培養學生物理核心素養的實驗創新設計

梅立芳

摘 要：在基礎教育改革不斷推進的大背景下，培養學生的“核心素養”成為當今教育領域備受關注的課題.如何通過實驗創新設計來培養學生的物理核心素養呢？筆者將以“探究杠桿的平衡條件”為例，具體闡述教師通過開展實驗創新設計，使學生從科學探究的真實體驗中領悟概念和規律，促進學生核心素養發展的實驗教學思路.

關鍵詞：核心素養，創新實驗

文章編號：1008-4134（2020）08-0048 ? ?中圖分類號：G633.7 ? ?文獻標識碼：B

在基礎教育改革不斷推進的大背景下，培養學生的“核心素養”成為當今教育領域備受關注的課題.物理核心素養是物理學科育人價值的集中體現，是學生在接受物理教育過程中逐步形成的適應個人終身發展和社會發展需要的關鍵能力和必備品格，是學生科學素養的重要構成.物理核心素養主要由“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態度與責任”四個方面的要素構成.物理是一門以實驗為基礎的學科，實驗在物理教學中起著舉足輕重的作用.但是，目前學生在學習物理方面存在著諸多問題：由于物理“難”導致學生對物理學習失去興趣，由于學生“缺乏生活經驗”導致所學知識不能靈活應用，由于課堂上教師對“實驗教學”不夠重視導致學生動手能力差，科學探究的能力不能得到有效培養等等.筆者認為，解決現存問題的一條有效途徑就是開展創新實驗設計，使學生從科學探究的真實體驗中，領悟物理概念和規律，促進物理觀念的形成，培養科學思維，養成良好的科學態度與責任，從而促進學生核心素養的發展.

1 教材中的實驗方案

“杠桿”是魯科版初中物理八年級下冊第九章第一節的內容.“杠桿”一節在本教材中的作用非常重要，它既是前面力學知識的延伸，又是后續內容“其他簡單機械”探究學習的開始.本節的學習任務分成兩個板塊，第一個板塊是完成對杠桿的初步認識，了解杠桿的五要素，第二個板塊是實驗探究杠桿的平衡條件.教材中探究實驗是這樣設計的：

如圖1所示，實驗前調節杠桿使其在水平位置平衡.在杠桿的左右加掛鉤碼充當動力和阻力，通過測量兩側鉤碼的重力可知動力F1和阻力F2的大小.另外，從杠桿上直接讀出動力臂L1與阻力臂L2的大小.分析數據，得出杠桿平衡條件.

筆者結合學生學習過程中提出的問題，以及自身在教學中的一些思考，對本實驗進行了如下創新設計.

2 實驗創新設計

問題1：調節杠桿在水平位置平衡要靠“目測”，這樣是不是太草率？

物理是一門實驗學科，而物理實驗教學的目的之一就是要培養學生嚴謹的科學態度.該實驗中杠桿是否水平需要靠目測，確實不夠精確，在實驗課上筆者聽到了學生這樣的對話：

同學a：杠桿這樣平衡了嗎？

同學b：差不多就行.

當時聽到“差不多”這個詞的時候感覺特別不舒服.如此嚴謹的一門學科，課堂上卻出現了如此“不嚴謹”的詞語，確實不利于對學生科學態度的培養.因此筆者引導學生對裝置做了如下改進（如圖2所示）：由“天平的分度盤”得到啟示，可以引導學生在杠桿的支架上也加一個分度盤，杠桿的支點處固定指針，讓指針與杠桿垂直，并借助“重垂線”使分度盤的零刻線豎直，當杠桿上的指針指在分度盤的零刻線時，表示杠桿在水平位置已經平衡.

問題2：杠桿是不是只有靜止在水平位置才算平衡？

教材中杠桿平衡的定義是這樣的：杠桿在動力、阻力作用下靜止或勻速轉動，我們稱之為“杠桿平衡”.對于這句話的理解可以分為兩個層面：一是杠桿靜止或勻速轉動都屬于杠桿平衡，二是杠桿靜止在水平位置和靜止在其他位置也都是平衡.

實驗時可以再借助分度盤，先探究杠桿靜止在水平位置的平衡條件，再讓杠桿靜止在某一傾斜位置進行探究（如圖3所示）.探究杠桿在傾斜位置的平衡條件時，只要保證每次指針指在分度盤的同一條刻度線，就可以保證每次杠桿傾斜的位置相同，從而使學生正確理解“杠桿平衡”的定義.

但是當杠桿傾斜時，其動力臂和阻力臂都不能從杠桿上直接讀出.

為了測出動力臂和阻力臂的大小，筆者制作了自制教具：“力臂測量儀”. 如圖4所示：力臂測量儀就是一個十字交叉直尺，中間的刻度尺用來測量力臂，與刻度尺垂直的無刻度的黑色“直桿”可以左右移動，代表力的作用線.如圖5所示，先使支點與力臂測量儀中刻度尺的零刻線對齊，然后移動無刻度的“直桿”，使其邊緣與力的作用線重合，這樣力臂就可以從刻度尺上讀出了.

問題3：兩側鉤碼的重力就是杠桿的動力和阻力嗎？

杠桿在水平位置保持平衡，鉤碼在重力的作用下對杠桿產生拉力，是拉力分別充當了杠桿的動力和阻力.只不過此時由于“重力和拉力的方向重合，大小相等”的巧合對學生造成了誤導.由此筆者想到：教材中的實驗設計雖然操作簡單，但在探究“杠桿平衡條件”時具有很大的局限性，甚至使學生產生了一些錯誤的認知.具體還體現在以下幾個方面：

一是動力和阻力的方向只能豎直向下.

二是只能完成動力和阻力在支點兩側的實驗探究.

三是容易造成對“力臂”概念的錯誤理解.實驗中要求使杠桿在水平位置平衡，動力和阻力的方向豎直向下，這樣其動力臂和阻力臂都可以直接從杠桿上讀出.從操作的角度來看，這樣的設計使力臂的測量變得更簡單.但最大的問題是，學生所要測量的力臂正好等于支點到力的作用點的距離.在學生剛剛學完力臂的概念之后，這種處理恰恰又強化了學生對力臂的錯誤認知，即認為：“力臂就是支點到力的作用點的距離”.從心理學角度來看，學生親自動手實踐獲得的認知會更深刻.這種“錯誤認知”的強化正是在具體的實驗中發生的，它無疑會影響學生今后的學習.基于以上分析，筆者對該實驗進行了以下改進：

改進1：將杠桿一側鉤碼的拉力用測力計代替（如圖6所示）.

這樣的好處是：糾正了學生“鉤碼重力充當動力和阻力”的錯誤認識，更重要的是這樣既可以任意改變力的方向，又可以分別探究動力和阻力在支點同側和異側的情況，突破了原有實驗的局限性，使實驗探究的過程更具有普遍性，結論更具有說服力.

但是如圖6（中）圖所示，左側動力臂L1可以直接從杠桿上讀出，右側阻力臂L2則不能利用上述方法進行測量，這種認知沖突的產生恰恰強化了學生對力臂概念的正確認識，通過比較知道“力臂恰好等于支點到力的作用點的距離”只是一種特殊情況.但以上改進隨之帶來的問題是：增大了阻力臂L2的測量難度，此時我們可以再次利用“力臂測量儀”測出阻力臂.

那么問題又來了：在實際操作時，如果一只手拉動測力計使杠桿保持平衡，另一只手再利用力臂測量儀完成測力臂的動作幾乎是不可能的，這就需要兩個同學共同完成測量，操作起來很不方便.

改進2：利用數學中圓的相關知識構建直角，測量力臂.

如圖7中甲、乙的兩種方案：

圖7甲是利用了“圓的切線垂直于過切點的半徑”，圖7乙是利用了“圓的直徑所對的圓周角是直角”.

從原理上來講，兩種方法都可以利用數學知識將拉力對應的力臂測出來.下面，筆者從實驗的可行性角度來分析一下兩種方案的利弊.

圖7甲：當在杠桿上同一點施加拉力時，圖7甲中和圓相切且讓杠桿保持平衡的拉力方向只有兩個，一個是斜向左下方、另一個是斜向右下方，也就是說同一點施加的拉力方向不能任意改變，而且當拉力方向斜向右下方時，是拉力方向的反向延長線與圓相切，操作很不方便.

圖7乙：當在杠桿上同一點施加拉力時，圖7乙則可以任意改變拉力方向，并順利找出拉力對應的力臂進行測量.因此筆者最終確定利用圖乙進一步完善實驗裝置，如圖8所示.

將杠桿固定在一個直立白板上，借助重錘線使白板處于豎直狀態.白板中央固定白紙，白紙中心（與杠桿支點重合）處畫了分度盤，便于觀察杠桿是否在某一位置平衡，同時，白紙上以支點為切點在杠桿兩側分別畫了幾個不同半徑的圓，方便在杠桿上不同位置施加拉力并測量力臂，如圖9所示，我們將拉力作用線與對應圓的交點B找到，然后用刻度尺測量OB的長度即為力臂的大小.

3 教學反思

本課最大的亮點是在設計上采用了實驗探究的學習模式，通過創新實驗設計，引導學生多方位、多角度地參與實驗探究.實驗中學生經歷了力臂概念的建構過程，既探究了杠桿水平時的平衡條件，又探究了杠桿在傾斜位置時的平衡條件，增加了實驗的普遍性，培養了學生嚴謹的科學態度.

物理學習的主要目的不僅是學習物理知識，更重要的是使學生通過學習物理知識，學會學習，學會探究，形成正確的物理觀念.在教學中，教師要注重科學探究的教學，要引導學生在探究中領悟物理的研究方法，掌握一定的實驗技巧，形成應用數學知識處理物理問題的能力，同時養成正確的科學觀和價值觀.反思這節課，筆者越來越多地感受到物理教師不能墨守陳規，尤其在探究實驗的設計環節，勇于突破原有實驗的局限性，師生共同探索，多角度尋找改進措施，從而有助于達到最佳的實驗效果，切實提升學生的物理學科核心素養.

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（收稿日期：2020-02-10）