“讓天平活起來(lái)”的教學(xué)設(shè)計(jì)①

丁志紅

(南京師范大學(xué)附屬中學(xué)樹人學(xué)校,江蘇 南京 210011)

1 引言

自2017年起,央視大型文博探索節(jié)目《國(guó)家寶藏》引發(fā)越來(lái)越多的人關(guān)注文物,實(shí)現(xiàn)了“讓國(guó)寶活起來(lái)”的教育功能。該節(jié)目融合了紀(jì)錄片和綜藝的表達(dá)方式,考古工作則融合了傳統(tǒng)考古、實(shí)驗(yàn)室考古、科技考古、文物保護(hù)的模式。

對(duì)照《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2022年版)》,我們的物理教學(xué)也應(yīng)“堅(jiān)持創(chuàng)新導(dǎo)向”。本文以“物體的質(zhì)量”教學(xué)為例,以活動(dòng)為明線,創(chuàng)設(shè)情境,改進(jìn)簡(jiǎn)易裝置,介紹托盤天平的原理、構(gòu)造和使用方法;以文物為暗線,浸潤(rùn)文化,彰顯學(xué)科育人價(jià)值。

2 測(cè)量物體的質(zhì)量

2.1 用電子秤稱量物體的質(zhì)量

師:在生活中,我們常常借助電子秤來(lái)測(cè)量物體的質(zhì)量。請(qǐng)大家測(cè)量表1中物體的質(zhì)量。

表1

設(shè)計(jì)意圖：電子秤是學(xué)生在日常生活中常見的測(cè)量工具,先在活動(dòng)中練習(xí)使用電子秤,感知身邊不同物體的質(zhì)量,為接下來(lái)的“比較”做好鋪墊。

2.2 用簡(jiǎn)易裝置估測(cè)橙子的質(zhì)量

我們測(cè)量物體的質(zhì)量如此簡(jiǎn)單、方便,那古人又是如何測(cè)量物體的質(zhì)量的呢?教師展示圖1,這是出土的古代質(zhì)量測(cè)量工具,時(shí)間大約是在公元前2500年的埃及第三王朝時(shí)期,現(xiàn)保存于倫敦科學(xué)博物館。

圖1

師:我們的實(shí)驗(yàn)桌上也有類似的裝置(圖2),如果不借助電子秤,你能估測(cè)出橙子的質(zhì)量嗎?你是如何操作的?

圖2

生1:將橙子放在一個(gè)碗里,在另一個(gè)碗里加雞蛋、一元硬幣或紀(jì)念幣,當(dāng)橫梁水平平衡時(shí),橙子的質(zhì)量m等于兩只雞蛋加一枚硬幣的質(zhì)量,m=2×55 g+6 g=116 g。

生2:我測(cè)量的橙子質(zhì)量m等于一只雞蛋、一枚紀(jì)念幣和6枚硬幣的質(zhì)量之和,m=55 g+10 g+7×6 g=107 g。

師:選用已知質(zhì)量的物體來(lái)替代被測(cè)物體,你們很棒。你們?cè)诠罍y(cè)時(shí)有什么問題嗎?

生3:我們這一組將橙子放在左邊的碗里,在右邊碗里加重物,加少了,橫梁往左邊偏,再加一個(gè)小質(zhì)量的,又往右邊偏,橫梁不能水平靜止。

生4:若加個(gè)質(zhì)量再小一點(diǎn)的,可能就差不多就平衡了。

師:你們的問題古人也遇到了。那怎么解決呢?觀察圖3,能不能給你們一些啟發(fā)呢?

圖3

生5:這是用一組大小不同的物體,選擇的空間比較大。

生6:這是哪個(gè)國(guó)家的啊?

師:這是我們國(guó)家的!是戰(zhàn)國(guó)時(shí)期的文物——楚木衡,包括一個(gè)木質(zhì)秤桿、兩個(gè)銅盤,現(xiàn)存于湖南省博物館,九個(gè)銅環(huán)權(quán)則存于中國(guó)國(guó)家博物館。大家有機(jī)會(huì)可以去看真品。

師:對(duì)于古人用的銅環(huán)權(quán),人們又做了改進(jìn),這就是我們現(xiàn)在看到的砝碼。

設(shè)計(jì)意圖：這個(gè)環(huán)節(jié)借鑒了《國(guó)家寶藏》節(jié)目中文物“前世今生”的設(shè)計(jì)。有個(gè)細(xì)節(jié),就是上課前,老師將自制簡(jiǎn)易裝置調(diào)成水平平衡。面對(duì)這樣的裝置,雖然沒有鋪墊杠桿或杠桿平衡條件等知識(shí),但絲毫不影響學(xué)生的動(dòng)手操作,這是意料之外的收獲。在分組實(shí)驗(yàn)中,發(fā)現(xiàn)大部分同學(xué)順其自然地將橙子放到左邊的碗里,把雞蛋、硬幣或紀(jì)念幣放到右邊的碗里,選大的物體先放,直到橫梁再次水平靜止。這為砝碼的“出場(chǎng)”、天平的使用做了很好的鋪墊。

2.3 天平設(shè)計(jì)的漸進(jìn)性探索

教師展示如圖4所示的自制教具。

圖4

師:用這樣的裝置可以直接進(jìn)行測(cè)量嗎?

同學(xué)們異口同聲地表示不可以。

師:那要怎樣才可以呢?如果給你們提供一塊橡皮泥,你們準(zhǔn)備怎么辦呢?

在真實(shí)情境中,兩個(gè)同學(xué)一開始有些不知所措,但在同學(xué)們的幫助下,將一塊橡皮泥粘在橫梁上,發(fā)現(xiàn)橫梁明顯地偏轉(zhuǎn)過來(lái)一些,接近水平了,接著嘗試將橡皮泥逐漸遠(yuǎn)離支架,直至到圖5中的位置。通過觀察學(xué)生臉上的表情變化,明顯感受到學(xué)生在實(shí)踐中獲得的愉悅。這是初步的改進(jìn),為增加平衡螺母做鋪墊,向左或向右調(diào),可以解決調(diào)節(jié)在水平位置平衡的問題。

圖5

師:此時(shí)簡(jiǎn)易裝置在水平位置平衡了嗎?你判斷的標(biāo)準(zhǔn)是什么?

生:看橫梁是否與水平地面平行。或看橫梁是否與豎直的支架垂直。

師:哪種方法更方便呢?我這里有三角板,你們來(lái)檢驗(yàn)一下。

在檢驗(yàn)的過程中,兩位同學(xué)又將橡皮泥的位置做了一定的微調(diào)。在教師伸直雙臂的肢體語(yǔ)言示意下,同學(xué)們想到了方案,有學(xué)生說:在橫梁上中間的位置向上或向下豎立一個(gè)標(biāo)志,與支架的豎直桿相重合即可。

把指針裝上后,同學(xué)們發(fā)現(xiàn)利用指針可方便地判斷橫梁是否水平。筆者將帶有刻度線的示教板再粘上,效果就顯現(xiàn)出來(lái)了(圖6)。最中間的刻度線相當(dāng)于將支架的柱體向上進(jìn)行了延伸。將已平衡的橫梁撥動(dòng)一下,發(fā)現(xiàn)指針會(huì)圍繞中央刻度線左右擺動(dòng)。

師:在稱量過程中,如果遇到橫梁向左偏又如何操作呢?

這個(gè)問題出來(lái)后,學(xué)生都明確不能再調(diào)節(jié)平衡螺母了,只能在右盤里添更小的重物,教師利用這個(gè)時(shí)機(jī)介紹標(biāo)尺、游碼的設(shè)計(jì)(圖7)。托盤天平上為什么有平衡螺母?為什么還有指針、分度盤?這些構(gòu)造都是基于真實(shí)的需要而設(shè)計(jì)的。

圖7

設(shè)計(jì)意圖：在教學(xué)中,注重創(chuàng)設(shè)真實(shí)的情境,利用自制教具,調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性,解決以下重要問題:測(cè)量前和測(cè)量過程中如何調(diào)節(jié)天平平衡?從教學(xué)策略上看,將解決測(cè)量前的問題作為重點(diǎn),看似只請(qǐng)了兩位同學(xué)上臺(tái)演示,實(shí)際上所有的學(xué)生都被吸引并參與進(jìn)來(lái)。沒有機(jī)械的說教,沒有呆板的演示,教師只在關(guān)鍵的環(huán)節(jié)進(jìn)行引導(dǎo)、點(diǎn)撥,全程是學(xué)生自己動(dòng)腦筋,在實(shí)踐中尋找解決問題的方法。

2.4 用托盤天平測(cè)量橙子的質(zhì)量

學(xué)生通過活動(dòng),經(jīng)歷了使用托盤天平的過程。如何讀出游碼所示質(zhì)量?因游碼本身有一定的寬度,引導(dǎo)同學(xué)注意觀察游碼在最左端時(shí),是哪一端與零刻度線對(duì)齊,幫助同學(xué)們化解讀數(shù)難點(diǎn)。通過前后兩次測(cè)量橙子質(zhì)量活動(dòng)的對(duì)比,學(xué)生認(rèn)識(shí)到:測(cè)量工具越精密,測(cè)量誤差越小。

3 結(jié)語(yǔ)

在教學(xué)中安排多次的測(cè)量活動(dòng)既是對(duì)古今測(cè)量質(zhì)量工具的對(duì)比,也是對(duì)人類智慧的認(rèn)知。知其然而知其所以然,從無(wú)到有,從粗略到精準(zhǔn),測(cè)量工具的每一進(jìn)步都是基于實(shí)際問題解決的創(chuàng)新。融合文物的設(shè)計(jì),經(jīng)歷改進(jìn)設(shè)計(jì)的過程,可培養(yǎng)學(xué)生的探究能力和創(chuàng)新能力,讓教學(xué)更富有內(nèi)涵。