培养学生物理核心素养的实验创新设计

梅立芳

摘 要：在基础教育改革不断推进的大背景下，培养学生的“核心素养”成为当今教育领域备受关注的课题.如何通过实验创新设计来培养学生的物理核心素养呢？笔者将以“探究杠杆的平衡条件”为例，具体阐述教师通过开展实验创新设计，使学生从科学探究的真实体验中领悟概念和规律，促进学生核心素养发展的实验教学思路.

关键词：核心素养，创新实验

文章编号：1008-4134（2020）08-0048    中图分类号：G633.7    文献标识码：B

在基础教育改革不断推进的大背景下，培养学生的“核心素养”成为当今教育领域备受关注的课题.物理核心素养是物理学科育人价值的集中体现，是学生在接受物理教育过程中逐步形成的适应个人终身发展和社会发展需要的关键能力和必备品格，是学生科学素养的重要构成.物理核心素养主要由“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”四个方面的要素构成.物理是一门以实验为基础的学科，实验在物理教学中起着举足轻重的作用.但是，目前学生在学习物理方面存在着诸多问题：由于物理“难”导致学生对物理学习失去兴趣，由于学生“缺乏生活经验”导致所学知识不能灵活应用，由于课堂上教师对“实验教学”不够重视导致学生动手能力差，科学探究的能力不能得到有效培养等等.笔者认为，解决现存问题的一条有效途径就是开展创新实验设计，使学生从科学探究的真实体验中，领悟物理概念和规律，促进物理观念的形成，培养科学思维，养成良好的科学态度与责任，从而促进学生核心素养的发展.

1 教材中的实验方案

“杠杆”是鲁科版初中物理八年级下册第九章第一节的内容.“杠杆”一节在本教材中的作用非常重要，它既是前面力学知识的延伸，又是后续内容“其他简单机械”探究学习的开始.本节的学习任务分成两个板块，第一个板块是完成对杠杆的初步认识，了解杠杆的五要素，第二个板块是实验探究杠杆的平衡条件.教材中探究实验是这样设计的：

如图1所示，实验前调节杠杆使其在水平位置平衡.在杠杆的左右加挂钩码充当动力和阻力，通过测量两侧钩码的重力可知动力F1和阻力F2的大小.另外，从杠杆上直接读出动力臂L1与阻力臂L2的大小.分析数据，得出杠杆平衡条件.

笔者结合学生学习过程中提出的问题，以及自身在教学中的一些思考，对本实验进行了如下创新设计.

2 实验创新设计

问题1：调节杠杆在水平位置平衡要靠“目测”，这样是不是太草率？

物理是一门实验学科，而物理实验教学的目的之一就是要培养学生严谨的科学态度.该实验中杠杆是否水平需要靠目测，确实不够精确，在实验课上笔者听到了学生这样的对话：

同学a：杠杆这样平衡了吗？

同学b：差不多就行.

当时听到“差不多”这个词的时候感觉特别不舒服.如此严谨的一门学科，课堂上却出现了如此“不严谨”的词语，确实不利于对学生科学态度的培养.因此笔者引导学生对装置做了如下改进（如图2所示）：由“天平的分度盘”得到启示，可以引导学生在杠杆的支架上也加一个分度盘，杠杆的支点处固定指针，让指针与杠杆垂直，并借助“重垂线”使分度盘的零刻线竖直，当杠杆上的指针指在分度盘的零刻线时，表示杠杆在水平位置已经平衡.

问题2：杠杆是不是只有静止在水平位置才算平衡？

教材中杠杆平衡的定义是这样的：杠杆在动力、阻力作用下静止或匀速转动，我们称之为“杠杆平衡”.对于这句话的理解可以分为两个层面：一是杠杆静止或匀速转动都属于杠杆平衡，二是杠杆静止在水平位置和静止在其他位置也都是平衡.

实验时可以再借助分度盘，先探究杠杆静止在水平位置的平衡条件，再让杠杆静止在某一倾斜位置进行探究（如图3所示）.探究杠杆在倾斜位置的平衡条件时，只要保证每次指针指在分度盘的同一条刻度线，就可以保证每次杠杆倾斜的位置相同，从而使学生正确理解“杠杆平衡”的定义.

但是当杠杆倾斜时，其动力臂和阻力臂都不能从杠杆上直接读出.

为了测出动力臂和阻力臂的大小，笔者制作了自制教具：“力臂测量仪”. 如图4所示：力臂测量仪就是一个十字交叉直尺，中间的刻度尺用来测量力臂，与刻度尺垂直的无刻度的黑色“直杆”可以左右移动，代表力的作用线.如图5所示，先使支点与力臂测量仪中刻度尺的零刻线对齐，然后移动无刻度的“直杆”，使其边缘与力的作用线重合，这样力臂就可以从刻度尺上读出了.

问题3：两侧钩码的重力就是杠杆的动力和阻力吗？

杠杆在水平位置保持平衡，钩码在重力的作用下对杠杆产生拉力，是拉力分别充当了杠杆的动力和阻力.只不过此时由于“重力和拉力的方向重合，大小相等”的巧合对学生造成了误导.由此笔者想到：教材中的实验设计虽然操作简单，但在探究“杠杆平衡条件”时具有很大的局限性，甚至使学生产生了一些错误的认知.具体还体现在以下几个方面：

一是动力和阻力的方向只能竖直向下.

二是只能完成动力和阻力在支点两侧的实验探究.

三是容易造成对“力臂”概念的错误理解.实验中要求使杠桿在水平位置平衡，动力和阻力的方向竖直向下，这样其动力臂和阻力臂都可以直接从杠杆上读出.从操作的角度来看，这样的设计使力臂的测量变得更简单.但最大的问题是，学生所要测量的力臂正好等于支点到力的作用点的距离.在学生刚刚学完力臂的概念之后，这种处理恰恰又强化了学生对力臂的错误认知，即认为：“力臂就是支点到力的作用点的距离”.从心理学角度来看，学生亲自动手实践获得的认知会更深刻.这种“错误认知”的强化正是在具体的实验中发生的，它无疑会影响学生今后的学习.基于以上分析，笔者对该实验进行了以下改进：

改进1：将杠杆一侧钩码的拉力用测力计代替（如图6所示）.

这样的好处是：纠正了学生“钩码重力充当动力和阻力”的错误认识，更重要的是这样既可以任意改变力的方向，又可以分别探究动力和阻力在支点同侧和异侧的情况，突破了原有实验的局限性，使实验探究的过程更具有普遍性，结论更具有说服力.

但是如图6（中）图所示，左侧动力臂L1可以直接从杠杆上读出，右侧阻力臂L2则不能利用上述方法进行测量，这种认知冲突的产生恰恰强化了学生对力臂概念的正确认识，通过比较知道“力臂恰好等于支点到力的作用点的距离”只是一种特殊情况.但以上改进随之带来的问题是：增大了阻力臂L2的测量难度，此时我们可以再次利用“力臂测量仪”测出阻力臂.

那么问题又来了：在实际操作时，如果一只手拉动测力计使杠杆保持平衡，另一只手再利用力臂测量仪完成测力臂的动作几乎是不可能的，这就需要两个同学共同完成测量，操作起来很不方便.

改进2：利用数学中圆的相关知识构建直角，测量力臂.

如图7中甲、乙的两种方案：

图7甲是利用了“圆的切线垂直于过切点的半径”，图7乙是利用了“圆的直径所对的圆周角是直角”.

从原理上来讲，两种方法都可以利用数学知识将拉力对应的力臂测出来.下面，笔者从实验的可行性角度来分析一下两种方案的利弊.

图7甲：当在杠杆上同一点施加拉力时，图7甲中和圆相切且让杠杆保持平衡的拉力方向只有两个，一个是斜向左下方、另一个是斜向右下方，也就是说同一点施加的拉力方向不能任意改变，而且当拉力方向斜向右下方时，是拉力方向的反向延长线与圆相切，操作很不方便.

图7乙：当在杠杆上同一点施加拉力时，图7乙则可以任意改变拉力方向，并顺利找出拉力对应的力臂进行测量.因此笔者最终确定利用图乙进一步完善实验装置，如图8所示.

将杠杆固定在一个直立白板上，借助重锤线使白板处于竖直状态.白板中央固定白纸，白纸中心（与杠杆支点重合）处画了分度盘，便于观察杠杆是否在某一位置平衡，同时，白纸上以支点为切点在杠杆两侧分别画了几个不同半径的圆，方便在杠杆上不同位置施加拉力并测量力臂，如图9所示，我们将拉力作用线与对应圆的交点B找到，然后用刻度尺测量OB的长度即为力臂的大小.

3 教学反思

本课最大的亮点是在设计上采用了实验探究的学习模式，通过创新实验设计，引导学生多方位、多角度地参与实验探究.实验中学生经历了力臂概念的建构过程，既探究了杠杆水平时的平衡条件，又探究了杠杆在倾斜位置时的平衡条件，增加了实验的普遍性，培养了学生严谨的科学态度.

物理学习的主要目的不仅是学习物理知识，更重要的是使学生通过学习物理知识，学会学习，学会探究，形成正确的物理观念.在教学中，教师要注重科学探究的教学，要引导学生在探究中领悟物理的研究方法，掌握一定的實验技巧，形成应用数学知识处理物理问题的能力，同时养成正确的科学观和价值观.反思这节课，笔者越来越多地感受到物理教师不能墨守陈规，尤其在探究实验的设计环节，勇于突破原有实验的局限性，师生共同探索，多角度寻找改进措施，从而有助于达到最佳的实验效果，切实提升学生的物理学科核心素养.

参考文献：

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[4]潘晓云.基于核心素养下的物理实验创新设计[J].课程教育研究，2018（28）：158-159.

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（收稿日期：2020-02-10）