基于概念轉變理論的初中物理教學探討
——以“力臂”教學為例

侯慧玲

(江蘇省常州外國語學校,江蘇 常州 213031)

1 引言

閻金鐸、郭玉英教授在《中學物理教學概論》中指出:“學生在正式學習有關的物理知識之前,頭腦中已存在著一定的原有認識和該認識賴以存在的思維方式,我們統稱為前概念,它們在很大程度上決定著學生對新知識的理解?！彪m然物理學科的正式學習是在八年級,但學生在學習之前已經有了一定的知識儲備,通過平時的觀察體驗、與他人的交流會形成物理前概念，比如,雞蛋碰石頭,雞蛋破了,石頭還是完好的,學生認為雞蛋受到的力比石頭受到的力大。學生在小學科學中學習了很多與初中物理相關的內容,也是學生前概念的重要來源。如果學生的前概念和科學概念一致,那必然對學生的物理學習起到促進的作用,但是如果形成的前概念是錯誤的,就會影響學生科學概念的建構。在初中物理教學中轉變學生錯誤的前概念顯得尤為重要，本文以“力臂”概念教學為例,對比研究小學科學、初中物理教材中相關內容,探討概念轉變的教學策略。

2 小學生關于力臂的前概念

蘇科版《科學》五年級下冊第一單元“神奇的機械”第2課“怎樣移動重物”的主題為杠桿，一開始就提出問題：“要移動重物,你能想出什么輕松的辦法嗎？”如圖1所示，用撬棒撬重物,這根撬棒就是一個簡單機械，這種杠桿包括一個支點和一根能繞支點轉動的棍子,人手和支點之間長長的棍子“放大”了人力,所以人就能輕松地撬動重物。教材分別對石塊壓撬棒、支點和人用力的位置進行了標注,學生雖然還沒有建立力臂的概念,但學生會直觀地認為人施力點和支點之間的棍子越長,撬起這個石塊時人用力就越小。

圖1

在探究杠桿省力的秘密時,小學教材選擇的裝置和蘇科版物理九上教材學生實驗“探究杠桿的平衡條件”裝置一致,如圖2所示，兩邊均利用鉤碼施加力的作用,杠桿處于水平平衡狀態。小學教材中的探究活動為：仔細觀察鉤碼的個數與支點的距離,你發現了什么？學生能意識到某個距離的大小會影響用力的大小,由于在探究過程中杠桿處于水平平衡狀態,鉤碼的拉力沿豎直方向,學生會很自然地認為這個距離是鉤碼懸掛點與支點的距離,而且用這個結論確實可以解釋一些問題。

圖2

3 前概念的轉變

3.1 初小銜接，讓學生暴露錯誤的前概念

在建立正確的力臂概念之前,先利用小學科學教材中的器材來研究影響杠桿平衡的因素,熟悉的情境、相似的探究過程很容易讓學生的前概念暴露出來,同時也讓學生在研究的過程中明白建立力臂概念的必要性,它是影響杠桿平衡的因素之一。

先展示如圖3所示的裝置,兩邊掛上鉤碼,讓杠桿在水平位置平衡,然后提問:在不改變杠桿左邊鉤碼數目和位置的情況下,可以采取哪些措施,使得原來平衡的杠桿失去平衡？

圖3

方案一：加減鉤碼。學生根據已有經驗立刻能想到：可以在右邊已掛鉤碼的基礎上加減鉤碼。教師演示,發現增減鉤碼確實可以使原來平衡的杠桿失去平衡,說明施加的力的大小會影響杠桿的平衡。

方案二:改變鉤碼位置。還有學生會想到可以改變右邊鉤碼懸掛的位置。教師演示,發現向左或向右移動鉤碼,也能打破平衡,在此基礎上教師提問:這又說明還有什么因素會影響杠桿的平衡？學生會想到移動鉤碼懸掛的位置其實是改變了某個距離。

基于這樣的探究過程,學生會認為是支點到鉤碼懸掛點的距離,也就是支點到力的作用點的距離會影響杠桿的平衡，至此學生的錯誤前概念就暴露出來。

3.2 設置實驗，讓學生產生認知沖突

學生暴露出錯誤的前概念之后,在剛才實驗的基礎上,仍然保持杠桿左邊鉤碼的數目和位置不變,將右邊懸掛的鉤碼換成彈簧測力計。

實驗步驟:(1) 如圖4所示，先用彈簧測力計沿豎直方向拉動,使杠桿在水平位置靜止,讀出彈簧測力計示數，學生發現和圖3中用鉤碼施力大小相同。

圖4

(2) 如圖5所示，改變彈簧測力計的施力方向,而力的作用點保持不變,也就是支點到力的作用點的距離不變,學生根據前概念猜想：要讓杠桿仍然在水平位置靜止,彈簧測力計的示數應該是不變的。但通過實驗,學生發現彈簧測力計的示數變大了。

學生對自己的前概念產生了懷疑,并有了進一步探究的欲望,影響杠桿平衡的距離到底應該怎樣描述？僅用這套實驗裝置是沒有辦法直觀顯示出來的。

3.3 通過探究,讓學生建構正確概念

因為學生在很長的時間里對錯誤的前概念有了先入為主的印象,形成了思維定勢,如果教師認為學生已經知道自己的前概念是錯誤的而直接給出力臂的概念,告訴學生應該是支點到力的作用線的距離影響了杠桿的平衡,學生雖然認可老師的說法,但又很難放棄原有的認識,從而造成思維混亂。教師需要引導學生通過進一步的探究,幫助學生建構正確概念。

3.3.1 前概念的突破

如圖6所示,仍然保持左邊鉤碼不動,用彈簧測力計在杠桿支點右側的B點用力使杠桿在水平位置靜止,沿圓弧從M點逆時針轉到N點,發現彈簧測力計的示數在不斷變化,在這個過程中支點到力的作用點的距離不變,說明影響杠桿平衡的距離不是支點到力的作用點的距離。

圖6

3.3.2 力臂概念的建構

學生在觀察上述實驗現象時,發現雖然彈簧測力計的示數在變,但也注意到：以過B點垂直于水平杠桿的直線為軸,在關于這根軸左右對稱的位置彈簧測力計的示數是一樣的，說明在這兩個方向上施加力的時候,我們要找的某個距離是相等的，如何找出來呢？

3.3.3 借助數學方法研究力臂

如圖7所示,在杠桿后面用一張白紙作為背景,畫出以支點為圓心的一組同心圓,找出兩個示數相等的位置,畫出力的作用線。學生發現當彈簧測力計示數相同時,這兩個力的作用線分別與同一個圓只有一個交點,連接圓心和交點發現這條連線與力的作用線垂直(力的作用線即為數學上圓的切線),這條連線就是圓的半徑,同一圓上半徑相等,由此想到可能是支點到力的作用線的距離影響了杠桿的平衡。經過多次實驗發現：只要彈簧測力計的示數相等,這個距離就是相等的。

圖7

如圖8所示,在B點施加力的作用,使力的作用線與某個圓相切,記下此時彈簧測力計的示數,換個作用點,如在C點施加力的作用,調整力的方向,使兩次示數相同,畫出此時所施力的作用線,發現與同一個圓相切，同樣可以利用白紙上的同心圓多次進行實驗。由此,可得出結論：影響杠桿平衡的是支點到力的作用線的距離,我們把這個距離定義為力臂。

圖8

3.4 拓展提升,讓學生鞏固力臂概念

科學的概念經過逐步深入的探究而建立,但這一過程并不是一勞永逸的，錯誤的前概念還會在學生應用的過程中干擾學生的思維。所以還要在后續教學中出示相關的練習題,讓學生更好地理解科學概念。

例題(2015年常州市中考題)：如圖9所示,OAB為輕質杠桿,可繞支點O自由轉動,在B端施加一個動力使杠桿在水平位置平衡,該杠桿( )。

圖9

A. 一定是省力杠桿

B. 一定是費力杠桿

C. 一定是等臂杠桿

D. 以上情況都有可能

這個題目考查了學生對力臂概念的理解,由圖9可知：在B端施加一個力使杠桿在水平位置平衡,由于力的方向不確定,所以動力臂也不確定,動力臂可能比阻力臂長,也可能比阻力臂短,還可能相等。本題的解題關鍵是首先明確動力的方向不確定,無法判斷動力臂與阻力臂的大小關系，通過類似的練習可以加深學生對力臂概念的理解。

4 結語

從錯誤的前概念到科學的概念的轉變,學生要經歷一個艱辛的過程,會不斷經歷認知沖突,不斷進行修正,從而真正領悟科學概念,教師在教學中很有必要去了解學生前概念的來源并予以關注,這樣才能有的放矢地幫助學生解決困惑,建構科學的概念。