以问题引领思维，用探究生成观念——以“探究杠杆平衡条件”的深度备课为例

卢义刚 陈先明

(1. 金陵中学龙湖分校，江苏 南京 211500； 2. 六合区瓜埠初级中学，江苏 南京 211500)

2017年新课标提出了高中物理核心素养，包含“物理观念”、“科学思维”、“科学探究”及“科学态度与责任”4个部分，其核心内容是“物理观念”.“物理观念”是在“科学探究”和“科学思维”深度参与的基础上，结合“科学态度与责任”，逐步形成起来的.它是学生对物理概念和物理规律内化后所形成的个人新认知,是对物理概念和物理规律的提炼与升华，是从物理学视角解释自然现象和解决实际问题的基础.在物理概念和物理规律中，物理概念本身既是重要的物理知识，又是探究物理规律、构建物理理论的“基石”，在学科知识体系中占有重要的地位，对物理学发展起着承上启下的作用.[1]

“进入新课改后，教师能够意识到在课堂上组织学生针对某一问题开展科学探究，并进行开放式讨论，有效地激发学生“做中学”的热情，提升学生科学思维的能力，促进学生对知识的进一步理解；但这种探究、讨论及思维的参与主要体现在运用知识解决问题的过程当中，而对新的物理概念教学及学生物理观念的形成，建构性思考依然不多”.[2]教师不重视通过科学探究来引领学生思维建构新的物理概念，不重视利用开放式讨论来让学生发展辩证性思维，新的物理概念总是教师“教”出来的，不是学生自我生成建立的；因此，造成在新概念建立过程中，学生思维参与度及深度学习明显不足，学生对概念只是通过死记硬背来强化记忆的，只知道“是什么”，至于“为什么”“怎么来的”一知半解，并没有自己独特的认知和内化，更未能通过提炼与升华形成自己的物理观念，最终导致在应用中屡屡出错，给后续物理学习及对物理的总认知造成“人为障碍”.

1 问题的呈现

在初中物理学习中，力臂是探究杠杆平衡条件的基础也是杠杆分类的依据之一.“目前从国内多种版本的义务教育初中物理教材来看，为了方便地从有刻度的杠杆上直接读取力臂大小，都是先将杠杆调至水平位置平衡后，然后在杠杆左右两边悬挂钩码，接着通过增减砝码或移动悬挂位置，使杠杆在水平位置再次平衡.这样反复实验，测出多组数据，从而探究总结出杆杠平衡的条件.通过这种特殊情况下的教学，使学生获得清晰的力臂表象，在学生的头脑中逐步形成了支点到力的作用点的距离就是力臂的定势思维”.[3]尽管有些教师通过检测反馈等渠道发现了学生这种错误认知，但因考虑到探究的难度，在日常教学中大多数教师依旧回避了力臂概念的探究建构过程，而是通过直接给出力臂的概念，然后利用刷题等手段让学生进行强化记忆，以此来降低难度、加快教学进度，而实际结果却是“欲速则不达”.究其原因除了教师在教学中未意识到引入力臂的重要性和必要性以外，还由于学生没有通过科学探究，利用“做中学”来获得力臂对杠杆转动影响的感性支持，更没有通过思维进行归纳和分析，循序渐进自我生成力臂概念，形成自我认知的物理观念.[4]故而，学生始终走不出“思维怪圈”，遇到较复杂问题时总是不自觉地把支点到力的作用点的距离当做力臂，造成 “屡屡碰壁”.长此以往，学生倍感失落，感觉物理太难学，收获与付出永不成正比，逐渐对物理学习丧失信心，失去兴趣.这样的结果和教师原先期望大相径庭，甚至是背道而驰.

那么，力臂概念的引入和建构在教学中怎样处理才能让学生走出“思维怪圈”呢？如何让学生自发形成杠杆平衡条件就是“动力×动力臂=阻力×阻力臂”的“物理观念”呢？笔者认为，每个物理概念的建立应该是建立在前概念的基础上，或者是通过制造认知冲突，让学生意识到引入这个概念的必要性.由此，笔者在深度备课的基础上，利用自制教具“背后带有同心圆盘的可变形杠杆及可指示力的作用线的带激光测力计”(以下简称“自制教具”)，采取“问题、探究”式的教学设计，在教学实践中取得了良好的教学效果.

2 “探究杠杆平衡条件”深度备课下的教学实践

自制教具介绍：在PVC板上画上等距的同心圆，并标上刻度，便于读数，圆心处钻一小孔，挂在铁架台上；可以绕杠杆支点处弯折的可变形杠杆，挂在铁架台上后杠杆上支点和后面PVC板圆心重合.以下教学过程是建立在介绍了杠杆的定义、杠杆的形状可以是多种多样的以及与杠杆有关的支点、动力、阻力等名词之后，充分利用自制教具进行实验，并结合投屏等信息技术直观地呈现实验结果，使学生在探究后从图像上能直观的自我总结出力臂这一抽象概念，并在此基础上自我形成关于杠杆平衡条件的“物理观念”.

2.1 创设情境，引发学生认知

问题1.大人和小孩怎样才能使跷跷板在水平方向保持平衡呢？

视频展示：大人和小孩玩跷跷板，小孩这边的跷跷板向上翘.

学生探究活动1：利用手中的长直尺、橡皮以及不同的硬币，模拟大人和小孩玩跷跷板.总结出有哪些方法可以让跷跷板重新恢复水平平衡.

问题2.你能总结出杠杆的平衡可能和什么因素有关吗？

(结合刚才探究活动1：总结哪些因素会影响杠杆的平衡，用学过的物理名词来表述)

学生：力的大小，支点到力的作用点的距离、力的方向.

器材呈现：师生调节铁架台上可变形杠杆两端的平衡螺母，使杠杆在水平位置平衡.然后在杠杆后置一个圆心与支点重合的同心等距圆盘(如图1)—自制教具.

问题3.如何调节左侧钩码和位置使杠杆再次在水平位置平衡呢？

学生探究活动2：学生先在杠杆右侧15 cm处挂上2个200 g的钩码，保持钩码的个数和所挂位置不变，然后调节左侧钩码和位置.

实验结论：在杠杆左侧10 cm处挂上3个200 g钩码，或30 cm处挂上1个200 g钩码(如图2).

图1

图2

问题4.你能找出杠杆上的支点、动力、动力作用点、阻力、阻力作用点吗？你能发现杠杠在平衡时它们之间有什么等量关系吗？

学生：动力×支点到动力作用点的距离=阻力×支点到阻力作用点的距离(结论1).

2.2 实验探究，制造认知冲突

图3

问题5.图2中如果将杠杆左侧沿支点O弯折一定角度，结论1还成立吗？

学生探究活动3： 将杠杆左侧沿支点O弯折一定角度后(如图3)，发现杠杆不再保持水平位置平衡.

学生：在动力、支点到动力作用点的距离、阻力、支点到阻力作用点的距离都不变的情况下，杠杆不再保持水平位置平衡，说明结论1是不成立的.

2.3 思行并举，建构物理观念

问题6.在图3中如何移动左端钩码位置使杠杆再次在水平位置平衡呢？

图4

学生探究活动4：多次弯折左侧杠杆，然后调整钩码位置使杠杆再次平衡(如图4).

教师：沿力的方向画一条直线称为力的作用线，发现每次平衡后的动力作用线位置之间有何关系？由此关系你发现了什么距离不变？你认为杠杠平衡时的等量关系应该如何表达才是正确的？

学生：动力×支点到动力作用线的距离=阻力×支点到阻力作用线的距离(结论2).

问题7.你还有什么办法可以证明结论1是不成立的？(提示“力的三要素”在影响力的作用效果)

学生探究活动5：在图2中，用弹簧测力计代替左侧钩码，保持弹簧测力计拉力大小及作用点不变，只改变拉力的方向，发现杠杆不再平衡，进一步得出结论1是不成立.

问题8.支持结论2的证据充分吗？怎么办？

教师：在图2中，保持左侧动力的大小不变，只改变动力方向，如何能使杠杆再次平衡？

学生：移动动力作用点的位置能够使杠杆再次平衡.

教师：多做几组，观察记录支点到动力作用线的距离你能发现什么？

图5

学生探究活动6：实验探究过程见图5，进一步总结出结论2是正确的.

教师：当然，我们也可以将以上实验迁移到杠杆右侧来做，效果同样.

问题9.你能总结出图4、图5的实验是通过什么量来实现杠杆再次平衡的呢？

学生：在动力大小一定时，通过支点到动力作用线的距离来实现杠杆平衡的.

教师：支点到力的作用线的距离既包含了力的作用点又包含了力的方向，说明“支点到力的作用线的距离”是个有意义的物理量，故而我们给它一个特定名称—力臂，即支点到动力作用线的距离称为“动力臂”，支点到阻力作用线的距离称为“阻力臂”.如此，杠杠平衡时的等量关系即结论2可改写为：动力×动力臂=阻力×阻力臂.

2.4 变式应用，深化观念理解

图6

问题10.如图6所示，当动力的作用点P一定时，你能找到使杠杆平衡的最小动力的方向吗？

学生探究活动7：实验探究得出，根据杠杆平衡条件“动力×动力臂=阻力×阻力臂”，在阻力及阻力臂不变的前提下，当动力的方向与支点到动力作用点的连线段垂直时，动力臂最长，动力最小(不一定和杠杆垂直的动力就是最小动力)；同时也再次说明力的方向是影响力臂的.

在以上深度备课下的教学实践中，通过问题引领，借助自制器材，结合实验探究，引领学生逐步建构“力臂”概念，最终形成正确的物理观念.设计中先通过生活中常见的杠杆以及杠杆的定义，让学生自己说出杠杆的3个名词：支点、动力和阻力；再根据学生的认知规律，通过模拟跷跷板实验，对影响杠杆平衡的因素进行猜想，得出杠杆平衡条件的初步观念—动力×支点到动力作用点的距离=阻力×支点到阻力作用点的距离；然后难度升级，将杠杆左侧沿支点O弯折一定角度，发现4个因素都未变，而杠杆不再平衡，从而有效形成认知冲突，对初步观念开始质疑.接着在保持杠杆左端钩码的个数不变，只改变左端力的作用点的位置时，也能实现让杠杆在水平位置保持平衡，从而发现当力的大小相同时作用点不同，却有着相同的作用效果.不难想象这3个力肯定是有共性的不变的量，体现了“求同”思维(如图4).为了使结论2的证据更充分，又通过探究活动6(如图5)，从影响力的作用效果的三要素出发，当力的大小不变时，发现只有当支点到力的作用线的距离不变杠杆才能平衡，步步深入最终发现支点到力的作用线的距离是杠杆平衡中力的作用点和力的方向的整合体现，是一个有意义的物理量，从而很自然的建构出力臂的概念，进而得出杠杆平衡条件的新观念——动力×动力臂=阻力×阻力臂.最后又通过“变式应用”，让学生在科学探究中深化对力臂概念的理解，深化对杠杆平衡条件观念的内化.

3 结语

本次深度备课下的教学实践，笔者利用问题引领学生主动思维，巧妙使用自制教具，让学生通过实验探究和交流讨论，不断去解决相关问题.在问题的解决中，抽丝剥茧、层层深入建构出“力臂”概念，逐步找出杠杆平衡时的等量关系，让学生自发形成杠杆平衡的条件是“动力×动力臂=阻力×阻力臂”的物理观念.希望广大物理教师在教学中要深思精问，立足实验探究，关注思维，使物理核心素养在课堂教学中真正“落地生根”，从而为学生的一生发展奠定坚实基础.