基于物理核心素養(yǎng)的實驗教學(xué)設(shè)計

曾育群

摘? ?要： 通過對“杠桿力臂的實驗探究”的教學(xué)設(shè)計，引導(dǎo)學(xué)生如何進行物理概念的建構(gòu)，將抽象的物理概念直觀化，引導(dǎo)和培養(yǎng)學(xué)生的建模能力，同時讓學(xué)生親身經(jīng)歷實驗的設(shè)計和探究過程中，觀察實驗現(xiàn)象，總結(jié)物理規(guī)律，培養(yǎng)學(xué)生勇于提出問題的質(zhì)疑精神。

關(guān)鍵詞：物理實驗;科學(xué)素養(yǎng);杠桿平衡;力臂

核心素養(yǎng)下的物理實驗教學(xué)要求學(xué)生親身經(jīng)歷科學(xué)的探究過程，在概念教學(xué)中，對簡單的物理概念進行深入理解和剖析，轉(zhuǎn)變教學(xué)的思維邏輯，學(xué)會從實驗探究中總結(jié)提煉物理概念，而不是簡單的下定義并進行背誦，從而提高對學(xué)生的思維不斷沖擊訓(xùn)練，培養(yǎng)其科學(xué)推理能力。因此，本文通過自制“力臂探究”實驗教具，讓學(xué)生參與力臂的概念建構(gòu)過程，直觀展示了物理模型，激發(fā)了學(xué)生探究的熱情。

1? 教材分析

愛恩斯坦曾經(jīng)說過：提出一個問題往往比解決一個問題更重要[ 1 ]，在滬科版八年級物理“杠桿的平衡條件”中，力臂概念和畫法是本節(jié)課的重難點，課本采用直接對力臂下定義，沒有科學(xué)的引入力臂，學(xué)生也不清楚力臂概念的由來，這樣概念是強加的，沒有進行合理地科學(xué)創(chuàng)設(shè)。因此，有必要設(shè)計力臂實驗教具，讓學(xué)生參與力臂的模型構(gòu)建。

2? 學(xué)情分析

在學(xué)習(xí)本節(jié)課內(nèi)容之前，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)和掌握了：力的三要素會影響力的作用效果，力的平衡條件和數(shù)學(xué)幾何知識（圓的半徑和切線垂直的關(guān)系）。因此，這些知識為本節(jié)課力臂概念的學(xué)習(xí)奠定了理論基礎(chǔ)，使學(xué)生易于明白和接受。

3? 教學(xué)目標(biāo)

3.1? 知識與技能

引導(dǎo)學(xué)生在“探究杠桿的平衡條件”的實驗中如何尋找力臂，設(shè)計實驗并提高探究的能力。

3.2? 方法與過程

學(xué)生在“探究杠桿平衡條件”的實驗中，經(jīng)歷尋找力臂科學(xué)探究的全過程。培養(yǎng)學(xué)生的動手操作實驗、數(shù)據(jù)處理和歸納總結(jié)實驗規(guī)律的能力。

3.3? 情感態(tài)度價值觀

通過實驗環(huán)節(jié)，體驗科學(xué)探究的樂趣，激起學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，培養(yǎng)學(xué)生善于提出問題和實事求是的科學(xué)態(tài)度。

4? 實驗原理

（1）力的三要素影響力的作用效果

（2）平衡條件

（3）圓的半徑與切線垂直關(guān)系。

5? 實驗器材

鐵架臺、杠桿、彈簧測力計、等間距同心圓的硬紙板、可移動卡紙、橡皮筋、細繩、螺桿（如圖1）

6? 實驗教具設(shè)計創(chuàng)新點

通過改進杠桿平衡的實驗裝置，在硬紙板上畫出多個等間距的同心圓，左邊杠桿用彈簧測力計固定在鐵架臺上，從而固定阻力的三要素：大小、方向和作用點。通過改變彈簧測力計拉力的作用點和拉力方向，直到杠桿在水平方向平衡時，觀察彈簧測力計示數(shù)的特點，當(dāng)示數(shù)相同時，拉力的作用線始終都與同一個圓相切。引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)實驗共同規(guī)律，支點到垂足點間的長度相同（力臂即為：同一個同心圓的半徑）。學(xué)生參與實驗探究過程中，主動參與力臂概念的構(gòu)建過程，并且透過現(xiàn)象看到了事物的本質(zhì)，突破了教學(xué)中的難點——力臂的概念，把抽象的問題直觀化，充分體現(xiàn)了科學(xué)認(rèn)識的本質(zhì)。對杠桿的平衡條件科學(xué)探究的學(xué)習(xí)，起到了承上啟下的作用。

7? 教學(xué)過程

7.1? 科學(xué)探究一

將彈簧測力計放在杠桿上右邊的8 cm處，沿著豎直平面豎直向下拉。當(dāng)杠桿處于水平平衡，讓學(xué)生讀出拉力的讀數(shù)F1。

7.2? 科學(xué)探究二

改變彈簧測力計作用點，將其放在10 cm處，也沿著豎直平面豎直向下拉，當(dāng)杠桿處于水平平衡，讀出讀數(shù)為F'，引導(dǎo)學(xué)生思考讀數(shù)為什么發(fā)生變化？（如圖2）

7.3? 科學(xué)探究三

當(dāng)彈簧測力計固定在10 cm處時，在豎直平面內(nèi)向右方向傾斜，通過改變拉力的方向直到平衡時，讓學(xué)生通過觀察彈簧測力計讀數(shù)的變化，提問學(xué)生如何解釋這個現(xiàn)象。學(xué)生觀察到彈簧測力計示數(shù)變大，因為力的作用效果與力的方向有關(guān)。當(dāng)彈簧測力計讀數(shù)減至第一次實驗數(shù)值大小為F1時停下，引導(dǎo)學(xué)生移動紙板，觀察拉力的作用線，尋找實驗中的共同點——拉力的作用線始終都與同一個圓相切。

7.4? 科學(xué)探究四

引導(dǎo)學(xué)生再改變彈簧測力計拉力的作用點，并改變拉力的方向，發(fā)現(xiàn)跟同一個圓相切時，彈簧測力計讀數(shù)仍然為F1。

7.5? 科學(xué)探究五

讓學(xué)生通過實驗現(xiàn)象，進行交流與討論，物理學(xué)常常用某個物理量概括或定義物理規(guī)律。我們能否用一個量來描述這種規(guī)律。

7.6? 科學(xué)探究六

（1）引導(dǎo)學(xué)生通過觀察實驗現(xiàn)象找到共同點，讓學(xué)生自己總結(jié)歸納：支點到拉力作用線的垂線距離相同（同一個圓半徑）。

（2）教師再進一步作出概念總結(jié)：物理學(xué)上，我們把支點到力的作用線的垂線，叫做杠桿的力臂。支點到動力作用線的距離叫做動力臂。支點到阻力作用線的距離叫做阻力臂[ 2 ]。

7.7? 拓展七：探究杠桿的平衡條件

讀出：左邊阻力大小F2及其阻力臂L2。使杠桿處于水平方向平衡時，拉力作用點分別位于6 cm，8 cm，10 cm，12 cm……當(dāng)拉力作用線與相應(yīng)的圓相切時，讀出此時彈簧測力計的示數(shù)，記錄在表1，學(xué)生根據(jù)實驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)規(guī)律：力臂變化，拉力也跟著變化。觀察數(shù)據(jù)猜想和尋找杠桿平衡條件。

8? 實驗注意事項

（1）實驗之前，使彈簧測力計位于豎直方向時進行調(diào)零，可以減小自重帶來的誤差。

（2）保持杠桿在水平虛線上平衡，才能使左邊彈簧測力計力的大小和力臂保持不變。

（3）實驗時在與等間距同心圓板面平行的豎直平面上拉動彈簧測力計。

9? 實驗反思

（1）本實驗器材簡單、形象、直觀，將抽象的力臂概念，用直觀實驗展示出來，有效地優(yōu)化課堂教學(xué)，實現(xiàn)教學(xué)重難點的突破。

（2）本實驗教具功能多樣化，除了可以進行力臂概念的教學(xué)探究，還可以探究杠桿的平衡條件，使課堂教學(xué)達到一舉多得的效果。

（3）本節(jié)課的實驗探究體現(xiàn)了新課程核心思想：以學(xué)生為主體。學(xué)生在教師問題層層遞進的引導(dǎo)下，經(jīng)歷了科學(xué)探究過程，透過觀察實驗現(xiàn)象的變化尋找了物理本質(zhì)規(guī)律，總結(jié)出力臂的概念，使學(xué)生看到自己的智慧和意志，激發(fā)了學(xué)習(xí)的興趣，同時鍛煉了學(xué)生的思維能力，也突破了本節(jié)課的教學(xué)重難點，為解決杠桿平衡條件作了重要的鋪墊。

（4）不足之處：彈簧處在豎直方向，因自身重力引起的誤差; 中心轉(zhuǎn)軸摩擦引起的誤差;細繩長容易確定拉力的方向，但是長一些，不容易操作。

物理實驗探究能夠為學(xué)生認(rèn)識物理現(xiàn)象、獲得物理知識創(chuàng)造良好的情景，使學(xué)生的學(xué)習(xí)過程更加直觀生動[ 3 ]。本實驗教具的設(shè)計有利于學(xué)生參與力臂的建構(gòu)并通過實驗現(xiàn)象推理歸納總結(jié)實驗規(guī)律，符合學(xué)生的認(rèn)知水平，從而實現(xiàn)在教學(xué)過程中培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，達到質(zhì)的提高。

參考文獻：

[1] 黃利軍，彭征. 淺談基于物理學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的物理實驗教學(xué)[J].物理教學(xué)，2019（10）.

[2] 義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書編寫組.八年級全一冊[M].上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，2020.

[3] 劉友余，楊琳. 初中物理學(xué)生分組實驗優(yōu)化設(shè)計[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2019（6）.