核心素養視角下對“探究杠桿的平衡條件”實驗的再思考

陳橋育　閃芳芳

摘? 要：在探究杠桿平衡條件的實驗中，通常有三個疑問：為什么選擇杠桿（質量分布均勻）的中心作為支點？為什么要使杠桿在水平位置平衡？為什么杠桿的平衡條件是F1 L1=F2 L2？對于這三個經典的疑問，簡單的處理并不能很好地解決學生的疑惑。教學中，教師應引導學生勇于質疑并設計實驗進行實踐，分析比較經典實驗的優缺點，反思根據疑問設計的實驗的優缺點，培養學生科學探究的意識和能力，從而發展學生的核心素養。

關鍵詞：探究；實驗；杠桿平衡條件

“探究杠桿的平衡條件”作為探究類學生必做實驗，承載著深化對物理規律的認識、培養科學探究能力、凸顯物理實驗育人功能的作用。筆者認為更重要也更難實現的目標是科學探究意識和能力的培養。科學探究意識和能力是比科學內容更高、更具方法論的目標，這個目標的實現需要一個漫長的學習過程，需要教師在平時的教學中具有這樣的認識和意識，并結合科學內容載體在學生兩年的初中物理學習過程中不斷進行培養，從而發展學生的核心素養。

1? 一樣的問題，不一樣的思考

好奇是求知的動力，質疑是創新的起點。要想培養孩子的好奇心，教師必須言傳身教，潛移默化。下面結合筆者和學生在探究杠桿的平衡條件的實際教學中經常遇到的一些疑問進行一些深入思考，并結合初中物理教學的特點提出一些建議。

問題1：為什么選擇杠桿（質量分布均勻）的中心作為支點？

有些初中學生在平時的學習生活中已經積累了一些有關機械方面的初步認識，有些孩子也能認識到人們使用的杠桿并不都是等臂杠桿（如塔吊、筷子、釣魚竿、扳手、鑷子等），為什么在探究杠桿的平衡條件時都選擇了等臂杠桿的模型呢？

教師在教學時可以引導學生自行設計實驗并進行初步嘗試，這個環節可以視情況在新課前布置，也可以考慮在新課結束后拓展環節布置，科學探究能力的培養是需要時間和精力的，教師要學會“舍”——投入適當的時間和精力，不要太著急趕進度等，這樣才有可能“得”——培養學生的探究意識和探究能力，發展學生的核心素養。

如圖1所示，在實際的探究實驗中往往考慮方便簡單，更容易操作。選擇勻質杠桿的中心作為支點就是出于這個考慮。這也說明如果沒有選擇勻質杠桿的中心作為支點不代表這個實驗無法進行，例如塔吊類的杠桿，只不過操作更復雜一些。如圖2所示，支點不在杠桿中心時，如果選擇恰當的配重也可以使杠桿在水平位置平衡（為什么一定要水平，這個問題將在第二個問題中討論），調節平衡后也可以正常進行實驗。通過發散的啟發式引導，保護學生的好奇心，鼓勵學生敢想，并勇于實踐。

平時的教學中，往往都用避免杠桿自重對平衡的影響來解釋這個問題，但往往不能解決學生的疑問。所以，筆者認為此時可以在肯定學生好問善思的基礎上，與學生一起探討如何更好地解決問題。

在探究杠桿的平衡條件時，不一定非要選擇中心作為支點，選擇其他位置作為支點也是可以的，只不過需要通過不同的配重使杠桿在實驗前能夠在水平位置保持靜止，從而可以消除杠桿自重對實驗的影響。

在后續的拓展中，可以更進一步引導學生思考不增加配重調節時是否能夠完成實驗？（遷移到天平在使用前調節天平平衡時游碼沒有歸零的使用情境）

如圖3所示，實驗前在選定的位置（根據需要確定，任意選擇）用彈簧測力計拉住杠桿使其在水平位置平衡，并記下此時彈簧測力計的讀數F，姑且稱為“調零”。接下來即可正常進行實驗（彈簧測力計的位置不可變化，鉤碼的位置可以隨意變化，若想更換彈簧測力計的位置則要重復上述的“調零”步驟），記錄實驗數據的時候要注意彈簧測力計的示數F'應該減去“調零”時的示數F才為動力F1，即F1=F'- F。

通過上述兩種方法都可以避免杠桿自重的影響，也可以進行探究實驗，所以筆者認為在解釋為什么選擇杠桿中心作為支點時，僅僅回答避免杠桿自重的影響，既不能更好地解釋學生心中的疑問，也不能體現探究實驗的初衷。更合理的解釋應該為在實驗過程中需要考慮杠桿自重的影響，但會使探究實驗難以操作，在進行實驗設計時應盡量選擇直觀的模型和簡單的方案。選擇杠桿中心作為支點進行實驗就是為了更方便簡單地進行探究實驗。

問題2：為什么探究實驗過程中都要使杠桿在水平位置平衡？

關于這個問題，一般從兩個方向解釋：一是避免杠桿自重的影響，二是方便測量力臂（可以直接從杠桿上讀出力臂）。在這樣的限制下，學生會感覺物理規律的得出怎么有那么多限制條件，從而對這些定律的普適性是有疑惑的。為了讓學生更好地認識到探究實驗的意義和作用，筆者認為有必要與學生一起深入研究，勇于嘗試，從而讓學生在探究的過程中更好地認識科學知識、學會探究方法，培養學生的科學態度、科學精神等。

筆者認為在探究實驗中，如果每次都能使杠桿在同一位置平衡，也是可以進行實驗的。如圖4所示，將杠桿進行適當改造，設置類似于天平的指針和中央分度盤，用以記錄天平在非水平平衡時的位置，以便后續探究實驗過程中再次找到該位置。在這個環節需要引導學生理解模型和真實情境之間的差異，生活中的杠桿很多情況下并不是在水平位置平衡的，探究實驗需要將其模型化、簡單化，但不能失去普適性。理論上杠桿在任意位置平衡都能探究得到杠桿平衡條件，但需要在整個實驗過程中保證杠桿每次都在同一位置平衡，當然此時力臂的測量會成為一個難點。經過這一環節的討論和探究，學生能夠明白杠桿在非水平位置平衡也是滿足杠桿平衡條件的。實驗中主要還是基于實驗操作的簡單與方便選擇在水平位置進行實驗。

問題3：為什么杠桿的平衡條件是F1 L1=F2 L2？

探究實驗前，我們是不知道結果究竟如何的，這是科學發展史上普遍存在的，科學概念和規律都是人們在不斷的研究中利用智慧逐漸發現的，所以在探究過程中要充分引導學生進行猜想與假設，注意猜想與假設的邏輯性和科學性。還可以適當介紹一些科學發展史的故事，很多時候猜想與假設都是基于人們的生活經驗、認知水平和思維水平等因素的。

對于杠桿的五要素，很多學生“知其然，而不知其所以然”，在探究杠桿平衡條件時可以再次引導學生理解“其所以然”。特別是影響平衡的“力臂”究竟是“支點到力的作用線之間的距離”還是“支點與力作用點之間的距離”，在實驗中可以增加如圖5所示的環節加以突破，通過實驗記錄表格體現出來，如表1所示。

在實驗時，固定鉤碼數量和懸掛位置不變，分別在A、B、C 三個位置沿F1、F2、F3三個不同方向但都與圓O相切的方向進行實驗，通過這一簡單的實驗操作，根據實驗數據進行分析論證，可以讓學生更深入地認識到影響杠桿平衡的因素之一的“力臂”的具體含義。

滬科版的教材中也有分析數據、發現規律時作出了一些必要的示范和引導，這種示范和引導更能凸顯科學探究的意義和作用，這樣的環節才能算得上真探究而非假探究，這個環節的具體思路如下：

第一步，先引導學生認識記錄的數據的類別，一組是力，一組是距離，這是兩種不同的物理量；

第二步，再引導學生思考、猜想這些物理量背后可能滿足的規律；

第三步，根據數據分析討論哪些猜想可能是正確的。

當然在學生進行數據分析尋找規律時，也可以引導學生優先考慮數學工具中簡單的四則運算。

在第一步的基礎之上，可以減少學生的不符合物理意義的猜想與假設，就算部分學生提出了力與力臂之間的“加減運算”，教師也可以在引導學生分析哪些猜想不合理基礎上將之排除。因為不同物理量之間的“加減運算”沒有物理意義。

排除了“加減運算”，簡單四則運算中只剩“乘除運算”，對學生的猜想進行分類，如表2所示，從而使后續驗證更方便簡單，優化探究過程。

2? 行動中的核心素養——幾點建議

基于上述三個問題的思考，筆者提出以下幾點建議：

（1）重視科學探究，過程大于內容。物理課程旨在促進學生核心素養的養成和發展，科學探究作為核心素養的一個方面有其不可忽視的地位。教師要從思想上真正認識到科學探究對物理學習的重要性，認真學習《義務教育物理課程標準》中有關科學探究的要求，并積極結合科學內容思考更好地開展科學探究的形式和側重點，不追求每次都面面俱到；在科學探究的教學過程中，學習過程比學習內容更重要，也就是學習的思維、能力比知識更重要，教師在教學時需要以科學內容為載體，采用科學探究等多種學習形式和過程，既要提高學生的認知水平，也要提高學生的科學素養。

（2）避免“急功近利”，多挖掘深思考。教師在實際的教學中，對于科學探究，不可“急功近利”，簡單解釋和面對學生的疑惑、直奔結果（教學目標的科學內容）而去往往會造成學生物理觀念模糊，不能以科學的思維去思考問題，妨礙科學態度與責任的形成，不利于學生核心素養的發展。

（3）引領示范，言傳身教。教師自身需要有對科學的熱愛，對新事物的探索精神，愿意積極投入實踐。教學中根據學生的疑問積極開展探究實驗，以科學探究解釋探究實驗中的疑問，在言傳身教中培養學生的科學探究意識和能力，發展學生的核心素養。