自制低成本教具 突破概念教學(xué)難點①
——以“力臂”教學(xué)為例

吳宏盛 王亞峰

(1.江蘇省無錫市胡埭中學(xué),江蘇 無錫 214100;2.江蘇省無錫市濱湖區(qū)教育研究發(fā)展中心,江蘇 無錫 214072)

1 引言

“力臂”概念在初中物理教材中的出現(xiàn)比較突兀,蘇科版初中物理教材寫道:“為了了解杠桿的作用,我們先以螺絲刀撬圖釘為例來認識幾個與杠桿有關(guān)的名詞。”[1]大部分學(xué)生對于“支點”“動力”“阻力”的理解都沒有大的障礙,但對于“力臂”卻非常陌生。在實際教學(xué)中發(fā)現(xiàn),每次復(fù)習(xí)時,大多數(shù)學(xué)生由于遺忘而對力臂的畫法逐漸模糊,部分能夠正確畫出的學(xué)生也僅僅是依靠機械記憶。

接著教材安排了“探究杠桿的平衡條件”的學(xué)生實驗,實驗中要求學(xué)生組裝器材,完成下列3個操作:(1) 保持鉤碼和彈簧測力計的位置不變,改變鉤碼的數(shù)量;(2) 保持鉤碼的數(shù)量和位置不變,改變彈簧測力計的位置;(3) 保持彈簧測力計的位置和鉤碼的數(shù)量不變,改變鉤碼的位置。進而根據(jù)實驗數(shù)據(jù)歸納出結(jié)論:F1l1=F2l2。在整個實驗過程,學(xué)生完全按照教材上的要求進行操作,并不知道為什么要改變阻力、阻力臂和動力臂,也不知道阻力、阻力臂是否會影響杠桿的平衡。這樣做實驗并不是科學(xué)探究,更像是做驗證性實驗。

2 自制教具

實驗器材:杠桿、支架、圓形硬紙板、工字釘、細線、記號筆、鉤碼、彈簧測力計等。

實驗裝置如圖1所示,其特點如下:(1) 器材的獲取難度相對較小;(2) 由于使用了圓形硬紙板和工字釘,可以使拉力作用在杠桿以外的區(qū)域;(3) 工字釘可以用作定滑輪,改變力的方向。

圖1

3 教學(xué)設(shè)計的調(diào)整與優(yōu)化

3.1 在實驗猜想中結(jié)合學(xué)生的生活體驗

猜想是探究性實驗的開始,既不能讓學(xué)生不猜,也不能讓學(xué)生亂猜。不猜會使后續(xù)的實驗成為沒有靈魂的空殼,亂猜會影響教學(xué)進度和節(jié)奏。在提問哪些因素會影響杠桿平衡時,提示學(xué)生結(jié)合兒時玩蹺蹺板的體驗,他們會很容易想到杠桿平衡中力的作用效果的影響因素,利用自制教具驗證學(xué)生的猜想,對學(xué)生的猜想給予肯定,這樣能激發(fā)學(xué)生實驗的積極性。

3.2 運用自制教具,引發(fā)思維沖突

初學(xué)時學(xué)生不大可能提出猜想:力臂對杠桿平衡有影響,因為在他們的腦海中根本沒有這一概念。所以學(xué)生仍會結(jié)合玩蹺蹺板的經(jīng)歷,認為往前或往后坐也會影響杠桿平衡,即力的作用點對杠桿平衡有影響。此時教師不要急于評價學(xué)生的猜想,仍用自制教具來驗證學(xué)生的猜想(圖2),此時學(xué)生內(nèi)心認定作用點會影響杠桿的平衡。此時呈現(xiàn)圖3和圖4所示的情形,學(xué)生剛剛形成的認知受到強烈的沖擊,明明作用點位置不同,杠桿卻仍能保持平衡,面對前后矛盾的結(jié)果,學(xué)生陷入沉思。此時可以讓學(xué)生在那條特殊的直線上任意選取其他作用點,發(fā)現(xiàn)結(jié)果都是一樣的。學(xué)生開始質(zhì)疑自己最初的猜想,并分析杠桿的平衡一定與那條特殊的直線DE有關(guān)。這時教師不要急于解答學(xué)生的疑惑,而是讓學(xué)生帶著疑惑繼續(xù)思考后續(xù)的問題。

圖2

圖3

圖4

3.3 思行并舉,挖掘問題本質(zhì)

學(xué)生已初步探究了力的大小、作用點對杠杠平衡的影響,這時部分學(xué)生便會很自然地把目光投向力的方向。他們通過實驗發(fā)現(xiàn),當用彈簧測力計改變力的方向的瞬間,杠桿便不再平衡。但當彈簧測力計調(diào)節(jié)至某些特定方向時(圖5、圖6),杠桿又能平衡。此時學(xué)生更加迷惑,因為通過之前的實驗把目光聚焦到那根特殊的直線上,而現(xiàn)在連那條特殊的直線都不見了。接下來教師需要給予學(xué)生一定的引導(dǎo),既然圖3、圖4、圖5和圖6所示情景中杠桿都處于平衡狀態(tài),那其中必然隱含著杠桿平衡的其他因素,需要學(xué)生透過現(xiàn)象看本質(zhì)。經(jīng)過思考,思維靈活的學(xué)生已經(jīng)能看出其中的內(nèi)在聯(lián)系,這樣的深入思考過程可以提高學(xué)生的思維水平。教師尊重學(xué)生之間的差異,明確這樣做的目的是讓學(xué)生自己說出“點到線的距離”。從長遠看,我們需要讓學(xué)生會思維,提高學(xué)生分析和解決問題的能力。所以,在教學(xué)過程中盡可能讓每一位學(xué)生都參與到這樣有思維層次的實驗探究中,使學(xué)生的邏輯推理能力和歸納能力得到質(zhì)的提升,這是培養(yǎng)學(xué)生高階思維的必經(jīng)之路。

圖5

圖6

3.4 總結(jié)歸納,構(gòu)建新知

經(jīng)過以上探究,學(xué)生已經(jīng)知道支點到那條特殊直線的距離會影響杠桿平衡,為了便于研究,我們將那條特殊的直線叫作“力的作用線”,將支點到力的作用線的距離叫作“力臂”。讓學(xué)生明白“力臂”是我們實驗所需要用到的,是有價值的,這個概念對探究杠桿平衡條件有著重要意義。相比于課本中直接給出 “力臂”概念,通過這種方式,學(xué)生的理解要深刻得多,記起來也就容易多了。至此,要看學(xué)生是否真正理解,需要提出一個有挑戰(zhàn)性的問題:你可以在不同作用點、沿不同方向施加一個大小相同的力讓杠桿平衡嗎?拋開力的作用點和方向的假象,只需抓住“力臂”的本質(zhì)即可構(gòu)建成如圖7的杠桿。在掌握力和力臂對杠桿平衡有影響后,探究杠桿平衡的條件自然會水到渠成。

圖7

4 教學(xué)反思

4.1 概念教學(xué)需要尊重學(xué)生的認知特點

初中生感性思維能力較強、理性思維能力較弱,在概念教學(xué)中需要向?qū)W生解釋為什么要學(xué)習(xí)這個概念。正如在“力臂”的教學(xué)中,通過實驗激發(fā)學(xué)生自身的求知欲,讓他們在實驗中自主構(gòu)建“力臂”概念。同樣,學(xué)生對于為什么要學(xué)習(xí)“密度”這一概念也不是很清楚,其實只要一段簡短的解釋就可以消除學(xué)生內(nèi)心的疑惑:密度是物質(zhì)諸多物理屬性(如硬度、透光性、延展性……)中的一個,在實際生活中可以用密度鑒別、區(qū)分物質(zhì),比如鋼化玻璃和高硼硅玻璃,在硬度、透光性上都差不多,我們可以通過密度的不同來區(qū)分它們。另一方面,學(xué)生在學(xué)習(xí)某個概念前腦海中存有前概念,這些前概念有可能是正確的、也有可能是錯誤的或者不完整的,但都需要被尊重,忽視前概念的暴露與轉(zhuǎn)變,只會讓后期的教學(xué)事倍功半。

4.2 概念建構(gòu)需要由具體到抽象

“能量”概念對學(xué)生來說較為抽象,蘇科版初中物理教材第十二章第一節(jié)中關(guān)于能量的表述為:“一個物體能對另一個物體做功,就表明這個物體具有能量。”在介紹能量概念前,有必要將之前所學(xué)過的“聲能”“光能”等結(jié)合生活實例予以呈現(xiàn),聲波能震碎酒杯、使燭焰晃動,光合作用、太陽能汽車表明光具有能量,等等,這些例子都說明了具有能量的物體能夠?qū)ζ渌矬w做功,進而加深學(xué)生對能量的理解。諸如“力臂”“法線”“功”“磁場”等抽象的概念還有很多,在教學(xué)中采用自制教具、結(jié)合生活實例、應(yīng)用信息技術(shù),可將抽象的概念形象化,為學(xué)生搭建思維提升的臺階。

5 結(jié)語

物理概念是物理教學(xué)的重要內(nèi)容,物理概念的構(gòu)建過程也是學(xué)生科學(xué)思維與實踐能力進階的過程。[2]只有在平時的教學(xué)中重視概念教學(xué),提升構(gòu)建概念的思維品質(zhì),才能讓核心素養(yǎng)的培養(yǎng)落地生根,讓學(xué)科育人的功能得到有效發(fā)揮。