利用真實情境促進學生思維進階
——以“杠桿”教學為例

焦 明

(南京師范大學附屬中學樹人學校，江蘇 南京 210036)

在蘇科版物理九年級第十一章第一節“杠桿”中，先通過“拔釘子”活動體驗生活中三種杠桿的使用過程，歸納出杠桿的定義；然后以螺絲刀撬圖釘為例，直接給出了與杠桿有關的五個名詞，即杠桿五要素。在授課中，筆者發現學生采用機械記憶的方法學習力臂概念，學習效果并不好。很多學生在后續的學習中還是不能正確理解力臂的概念,而且因為沒有深入理解，容易遺忘，導致在畫力臂或分析力臂時遇到困難。

學習進階理論指出：學生的學習過程是從簡單到復雜，連續地推理認知、發展的過程。[1]杠桿在生活中是隨處可見的簡單機械，對學生來說，雖然沒有深入研究，但有很多的生活體驗。《課程標準》要求教學要“從生活走向物理，從物理走向社會”。如果教師能夠從學生認知的角度創設貼近生活的真實情境來展開杠桿的概念教學，將大大降低學生理解的難度，激發學生學習的興趣。以下是筆者基于上述思考進行教學設計，取得了較好的教學效果。

1 精選生活情境，激發學習興趣

本節課以實驗視頻的方式引入：身強體壯的父親和稚氣的孩子進行了一次關于力量的較量：拉起重達兩噸的汽車。結果是爸爸費了九牛二虎之力，汽車紋絲不動；一年級的兒子略微用力，輕松獲勝(圖1)。

圖1

實驗視頻取材于生活中真實發生的事件，貼近學生的生活。雖然很多學生能預想到實驗的結果，但真實情境引發的認知沖突還是一下子激發了學生的求知欲。讓學生對這個能起到“四兩撥千斤”神奇作用的機械——杠桿產生了濃厚的興趣，為接下來的學習做好鋪墊。

2 通過情境類比，建立抽象模型

科學建模教學理論的提出者海斯特斯指出：“物理研究(學習)的過程即是對自然世界建模的過程。”模型建構是核心素養中科學思維的要素，[2]而初中生的思維正處于從形象思維到抽象思維過渡的階段， 建構模型更應該以真實情境為抓手。

所以在這節課中，筆者先讓學生充分體驗生活中熟悉的三個情境：用起子撬起釘子、用剪刀剪斷繩子和用鑷子夾取物體(圖2)，并向學生分別提出3個問題：

圖2

(1) 杠桿的材質在軟硬程度上有什么共同點？

(2) 杠桿在工作中發生了怎樣的運動？

(3) 在什么條件下，杠桿才能發生這樣的運動？

依據生活體驗學生能很快總結出：杠桿是一根在力的作用下繞著固定點轉動的硬棒。這樣，學生不僅對杠桿的定義加深了印象，能夠舍棄次要因素，抽取出這些機械的共同特點，建立杠桿模型。

3 通過生活應用，激發認知沖突

建立杠桿模型只是第一步，本節課的教學難點是力臂概念的建立。在杠桿五要素中，對于支點、動力、阻力的概念學生很容易理解。但由于生活經驗的局限性，多數學生對力臂缺乏準確的認識，會認為支點到力的作用點的距離就是力臂。在這樣的情況下，如果教師只是簡單地告知學生力臂的科學概念,學生只能是囫圇吞棗，還是會回到原來錯誤的前概念。在授課中，教師不僅不能回避學生對力臂有錯誤認知的事實，反而要多加利用。可以創設生活情境，激發認知沖突，幫助學生轉變概念。這節課中，筆者共創設了三個生活情境，幫助學生完成對力臂概念的學習進階。

圖3

(1) 進一步體驗剪刀剪繩子的過程。將繩子由A點向C點方向逐漸靠近支點O,在手位置不變的情況，體驗剪斷同樣一根繩子所需要的力大小是否相同(圖3)。學生發現：越靠近支點，剪斷繩子需要的力越小。

(2) 進一步分析孩子拉動汽車的原因。教師帶領學生對之前視頻中“父子較量”進行受力分析(圖4)，引導學生思考孩子獲勝的原因，此時多數學生通過分析，認為是支點到力的作用點距離很大。

圖4

(3) 利用實驗激發認知沖突。教師通過實驗再現視頻中的情境：利用杠桿可以用較小的力F1拉起較重的物體(圖5)。但當改變F1的方向時，彈簧測力計的示數會明顯增大(圖6)。對比兩次實驗，教師帶領學生繼續分析：在實驗的過程中，支點到動力和阻力作用點的距離并沒有發生變化，到底是什么因素導致了動力大小的變化呢？

圖5

圖6

三個生活情境環環相扣：第一個生活情境重在讓學生體驗、感受力臂的存在，發現隨著力臂的變化，動力大小在逐漸發生變化；第二個生活情境重在讓學生觀察，引導他們嘗試建構力臂的概念，雖然可能存在一定的錯誤，但勝在獨立思考；第三個生活情境重在讓學生分析，利用實驗激發認知沖突，為后面準確建構力臂的概念埋下伏筆。

通過對三個生活情境進行對比分析，能夠有效拉近學生與力臂這一陌生概念的距離；而且通過三個生活情境激發了認知沖突，深化了學生對力臂概念的思考。

4 通過實驗釋疑，提升思維品質

在激發了認知沖突之后，筆者設計了下面的實驗：在一根直杠桿兩端各固定兩片完全相同的均勻打孔的鐵片,在兩塊鐵片上分別懸掛兩個質量相等的掛鉤，左右兩側各懸掛一定數目的鉤碼使杠桿保持水平平衡。在本次實驗中，左側懸掛4個鉤碼，動力臂為12 cm；右側鉤碼用掛鉤懸掛在右側鐵片上，阻力臂為24 cm(圖7)。

圖7

師：此時杠桿已處于水平平衡，如果將右側鉤碼的懸掛點由A點換成B點，杠桿還能保持水平平衡嗎？

學生討論后，大部分同學不置可否。有的同學覺得不能保持，有的同學覺得能夠保持。教師實驗后發現杠桿還是繼續保持水平平衡。

教師引導學生分析這次實驗的杠桿模型，發現此時支點到力的作用點的距離在逐漸變大，而杠桿始終保持水平平衡(圖8)。那到底是什么因素會影響杠桿的平衡呢？經過討論后學生會發現：在這次實驗中，支點到力的作用線的距離一直沒有發生變化！是不是支點到力的作用線的距離才是影響杠桿平衡的因素呢？

圖8

為了進一步驗證，教師引導學生對之前圖5和圖6所示的實驗進行分析(圖9、圖10)。通過作圖，學生發現：在拉起重物的過程中，雖然支點到動力作用點的距離沒有發生變化，但斜拉時，支點到動力作用線的距離明顯變小了，所以所需要的動力就變大了！此時學生便能順利地總結得出力臂的概念了。

圖9

圖10

物理來源于生活，又應用與生活。我們在教學中應該以學生看得見、摸得著的真實情境為抓手，貼近學生生活，才能引領學生從感性認識向理性認識發展；從學生真實的認知水平出發，才能真正地激發他們的學習興趣，提升學生的核心素養。