基于物理學(xué)科實(shí)踐的初中物理“力臂”概念教學(xué)策略探討

張步青

(丹陽市第三中學(xué),江蘇鎮(zhèn)江 212300)

1 認(rèn)識(shí)學(xué)科實(shí)踐

學(xué)科實(shí)踐是指具有學(xué)科特色的典型實(shí)踐,即學(xué)科專業(yè)共同體懷著共同的愿景與價(jià)值觀,運(yùn)用該學(xué)科的概念、思想與工具,整合心理過程與操控技能,解決真實(shí)情境中的問題的一套典型做法.簡(jiǎn)單說,學(xué)科實(shí)踐就是強(qiáng)調(diào)運(yùn)用學(xué)科特有的方式學(xué)習(xí),培養(yǎng)學(xué)科素養(yǎng)的過程.物理學(xué)科實(shí)踐是指讓學(xué)生在經(jīng)歷真實(shí)的科學(xué)探究的過程中,解決真實(shí)情境問題.它指向物理學(xué)科核心素養(yǎng),以培育人為目標(biāo).

目前,初中物理教學(xué)在新課程標(biāo)準(zhǔn)的引領(lǐng)下,逐漸由“一言堂”的傳統(tǒng)教學(xué)模式轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生“自主、合作、探究”的新型教學(xué)模式,教學(xué)方法也由知識(shí)傳授逐漸發(fā)展為指導(dǎo)探究,如蘇科版“力臂”概念的建立.

(1)利用如圖1所示簡(jiǎn)易桿秤模擬稱物體質(zhì)量的過程.然后提出問題:如圖2所示,分別在A、B兩點(diǎn)用彈簧測(cè)力計(jì)拉秤桿,讓秤桿平衡,兩個(gè)點(diǎn)需要的拉力大小一樣嗎?(2)如圖3所示,在B點(diǎn)用彈簧測(cè)力計(jì)分別沿豎直和傾斜的方向拉秤桿,讓秤桿平衡,兩次需要的拉力大小一樣嗎?問題1目的是讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到杠桿平衡與某個(gè)距離有關(guān);問題2目的是讓學(xué)生體會(huì)到這個(gè)距離不是支點(diǎn)到力的作用點(diǎn)的距離,而是支點(diǎn)到力的作用線的垂直距離.

圖1

圖2

圖3

教師沒有直接給出力臂定義,而是通過兩次實(shí)驗(yàn)對(duì)比,啟發(fā)學(xué)生理解力臂的概念.此設(shè)計(jì)仍未能引起學(xué)生足夠的興趣、激發(fā)學(xué)生的深層思維,依然停留于思維表層,游離于心靈之外,未能觸及教材、概念、規(guī)律背后的意義與價(jià)值.本文基于物理學(xué)科實(shí)踐理念提出力臂概念教學(xué)的策略,以更好地提高學(xué)生的物理核心素養(yǎng),實(shí)現(xiàn)育人目標(biāo).

2 基于學(xué)生認(rèn)知,設(shè)計(jì)認(rèn)知沖突

“假如讓我把全部教育心理學(xué)僅僅歸結(jié)為一條原理的話,那么,我將一言以蔽之:影響學(xué)習(xí)的唯一重要因素就是學(xué)習(xí)者已經(jīng)知道了什么.要探明這一點(diǎn),并據(jù)此進(jìn)行教學(xué)”——奧蘇貝爾(認(rèn)知教育心理學(xué)家).學(xué)生在8年級(jí)已學(xué)習(xí)了二力平衡的相關(guān)知識(shí),會(huì)誤認(rèn)為物體平衡時(shí)僅是幾個(gè)力之間的關(guān)系.筆者根據(jù)學(xué)生這樣的認(rèn)知,設(shè)計(jì)了活動(dòng)1.

活動(dòng)1.A、B哪段重些呢?

用細(xì)線拴住一端粗、一端細(xì)的實(shí)心胡蘿卜并懸掛起來,使其沿水平軸線方向靜止,如圖4所示;在拴線處沿豎直方向?qū)⒑}卜切成A、B兩段.A、B哪段重些呢?

圖4

班上49名學(xué)生,8個(gè)人選粗的,1個(gè)人選細(xì)的,40個(gè)人選一樣重.大部分學(xué)生認(rèn)為胡蘿卜處于平衡狀態(tài),所以兩邊是一樣重.實(shí)際測(cè)量:左邊152.3 g,右邊120 g,粗端更重.這是為什么呢?今天我們就來共同探究.筆者認(rèn)為,教學(xué)要尊重學(xué)生的認(rèn)知水平,此活動(dòng)的設(shè)計(jì)建立在教師了解學(xué)生已有認(rèn)知的基礎(chǔ)上,讓其在認(rèn)知沖突中意識(shí)到杠桿平衡與二力平衡的不同,從而激發(fā)學(xué)生的探究欲望,啟發(fā)學(xué)生深度思考.

3 搭建進(jìn)階路徑,形成科學(xué)概念

活動(dòng)2.初步定義力臂,得出杠桿平衡條件.

第1步:猜想.讓桿秤在水平位置平衡,猜想桿秤平衡與什么因素有關(guān)?找一根帶刻度的直尺作為杠桿,懸掛鉤碼施加作用力,改變鉤碼的個(gè)數(shù)改變作用力的大小,改變鉤碼懸掛位置改變力的作用距離.桿秤在水平位置平衡,猜想桿秤平衡與什么因素有關(guān)?

筆者了解到學(xué)生小學(xué)的時(shí)候,學(xué)習(xí)過“平衡尺在什么情況下能夠保持平衡”.由于小學(xué)研究的要求較低,杠桿處于水平位置,杠桿上的力是通過懸掛鉤碼產(chǎn)生豎直向下拉力.實(shí)驗(yàn)中,調(diào)節(jié)平衡尺,使其在水平位置平衡.在支點(diǎn)左側(cè)10 cm處掛2個(gè)鉤碼,分別在支點(diǎn)右側(cè)5 cm處需要掛4個(gè)鉤碼,10 cm處需要掛2個(gè)鉤碼,20 cm處需要掛1個(gè)鉤碼,才能使平衡尺平衡.實(shí)驗(yàn)結(jié)論:距離支點(diǎn)越遠(yuǎn),保持平衡需要的鉤碼越少,即越省力.小學(xué)科學(xué)沒有力臂的定義,學(xué)生認(rèn)為杠桿保持平衡與鉤碼數(shù)和支點(diǎn)的距離有關(guān).我們尊重學(xué)生的起點(diǎn),先默認(rèn)杠桿保持平衡與支點(diǎn)到鉤碼懸掛點(diǎn)的距離有關(guān)并初步定義這個(gè)距離叫力臂.如圖5所示,把右邊掛的鉤碼產(chǎn)生豎直向下拉力稱為動(dòng)力F1、左邊掛的鉤碼產(chǎn)生豎直向下拉力稱為阻力F2;OA為動(dòng)力臂L1,OB為阻力臂L2.學(xué)生在小學(xué)科學(xué)學(xué)習(xí)基礎(chǔ)上,比較容易猜想到影響杠桿位置平衡的因素是動(dòng)力F1、阻力F2、動(dòng)力臂L1、阻力臂L2.

圖5

第2步:學(xué)生實(shí)驗(yàn).在水平位置平衡,動(dòng)力F1、阻力F2、動(dòng)力臂L1、阻力臂L2有什么關(guān)系?教師引導(dǎo)學(xué)生改變支點(diǎn)兩側(cè)的鉤碼位置和個(gè)數(shù),讓杠桿在水平位置平衡.用同樣的方法做3次得到3組數(shù)據(jù),將數(shù)據(jù)填入表1.

表1

第3步:數(shù)據(jù)分析.師生共同分析數(shù)據(jù),歸納得出杠桿平衡條件:動(dòng)力×動(dòng)力臂=阻力×阻力臂,表達(dá)式為F1×L1=F2×L2.

活動(dòng)2建立在學(xué)生小學(xué)科學(xué)的基礎(chǔ)上,符合學(xué)生認(rèn)知水平.第1步,學(xué)生根據(jù)小學(xué)已有知識(shí)較易提出猜想.第2步的實(shí)驗(yàn)和第3步數(shù)據(jù)分析,學(xué)生在經(jīng)歷初中物理學(xué)科實(shí)踐的過程中能快速找到杠桿平衡的條件,此條件中的力臂概念雖然是有待修正的,但它符合人們由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律,這也將成為后續(xù)進(jìn)階學(xué)習(xí)的起點(diǎn).

活動(dòng)3.探究什么是真正的力臂.

如圖6所示,在杠桿左邊離支點(diǎn)20 cm處,懸掛了1 N的鉤碼,在左邊離支點(diǎn)10 cm處,用彈簧測(cè)力計(jì)施加向右上的拉力,讓杠桿在水平位置平衡,拉力是多大?

圖6

第1步:理論計(jì)算.根據(jù)活動(dòng)2歸納得出杠桿平衡條件:F1×L1=F2×L2,F1×10 cm=1 N×20 cm,可得F1=2 N.

第2步:實(shí)驗(yàn)呈現(xiàn).當(dāng)揭開遮住彈簧測(cè)力計(jì)的紙片時(shí),學(xué)生發(fā)現(xiàn)示數(shù)卻是4 N.

第3步:探究“真力臂”.學(xué)生自然產(chǎn)生“為什么結(jié)論不對(duì)?”“什么是真正的力臂?”的疑問.此設(shè)計(jì)中讓學(xué)生的原有觀念與現(xiàn)實(shí)情境有了矛盾,產(chǎn)生了認(rèn)知沖突,學(xué)生思維受到了觸發(fā),激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣與好奇心,提出了新的研究問題.

“F1×L1=F2×L2,即動(dòng)力×支點(diǎn)到動(dòng)力作用點(diǎn)的距離=阻力×支點(diǎn)到阻力作用點(diǎn)的距離”的結(jié)論肯定是有瑕疵的,必須做修正.彈簧測(cè)力計(jì)的拉力是4 N,那么拉力對(duì)應(yīng)的動(dòng)力臂應(yīng)該是5 cm才行.那么這個(gè)5 cm在哪呢?或者說如何才能湊到5 cm呢?學(xué)生作圖發(fā)現(xiàn):拉力與水平方向成30°角,在直角三角形中30°角對(duì)應(yīng)的直角邊是斜邊10 cm的一半5 cm,如圖7所示.這個(gè)5 cm的距離應(yīng)該是動(dòng)力臂,動(dòng)力臂應(yīng)該是支點(diǎn)到動(dòng)力作用線的垂直距離,而不是支點(diǎn)到動(dòng)力作用點(diǎn)的距離,對(duì)力臂的定義進(jìn)行了再創(chuàng)造.

圖7

第4步:學(xué)后反思.問題是“為何力臂定義為支點(diǎn)到作用點(diǎn)的距離,活動(dòng)2的實(shí)驗(yàn)結(jié)論也能成立呢?”學(xué)生通過作圖,發(fā)現(xiàn)杠桿在水平位置平衡且兩個(gè)力F1和F2沿豎直方向時(shí),支點(diǎn)到力作用點(diǎn)的距離=支點(diǎn)到力的作用線的距離.活動(dòng)2的結(jié)論只是活動(dòng)3結(jié)論的特例.

活動(dòng)2引出進(jìn)階的起點(diǎn)“假力臂”.活動(dòng)3是進(jìn)階的路徑:其中第1、2步引起進(jìn)階的興趣;第3步是進(jìn)階的探究;第4步是進(jìn)階后的反思.學(xué)生經(jīng)過探究自主建構(gòu)了正確概念,達(dá)到了進(jìn)階的終點(diǎn)“真力臂”,搭建的進(jìn)階路徑如圖8所示.通過活動(dòng)3的沖突,用新證據(jù)來沖擊學(xué)生的前概念,迫使他們放棄或者修正,發(fā)展定義,再設(shè)計(jì)情境來考驗(yàn)學(xué)生,達(dá)成核心概念的轉(zhuǎn)變.力臂的誕生過程,就是科學(xué)發(fā)現(xiàn)、科學(xué)進(jìn)化的過程,進(jìn)而從前概念轉(zhuǎn)變?yōu)榭茖W(xué)概念,用物理學(xué)科的內(nèi)涵方式來培養(yǎng)學(xué)生的關(guān)鍵能力和必備品格,讓學(xué)生在發(fā)現(xiàn)中長大.

圖8

4 利用模型建構(gòu),解決真實(shí)問題

物理模型建構(gòu)作為一種重要的科學(xué)方法,是物理教學(xué)中重要的教學(xué)內(nèi)容.學(xué)生通過物理模型建構(gòu)簡(jiǎn)化問題,抓住主要矛盾,解決實(shí)際問題.師生通過將實(shí)心胡蘿卜建構(gòu)成杠桿模型,分析杠桿的五要素,將實(shí)際問題轉(zhuǎn)化為杠桿問題.根據(jù)解決真實(shí)問題的學(xué)習(xí)證據(jù),我們可以判斷學(xué)生能否完成學(xué)習(xí)任務(wù)、完成到什么程度,還有什么問題.解決真實(shí)問題后如果與學(xué)生進(jìn)行一次交流,更有利于我們了解學(xué)情,改進(jìn)教與學(xué).在這個(gè)過程中,學(xué)生的抽象思維、邏輯思維、數(shù)學(xué)技能等模型建構(gòu)要素都得到了充分的提升,從而促進(jìn)其科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng).

活動(dòng)4.討論胡蘿卜懸掛平衡,在懸掛處一刀分為兩段,為何粗段重呢?

師生共同討論,將懸掛的實(shí)心胡蘿卜視為一個(gè)杠桿,如圖9所示,可以作出杠桿的五要素,根據(jù)杠桿的平衡條件分析GA與GB大小.支點(diǎn)在懸掛點(diǎn)O,設(shè)左邊部分重為GA,重心在C'處,力臂為OC,右邊部分重為GB,重心在D'處,力臂為OD,因OC＜OD,根據(jù)杠桿平衡條件:GA·OC=GB·OD,所以,GA大于GB,所以A段較重.教學(xué)中C'、D'的確認(rèn)是難點(diǎn),教師可以引導(dǎo)學(xué)生討論,分別將胡蘿卜的A、B兩段用細(xì)線拴住懸掛起來,使其沿水平軸線方向靜止,來確定重心C'、D'.

圖9

5 實(shí)施初中物理學(xué)科實(shí)踐的思考

杜威講過教育就是經(jīng)驗(yàn)的喚醒、重組和生長.上述設(shè)計(jì)中筆者用物理學(xué)科實(shí)踐的方式進(jìn)行力臂概念的教學(xué),始終基于學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展水平進(jìn)行設(shè)計(jì),先認(rèn)可學(xué)生小學(xué)時(shí)的認(rèn)知,對(duì)原有的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行喚醒.教師設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)對(duì)力臂原有的認(rèn)識(shí)解決不了現(xiàn)在的問題,有沖突之后學(xué)生產(chǎn)生了疑問,再通過推理、創(chuàng)新、歸納、模型建構(gòu)進(jìn)行力臂的概念的重組和生長,形成了力臂的新定義.這個(gè)定義具有的內(nèi)涵不是教師灌輸?shù)?而是教師通過組織、引領(lǐng),在解決真實(shí)問題的情景中,學(xué)生自己誕生和創(chuàng)造的.

“知識(shí)+實(shí)踐=素養(yǎng)”,只有將學(xué)生學(xué)科的學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)化為學(xué)科實(shí)踐,才有可能發(fā)展學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng).筆者在物理學(xué)科實(shí)踐中運(yùn)用以下3個(gè)策略:(1)基于學(xué)生認(rèn)知,設(shè)計(jì)認(rèn)知沖突;(2)搭建進(jìn)階路徑,形成科學(xué)概念;(3)利用模型建構(gòu),解決真實(shí)問題.這些策略讓學(xué)生在學(xué)科實(shí)踐中有了深深的情感投入,觸及心靈,學(xué)得進(jìn).有了深深的認(rèn)知投入,有質(zhì)疑、有推理、有創(chuàng)新,想得透.有了深深的態(tài)度投入,通過模型建構(gòu),解決了實(shí)際的問題,用得出.這樣的學(xué)科實(shí)踐讓學(xué)生像學(xué)科專家一樣思考與實(shí)踐,學(xué)生插上了核心素養(yǎng)的翅膀,增強(qiáng)了成長的動(dòng)力,學(xué)生更加具有理性和判斷力,逐步成為了一個(gè)獨(dú)立的真正的人.