试谈托盘天平教学的新思路

石尧 陈晓陆 张迎杰

摘 要：针对托盘天平在初中物理教学中存在的症结，以教育重演论为教学设计的理论基础，采用重演托盘天平发明及改进过程中关键环节的教学思路，对托盘天平的教学流程进行了重构.

关键词：托盘天平；教育重演；过程教学；教学思路

一、提出问题

托盘天平作为初中物理引入最早、复杂程度最高的实验仪器，历来都是教学的重点和难点.关顾当前“托盘天平”的教学，一般存有两种典型的教学方式，一是教师结合多媒体中的天平构造图，为学生阐述每个构件的名称与作用；二是教师让学生阅读书本相关内容，然后就学生提出的疑惑予以解答，抑或用提问的形式帮助学生夯实天平构件的作用.然而实际教学却表明，这两种方式的效果均不明显，只能导致学生对天平构件的“死记硬背”，徒增认知负荷.

概而言之，前者囿于“教师中心论”的桎梏，忽视了学生的主观能动性，使学生只能被动地接受教师的灌输；后者采用“教师解惑”的方式则深陷“学生中心论”的泥淖，过分夸大了学生的主观能动性，有碍学生获得系统的知识，致使教学失之功利；而“教师提问”的方式看似是教师在引导学生学习，但由于提问内容只能引起简单的联结式反应，根本无法调动学生的高阶思维，因而也不可能取得预想的效果.于是如何使学生彻底理解并牢记托盘天平各构件的功能，就成为了物理实验教学中亟待解决的要务.

历经思忖，我们认为上述症结的产生滥觞于教学中对物理知识来龙去脉的漠然处之，忽视了学生对知识形成过程的体验，进而严重束缚了学生的思维，泯灭了其创造力，显然与培养学生核心素养的教学目标背道而驰.

二、凸显过程的托盘天平教学思路

（一）理论基础

澳大利亚学者斯威勒将阻碍学生学习的认知负荷分成内部认知负荷和外部认知负荷两类.内部认知负荷取决于学习材料与学习者专业知识之间的交互程度；外部认知负荷则由教学设计不当而引起，直接受控于教学的设计者[1].由此可见，若要降低学生的认知负荷，促成有意义学习的发生，在教学过程中就应该尽可能地使教学设计契合学生的认知规律.就本节教学而论，天平各组件的介绍不应以并行罗列的方式呈现给学生，而应遵循一定的逻辑顺序，由此才能辅助学生大脑进行组织编码，将凌乱而纷杂的构件有条理地串接起来，形成系统的认知结构.那么究竟以何种逻辑顺序展开托盘天平的教学呢？这里，教育重演论为我们提供了可资镜鉴的宝贵启示.

教育重演论将现代学生的学习过程看作是对人类文化发展过程的一种认知意义上的重演，学习者在学习科学知识过程中所遇到的困难往往是人类在科学研究过程中需要长时间累积、消化的突破点[2].进一步将教育重演论与物理教学实际相结合，理想的物理教育便应该是以浓缩的时空和必然的形式，再现物理知识、实验仪器在形成过程中遇到的关键问题，从而帮助学生突破思维障碍，汲取前人智慧.鉴于此，我们结合教育重演论的思想精髓，以天平发展历程为纵轴主线，以追求精密测量为横向铺垫，对本节课的教学流程进行了重构.

（二）教学流程

1.跷跷板：天平雏形

回溯世界发明史，各种发明创造或多或少都是从某种事物的性能或特性中得到启发的原型，从而取得成功的.众所周知，托盘天平的实质是一个等臂杠杆，因此相应教学就要以生活中常见的等臂杠杆为逻辑起点.在此，我们选择了平时孩子们娱乐所用的跷跷板为构建托盘天平的原型.首先，教师着力为学生夯实跷跷板水平的意义，在跷跷板两侧距支点O相等的位置分别放置重物，质量大的一侧会下沉；而当两端物体质量相等时，则会出现跷跷板水平的现象，这种“相等”关系的出现可以帮助我们衡量物体质量的大小，即如果知道一侧物体的质量，就可以通过“相等”的关系，得出另一侧物体的质量.从而揭示跷跷板中蕴藏的测量功能.

2.托盘：盛装物体

在充分明确跷跷板的测量功能，成功建构出托盘天平的雏形后.教师可继续发问，将跷跷板作为测量物体质量的工具，将会遇到一个棘手的问题，盖因跷跷板只有一根横梁，放置其上的物体会由于重心不稳等原因而倾倒.同时由于放置位置、物体重心位置等因素的影响，亦会造成“杠杆”看似等臂，实则并非等臂的窘境.那么该如何破解这些疑难呢？继而引导学生提出“引入托盘这种构件”来解决上述问题，这是因为“托盘”在使物体稳定放置的同时，相应承接托盘的支架还使得横梁受力更为均匀、集中，并间接确定了两端的力臂长短，使“跷跷板”成为了名副其实的等臂杠杆，由此对物体质量的测量也变得更为精密.

3.砝码：以码衡物

但是随后一个新的问题又出现了，用实物质量衡量物体质量存有诸多不便，如不方便携带，实物质量不唯一确定等.于是为确定测量标准，可采取“替代”的方法，用较重的金属块替换相应实物，从而诞生出金属制砝码的雏形，但这种仿形砝码没有具体的数量值，而是代以相应的实物名称，如鸡、羊、牛等，因而难以直接量化比较与数量加成.接下来，为完成定性向定量的转变及加深“标准”的感觉，砝码又逐渐演变为质量元器的模样，并参照货币面值的分配形式，对砝码规格予以明确界定.最终使砝码成为了质量量值传递的量具，进一步精确了天平的测量结果.

4.分度盘与指针：判断平衡

众所周知，能够准确称量的关键在于跷跷板能否水平平衡，然而由于人眼的局限，难以分辨微小的形变，因此如何更为准确地判断跷跷板水平自然就成为了下一个有待解决的问题.于是教师藉此发问：有什么方法能够帮助我们更为精确地观测跷蹺板是否水平平衡呢？并借机向学生介绍“转换法”.所谓“转换法”，是指在保证效果相同的前提下，将不易观察的现象转换成易于观察的现象，将难以测量的物理量转换为能够测量的物理量的方法.由此带领学生在跷跷板上植入指针与分度盘这套装置，由指针的偏转方向来表征托盘天平中物体质量的孰大孰小，而分度盘中格数的划分则更加精密地反映出天平的倾斜程度.从而为增减砝码提供判据.

5.平衡螺母：消除干扰

至此，托盘天平已初见端倪，接下来，天平将由设计蓝图步入实际操作，此时再次遭遇了新的疑难，即放被测物体之前，托盘质量不等及横梁质量分布不均等问题，皆会造成天平以不平衡的初态“登场”，扰乱后续测量结果的准确性，那么该如何排除这些干扰呢？这里又涉及到一种新的科学方法，即抵消法，是指在无法彻底消除无关变量的前提下，可设法抵消无关变量产生的影响.就上述天平所遇困境而言，可在横梁两端悬挂配重，同时为保证配重在移动过程中能保持稳定与连续，可将配重设计为半固定的、“旋进式”的平衡螺母，并结合学生的日常生活体验，得出平衡螺母的调节准则.

6.游码：测微小量

确保天平在測量之前达到水平平衡后，便开始了我们的测量.在测量过程中有时会遇到“放入最小砝码，指针偏右；取出最小砝码，指针偏左”的情况，相关疑问亦随之而来：如何测量比最小砝码还小的质量呢？这时可指导学生借助刚才所学“平衡螺母”的相关知识进行原型启发，将一定质量的金属块（谓之“游码”）置于横梁前侧的标尺上，使其可自由移动，进而结合标尺数值来测算微小质量.盖因标尺以直尺为原型，零刻线位于最左侧，与游码左侧对齐，由此较好地诠释了“左物右码”的测量规定.需要说明的是，不同于砝码“臂定而寻力等”的平衡物体方式，游码得益于数理工具的进步，采用的是“力定而寻臂值”的制衡物体方式.

三、结语

纵览托盘天平教学的整个流程，师生化身托盘天平的创造者，携手重演天平发明及改进过程中的六个关键环节，以“跷跷板”为设计原型，依次添加“托盘”、“砝码”、“平衡螺母”等天平在研发过程中所需的构件（如图1所示），并借助“解决问题”的问答形式，渗透精密测量的物理观念与精益求精的科学精神，激发学生的想象力与创造力，使其迸发智慧的火花.进一步而言，虽然文中探讨的天平教学思路仅仅是整个初中物理实验教学研究中的一小步，但其背后所蕴含的观念却有着深远的意义，它为物理实验仪器的教学开启了一种新的方式，为其他仪器的教学设计提供了可资镜鉴的模板.

参考文献：

[1]石尧，邢红军.以科学方法为中心实施因材施教的物理教学途径研究[J].课程·教材·教法，2016，36（3）：98-102.

[2]石尧.中学物理过程教学的实践探索[J].中小学教师培训，2017（7）：67-69.