試論“力臂概念”教學改進的有效性

陳伊淳 陳剛

摘 要：基于信息加工心理學，從而分析力臂概念教學結論中獲得的邏輯機制包括排除因果關系的演繹法和求同的歸納法，并依據信息加工的要求，討論三個力臂概念改進教學方案的合理性及其依據.本文以“力臂概念”教學為例，試圖對教學結論的信息加工過程進行微觀剖析，為有效教學提供穩定一致的評價標準和合理的建議.

關鍵詞：力臂;物理教學;信息加工心理學;演繹;歸納

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）04-0008-04

作者簡介：陳伊淳（1996-），女，廣東人，碩士研究生，研究方向：物理教學;

陳剛（1968-），男，上海人，博士，副教授，研究方向：科學課程學習心理及教學理論.

力臂概念的引入是杠桿教學中的重難點，正確認識力臂、理解力臂的物理意義，是理解杠桿平衡規律的基礎.在多個版本的初中物理教材中，大都直接通過文字給出力臂的定義，而忽略了力臂的物理意義.由于學生沒有經歷力臂概念的建構過程，而是被動接受力臂的定義，所以大部分學生對力臂概念的學習只能達到知其然而不知其所以然的效果.不少物理教師為突破力臂概念這一教學難點，制作創新型的實驗教具，進行教學改進.

1 三種力臂引入的教學改進方案

1.1 方案1：寬杠桿教具

田成良等在“剖析力臂概念教學的邏輯”[1]一文中利用如圖1所示的寬杠桿裝置，進行三次實驗.寬杠桿左側的力和距離保持不變，右側的拉力也保持不變，三次支點到作用點的距離不同，分別為OB、OC、OD，說明影響杠桿平衡的距離不是支點到力的作用點間的距離.教師進而引導學生，三次實驗雖然力的作用點不同，但是支點到右側力的作用線的距離OB是相等的，因此支點到力的作用線的距離，才是影響杠桿平衡的因素.

1.2 方案2：同心圓教具

黃建林等在“應用自制教具突破力臂概念教學難點”[2]一文中，采用如圖2所示的自制同心圓教具進行教學設計.四次實驗分別保持杠桿在水平位置平衡，左側鉤碼的數量和懸掛位置不改變，甲圖中，彈簧測力計為10N;乙圖中，彈簧測力計示數為7.5N;丙圖中，使彈簧測力計方向分別朝左下和右下，示數為10N;丁圖中，把彈簧測力計往右移，使彈簧測力計方向分別朝左下和右下，示數為10N.引導學生比較丙圖和丁圖，得到結論：圓心到力的作用線即該圓切線的距離都是該圓的半徑.

1.3 方案3：彎折杠桿教具

姜蘭等[3]在引入力臂的實驗改進中，利用如圖3所示的教具，兩根輕質均勻的木板，能繞中心軸旋轉，兩邊用夾子作調節配重碼，保持杠桿左端水平.通過甲圖和乙圖的實驗發現，盡管懸掛重物的位置變了，但力的作用線與原來在黑板上畫的作用線重合.引導學生分析盡管右側鉤碼在杠桿上的位置變化了（從A點到B點），但支點到力的作用線的距離沒變，由此順利地引入力臂的概念.

1.4 問題的提出

以上研究者都對力臂的引入作了教學和實驗上的改進，認為其教學方案能夠有效地促進學生對力臂概念的理解和運用.然而，只有厘清力臂概念建立過程獲得的結論、對應的邏輯加工機制以及應該呈現的必要信息，才能有據可依地評價教學方案的有效性，并給出相應的教學建議.因此，下文將從信息加工心理學的角度，回答下述問題：

（1）上述教學改進是否有效？有效性的依據是什么？

（2）上述教學方案是否仍有改進之處？如何改進？改進的依據是什么？

2 基于信息加工心理學的學習機制

2.1 物理概念意義的習得機制

學習心理學揭示出學習的內部機制，證明學生學習的過程實則是進行信息加工的過程，符合學習機制的教學才是有效的教學，這為教學指明了方向[4].

物理概念是客觀事物的物理共同屬性和本質特征在人們頭腦中的反映，是物理事物的抽象 [5].學生學習物理概念的意義，就是通過運用合理的信息加工方式對現象信息進行邏輯加工，從而習得物理概念的本質特征和概念間的因果聯系.

物理概念絕大多數是通過下定義的方式清晰界定，實際上也是通過與其他物理概念間的關系來界定的，主要關系有定性關系（如杠桿是否平衡與作用在杠桿上的力、力臂有關）、定量關系（如杠桿平衡規律描述了動力、動力臂、阻力以及阻力臂之間的數量關系），在學習過程中，往往還要排除兩個對象間不存在因果聯系（如支點到力的作用點之間的距離與杠桿平衡沒有因果聯系）.個體形成相關概念間聯系或排除因果聯系的方式是邏輯的.因此，學生習得物理概念意義，就是通過學生自己的思維活動形成這些概念間的本質、因果聯系.

2.2 建立物理量間因果聯系的邏輯方法

探究因果聯系的歸納法主要有求同法、差異法、共變法、求同求異法等.求同法是通過考查被研究對象出現的若干場合，確定在各個場合先行情況中是否只有另外一個情況是共同的，如果是，那么這個共同情況與被研究的現象之間有因果聯系.其結構見表1.

3 力臂概念的習得機制及教學合理性討論

3.1 方案1結論建立的邏輯過程

該教學方案中，加入拓展實驗，引發認知沖突，本質上是為了得到兩個教學結論.

結論1是杠桿平衡與支點到力的作用點的距離無關;

結論2是杠桿平衡與支點到力的作用線的距離有關.

結論1排除了點到點的距離與杠桿平衡的聯系，其學習機制應遵循排除因果聯系的演繹推理.

通過三次實驗，獲得信息見表2.

由上述信息，獲得結論“杠桿平衡與支點到力的作用點的距離無關”.所用推理如下.

大前提：如果杠桿平衡與支點到力的作用點的距離有關，則支點到力的作用點的距離變化，杠桿平衡狀態也變化.

小前提：支點到力的作用點的距離變化（分別為OB1、OB2、OB3），而杠桿仍能保持平衡.

結論：杠桿平衡與支點到力的作用點的距離無關.

結論2通過求同法得到杠桿平衡與點到線的距離有關的結論，邏輯結構見表3.

3.2 方案2結論建立的邏輯過程

該教學方案，實驗裝置上增設若干個同心圓以輔助，以彈簧測力計取代一側的砝碼作為動力，實驗過程中動力方向加以改變，獲得多組實驗數據.

獲得結論：杠桿平衡與支點到力的作用線的距離有關.此結論通過求同法獲得，學生對圖2丙、丁的信息加工邏輯結構見表4.

3.3 方案3結論建立的邏輯過程

該教學方案通過彎折杠桿，調節配重片，在保持杠桿平衡的條件下，引導學生觀察不變的物理對象.

結論1是杠桿平衡與支點到力的作用點的距離無關;

結論2是杠桿平衡與支點到力的作用線的距離有關.

結論1排除了點到點的距離與杠桿平衡的聯系，其學習機制應遵循排除因果聯系的演繹推理.

通過圖3甲、乙兩次實驗，獲得信息見表5.

3.4 小結

由上面對力臂概念習得中排除因果聯系和定性關系的邏輯過程梳理，不難發現三個方案都遵循了求同法，嘗試引導學生識別杠桿平衡這個共同結果下的共同條件，即支點到力的作用線的距離不變，從而建立杠桿平衡與支點到力的作用線的距離有關的結論.和教材直接給出力臂的概念相比，學生通過內部的邏輯加工機制，建立起杠桿平衡和支點到力的作用線的距離之間的聯系，從而擺脫概念的機械記憶，習得力臂概念的物理意義.這三個教學方案獲得結論的過程，基本符合邏輯加工的過程，因此所做出的改進，是比較合理的.

4 教學建議

4.1 信息加工機制對教學設計的要求

根據信息加工機制，有效的教學設計應滿足如下要求.

容量限制要求：教學中提供給學生、獲得結論所需的信息，應保持在適度范圍，減少干擾信息.

序列加工要求：教學中提供信息的方式應滿足呈現一次加工所需的信息，獲得一個新的結論.

信息加工方式要求：教學中信息呈現應符合特定結論獲得的加工方式.

要實現上述目標，教師應分析教學結論的內容及數量，并通過追蹤每一教學結論獲得的信息流程，確定新結論建立的必要信息及加工方式，由此對教學活動做出合理安排.

4.2 方案1教學建議

獲得結論1和結論2所需的信息應遵循序列加工要求.先呈現表1的信息（支點到力的作用點距離分別為OB1、OB2、OB3，杠桿保持平衡），獲得杠桿平衡與支點到力的作用點的距離無關的結論;再呈現表2的信息（力的作用點改變的情況下，支點到力的作用線的距離均為OB2，杠桿保持平衡），獲得杠桿平衡與支點到力的作用線的距離有關的結論.

以更清晰的方式呈現求同法的共同條件.獲得結論2 的過程中，教師應引導學生關注到信息加工所需的信息，在杠桿保持平衡的條件下，支點到力的作用線的距離均為OB2，在識別必要信息后，學生才能啟動邏輯加工，通過求同法獲得結論.因此，教師可以適當地在黑板上用虛線畫出線段OB2，幫助學生識別這一必要信息.

4.3 方案2教學建議

根據圖2甲、丙、丁呈現的信息，增設排除因果聯系獲得結論環節.比較圖2甲、丙、丁，發現在杠桿平衡的共同結果下，彈簧測力計示數均為10N，但支點到右側力的作用點的距離不同，可通過排除因果聯系的演繹法獲得“杠桿平衡與支點到力的作用點的距離無關”的結論，推理形式如下.

大前提：如果杠桿平衡與支點到力的作用點的距離有關，則支點到力的作用點的距離變化，杠桿平衡狀態也變化.

小前提：支點到力的作用點的距離變化（分別為3、4、5個單位長度），而杠桿仍能保持平衡.

結論：杠桿平衡與支點到力的作用點的距離無關.

排除了杠桿平衡與支點到力的作用點距離的關系之后，再通過求同法由圖2丙、丁建立定性關系，符合序列加工的要求，教學更為合理.

4.4 方案3教學建議

遵循容量限制，減少干擾信息.盡管方案3將力的作用線畫在黑板上，有助于學生直觀地識別必要信息，即圖3中力的作用線并沒有改變，從而對共同條件和共同結果進行加工，獲得結論.由于杠桿有自重，該方案在每次右側杠桿角度改變之后，都需要調節配重片，使得杠桿左側在水平方向平衡.加上配重片，該杠桿共受四個力的作用，也就有四個力臂，配重片的位置會給學生帶來干擾，阻礙學生識別有效信息，即支點到右側鉤碼的力的作用線的距離.因此教師應說明配重片的作用，并在調節配重片后，向學生強調彎折杠桿左側的水平狀態，再掛上鉤碼，引導學生識別支點到右側鉤碼力的作用線的距離.

5 結語

學習是信息加工的過程，教學只有滿足信息加工機制要求，才能達到教學目標.本文基于信息加工心理學理論，討論了力臂引入教學的幾個方案的合理性以及改進建議.由上述討論可見，對教學結論的信息加工過程進行微觀剖析，給教師提供了一種有據可依的分析方式，使得教師能夠對學生習得結論所需的信息和信息呈現方式等進行合理的設計，進而安排相關的教學活動事件.因此，將教學建立在可靠的學習理論基礎上，可以為有效教學提供穩定一致的評價標準和合理的建議.

參考文獻：

[1]田成良，孔令坤，趙瑞雪.剖析力臂概念教學的邏輯[J].中學物理（初中版），2019，37（06）：5-6.

[2]黃建林，朱春鳳，王華震.應用自制教具突破力臂概念教學難點[J].物理教師，2017，38（04）：45-47.

[3]姜蘭，孫偉.平面鏡成像實驗和引入力臂實驗的改進[J].物理實驗，2013，33（06）：14-15.

[4]陳剛.論物理概念和規律意義學習的教學設計——學習心理學的視角[J].全球教育展望，2014，43（12）：58-71.

[5]陳剛.新編物理教學論[M].上海：華東師范大學出版社，2006.

（收稿日期：2020-11-17）