以體驗式教學幫助學生建立物理模型
——以“杠桿”教學為例

(廣東省廣州市花都區教育局教學研究室，廣東 廣州 510000)

在物理教學中，很多難點沒有突破主要是因為沒有為學生構建一個好的物理模型。物理模型是將我們研究的物理對象或物理過程、情境，運用抽象、簡化和類比等方法，把反映研究對象的本質特征抽象出來，構成一個概念或實物的模型。建構主義學習理論認為：學習并不是學習者被動地去接受知識或是經驗，而是通過自身的體驗與交流合作去建構意義的過程。下面就以“杠桿”教學為例，探討以體驗式教學幫助學生構建物理模型的途徑。

“杠桿”是初中物理教學難點，一是涉及的物理量較多，二是學生對力臂的理解有困難，三是要探究杠桿平衡條件、并能根據平衡條件對杠桿進行分類。常規的教學流程如下：在第一課時，列舉生活中有關杠桿的例子，介紹五要素，然后反復練習畫力臂；在第二課時，通過學生實驗探究杠桿平衡條件；在第三課時，對杠桿進行分類，做練習。三節課下來教師基本能把知識點講完，但不少同學還是覺得很困惑，其主要原因是沒有真正弄懂物理原理，在他們的腦中沒有一個清晰的物理模型作為支撐。針對上述情況，筆者采用體驗式教學，進行了重新設計。

1 讓學生體驗有趣的小實驗，構建基本的物理模型

圖1

在課堂上展示一個自制的蹺蹺板(一把木尺釘在鐵架臺上，可以自由轉動)，接著請一位同學把重量不同的蘋果和橘子分別放在蹺蹺板的兩側，使它靜止不動，完成后可以很明顯地看到較重的蘋果放在離支點較近的地方，而較輕的橘子則放在離支點較遠的地方(如圖1)。以這樣的情景介紹杠桿的定義、支點以及杠桿的平衡狀態，為了能更好地引出杠桿的其他要素，筆者采取了以下的做法：首先把蘋果拿開，可以看到杠桿轉動起來，杠桿不平衡了，也就是說杠桿的平衡肯定跟作用在它上面的力有關，引入物理量：動力；使杠桿重新平衡，然后把橘子拿開，杠桿反方向轉動起來，杠桿也不平衡了，相對于動力我們就引入另一個物理量：阻力；使杠桿恢復平衡，然后把蘋果往遠端移動一下，杠桿又不平衡了。很明顯杠桿的平衡跟物體所放的位置有關，很自然地就得到了與距離有關的物理量：動力臂，同理可以引入阻力臂。利用實驗體驗來引入杠桿的五要素，學生在腦海中就初步建立了一個包含杠桿五要素的物理模型：一個放著蘋果和橘子的蹺蹺板。

2 設計3個遞進式體驗實驗，讓學生正確理解力臂的定義

加涅在《學習的條件和教學論》中提出五類學習結果類型，初中物理中很多學習結果是智慧技能，那么大量的機械重復練習能幫助學生習得智慧技能嗎？答案是否定的。力臂是一個比較抽象的物理概念，很多學生不明白為什么要把力臂定義為支點到力的作用線的垂直距離，傳統的教學方式就是通過大量的作圖練習，使學生接受這一個定義。學生會畫力臂，卻不能理解力臂的定義，若遇到復雜一點的題目就會無從下手。筆者在課堂上增加了3個遞進式實驗，通過學生的親身體驗可以加深對力臂定義的理解。

實驗一：在杠桿的左邊掛上1個200g的鉤碼，然后讓學生在杠桿的右側距支點由遠到近按壓，要求一直保持杠桿水平平衡，感受手在不同位置對杠桿所用力的大小(如圖2)。學生通過實驗可以明顯地感受到要使杠桿保持水平平衡，離支點越近，用力越大，這樣就得到用力大小可能跟支點到力的作用點的距離有關的結論。這個實驗可能會使一些學生陷入一個誤區，為下一個實驗作了鋪墊。

圖2

圖3

實驗二：在杠桿的左邊掛上1個200g的鉤碼，學生用彈簧測力計在杠桿右側同一個點沿不同的方向拉，要求杠桿一直保持水平平衡，觀察彈簧測力計的示數(如圖3)。根據實驗一的結論：要使杠桿水平平衡，用的力只與支點到力的作用點的距離有關，只要支點到力的作用點的距離不變，無論方向如何改變也不會影響到力的大小。真的是這樣嗎？通過實驗二可以觀察到力的大小其實是不一樣的，也就是說實驗一得到的結論是不完整的，這就是不能把力臂定義為支點到力的作用點的距離的原因。教師可能會跟學生重復一百次正確的力臂的定義，但學生只是記住了這一句話，并沒有真正理解。

通過以上兩個實驗，學生就不僅僅是記住，親自動手得到實驗結果，學生的習得效果遠遠高于教師的灌輸。

力的大小跟支點到力的作用點的距離并無直接關聯，那么就一定與支點到力的作用線的垂直距離有關嗎？繼續通過實驗來驗證。當動力和動力臂都不變時，如果阻力相同，無論沿什么方向拉，阻力臂都相同嗎？接著做第三個實驗。

圖4

實驗三：在杠桿的右邊掛上4個50g的鉤碼，讓學生用彈簧測力計在杠桿右邊不同的點上用2N的力拉，使杠桿保持水平平衡。借助T型尺，可以直觀地看出支點到力的作用線都是相同的(如圖4)。也就是說，當動力、動力臂不變時，如果阻力相同，阻力臂也相同，實驗的結果和理論是一致的。

這樣就可以解釋為什么力臂要定義為支點到力的作用線的垂直距離，學生的疑問得到了解決，這一節課的教學難點也實現了突破。

以上三個體驗式實驗能讓學生對力臂的理解有一個進階的過程，而每一個實驗都相應地有一個具體的模型印在學生的腦海中，以后遇到了關于杠桿的實驗探究題，學生就更有把握了。教師應當充分重視實驗教學，把課堂的主動權交給學生，鼓勵學生大膽嘗試，勇于探究。

3 體驗同一物體在不同情況下的工作過程，建立杠桿分類的模型

根據杠桿的平衡條件：動力×動力臂=阻力×阻力臂，可以把杠桿分為三類：省力杠桿、等臂杠桿和費力杠桿。分類的依據就是比較動力臂和阻力臂的長短，很多教師都會列舉很多例子來讓學生分類，例如：釣魚竿、剪刀、起子、天平等等。但例子太多學生會覺得很混亂，時間久就會混淆，可先利用一個同時包含三種情況的例子，幫助學生建立一個初步的模型，對他們掌握該知識點會有幫助。每一位學生都體驗過用剪刀剪東西，但把物體放在不同的位置，用的力是不一樣的，于是我們可以建立一個關于剪刀的模型(如圖5)。

圖5

剪刀的支點容易找出，而手指固定在有膠的一端，也就是動力臂已經固定，我們把被剪的物體放在圖5中的不同位置(如A、B、C點等)，感受一下分別要用多大的力才能剪斷物體。三個位置都體驗過之后，我們再用理論來分析：因為剪斷的東西相同，所以杠桿受到的阻力相同，比較動力臂與阻力臂的大小，再根據杠桿平衡條件，就可以把杠桿分為三類。這樣就讓學生建立了一個關于剪刀的物理模型，盡管以后可能忘記了相關的知識，但只要拿出剪刀試剪一下，還是可以回憶起來的。有了基礎的杠桿分類模型后，再講生活中其他的杠桿，學生就懂得了怎樣借助剪刀的三種情況去具體分類，培養了學生舉一反三的能力。

通過以上教學過程，學生可以把這部分知識簡化為三個物理模型，分別是：“坐”蹺蹺板的蘋果和橘子，一端掛著鉤碼、另一端用彈簧測力計拉的杠桿以及一把剪刀。學生全程參與各個體驗活動，能以一條完整的主線把所有的物理量和相關的知識點都串聯起來，建立簡單的物理模型，化繁為簡，把反映研究對象的本質特征抽象出來。

物理學習的目的不僅僅是學習物理知識，更重要的是讓學生學會學習，學會探究，形成正確的價值觀。學生在體驗式學習中不僅能經歷知識的形成過程，對所學的內容產生濃厚的興趣，習得探究未知事物的方法，發展學生的實踐能力和創新能力，還能感受到自己在獲取知識過程中的失敗與錯誤，通過總結經驗、糾正錯誤，逐步走向正確，從中體驗到成功的喜悅。因此，在新課程背景下，要改變傳統教學中的重知識、輕實踐，重結論、輕過程，重理論、輕實驗，知識與情感相互分離的局面，必須認識到：脫離知識構建過程的單純說教式的教學是蒼白無力的。在教學中應該給學生創設豐富的、真實的物理情境，使學生對物理知識的產生、形成和發展過程有豐富、清晰的感性認識，引領學生通過觀察、探究、交流等活動參與物理模型的構建，這不僅有利于學生對物理概念、規律的深刻理解，最重要的作用是在此過程中能有效地引導學生經歷科學的探究過程，啟迪智慧，增強能力。