的共線關系

如圖7所示，將小球轉向一側，并保持彈性繩的方向豎直，長度為l，同時保證小球受到的力F=G，根據經驗猜想小球能否在松手后靜止，然后進行實驗得出結論。

拓展訓練：將教材上的“探究二力平衡的條件”作為拓展訓練的內容。

（1）如果按照教材上用卡片進行探究，需要解決什么問題？

（2）設計探究過程。

雖然教無定法，但一定要以生為本。教材只是一個例子，教師應該根據自己學生的學情，創造性地運用教材，選擇符合學生學習情境，能夠引導學生進行探究的教學方式，以此幫助學生體驗獲取知識的過程，感受學習的樂趣，并最終實現我們的教育目標。