利用真实情境促进学生思维进阶——以“杠杆”教学为例

焦 明

(南京师范大学附属中学树人学校，江苏 南京 210036)

在苏科版物理九年级第十一章第一节“杠杆”中，先通过“拔钉子”活动体验生活中三种杠杆的使用过程，归纳出杠杆的定义；然后以螺丝刀撬图钉为例，直接给出了与杠杆有关的五个名词，即杠杆五要素。在授课中，笔者发现学生采用机械记忆的方法学习力臂概念，学习效果并不好。很多学生在后续的学习中还是不能正确理解力臂的概念,而且因为没有深入理解，容易遗忘，导致在画力臂或分析力臂时遇到困难。

学习进阶理论指出：学生的学习过程是从简单到复杂，连续地推理认知、发展的过程。[1]杠杆在生活中是随处可见的简单机械，对学生来说，虽然没有深入研究，但有很多的生活体验。《课程标准》要求教学要“从生活走向物理，从物理走向社会”。如果教师能够从学生认知的角度创设贴近生活的真实情境来展开杠杆的概念教学，将大大降低学生理解的难度，激发学生学习的兴趣。以下是笔者基于上述思考进行教学设计，取得了较好的教学效果。

1 精选生活情境，激发学习兴趣

本节课以实验视频的方式引入：身强体壮的父亲和稚气的孩子进行了一次关于力量的较量：拉起重达两吨的汽车。结果是爸爸费了九牛二虎之力，汽车纹丝不动；一年级的儿子略微用力，轻松获胜(图1)。

图1

实验视频取材于生活中真实发生的事件，贴近学生的生活。虽然很多学生能预想到实验的结果，但真实情境引发的认知冲突还是一下子激发了学生的求知欲。让学生对这个能起到“四两拨千斤”神奇作用的机械——杠杆产生了浓厚的兴趣，为接下来的学习做好铺垫。

2 通过情境类比，建立抽象模型

科学建模教学理论的提出者海斯特斯指出：“物理研究(学习)的过程即是对自然世界建模的过程。”模型建构是核心素养中科学思维的要素，[2]而初中生的思维正处于从形象思维到抽象思维过渡的阶段， 建构模型更应该以真实情境为抓手。

所以在这节课中，笔者先让学生充分体验生活中熟悉的三个情境：用起子撬起钉子、用剪刀剪断绳子和用镊子夹取物体(图2)，并向学生分别提出3个问题：

图2

(1) 杠杆的材质在软硬程度上有什么共同点？

(2) 杠杆在工作中发生了怎样的运动？

(3) 在什么条件下，杠杆才能发生这样的运动？

依据生活体验学生能很快总结出：杠杆是一根在力的作用下绕着固定点转动的硬棒。这样，学生不仅对杠杆的定义加深了印象，能够舍弃次要因素，抽取出这些机械的共同特点，建立杠杆模型。

3 通过生活应用，激发认知冲突

建立杠杆模型只是第一步，本节课的教学难点是力臂概念的建立。在杠杆五要素中，对于支点、动力、阻力的概念学生很容易理解。但由于生活经验的局限性，多数学生对力臂缺乏准确的认识，会认为支点到力的作用点的距离就是力臂。在这样的情况下，如果教师只是简单地告知学生力臂的科学概念,学生只能是囫囵吞枣，还是会回到原来错误的前概念。在授课中，教师不仅不能回避学生对力臂有错误认知的事实，反而要多加利用。可以创设生活情境，激发认知冲突，帮助学生转变概念。这节课中，笔者共创设了三个生活情境，帮助学生完成对力臂概念的学习进阶。

图3

(1) 进一步体验剪刀剪绳子的过程。将绳子由A点向C点方向逐渐靠近支点O,在手位置不变的情况，体验剪断同样一根绳子所需要的力大小是否相同(图3)。学生发现：越靠近支点，剪断绳子需要的力越小。

(2) 进一步分析孩子拉动汽车的原因。教师带领学生对之前视频中“父子较量”进行受力分析(图4)，引导学生思考孩子获胜的原因，此时多数学生通过分析，认为是支点到力的作用点距离很大。

图4

(3) 利用实验激发认知冲突。教师通过实验再现视频中的情境：利用杠杆可以用较小的力F1拉起较重的物体(图5)。但当改变F1的方向时，弹簧测力计的示数会明显增大(图6)。对比两次实验，教师带领学生继续分析：在实验的过程中，支点到动力和阻力作用点的距离并没有发生变化，到底是什么因素导致了动力大小的变化呢？

图5

图6

三个生活情境环环相扣：第一个生活情境重在让学生体验、感受力臂的存在，发现随着力臂的变化，动力大小在逐渐发生变化；第二个生活情境重在让学生观察，引导他们尝试建构力臂的概念，虽然可能存在一定的错误，但胜在独立思考；第三个生活情境重在让学生分析，利用实验激发认知冲突，为后面准确建构力臂的概念埋下伏笔。

通过对三个生活情境进行对比分析，能够有效拉近学生与力臂这一陌生概念的距离；而且通过三个生活情境激发了认知冲突，深化了学生对力臂概念的思考。

4 通过实验释疑，提升思维品质

在激发了认知冲突之后，笔者设计了下面的实验：在一根直杠杆两端各固定两片完全相同的均匀打孔的铁片,在两块铁片上分别悬挂两个质量相等的挂钩，左右两侧各悬挂一定数目的钩码使杠杆保持水平平衡。在本次实验中，左侧悬挂4个钩码，动力臂为12 cm；右侧钩码用挂钩悬挂在右侧铁片上，阻力臂为24 cm(图7)。

图7

师：此时杠杆已处于水平平衡，如果将右侧钩码的悬挂点由A点换成B点，杠杆还能保持水平平衡吗？

学生讨论后，大部分同学不置可否。有的同学觉得不能保持，有的同学觉得能够保持。教师实验后发现杠杆还是继续保持水平平衡。

教师引导学生分析这次实验的杠杆模型，发现此时支点到力的作用点的距离在逐渐变大，而杠杆始终保持水平平衡(图8)。那到底是什么因素会影响杠杆的平衡呢？经过讨论后学生会发现：在这次实验中，支点到力的作用线的距离一直没有发生变化！是不是支点到力的作用线的距离才是影响杠杆平衡的因素呢？

图8

为了进一步验证，教师引导学生对之前图5和图6所示的实验进行分析(图9、图10)。通过作图，学生发现：在拉起重物的过程中，虽然支点到动力作用点的距离没有发生变化，但斜拉时，支点到动力作用线的距离明显变小了，所以所需要的动力就变大了！此时学生便能顺利地总结得出力臂的概念了。

图9

图10

物理来源于生活，又应用与生活。我们在教学中应该以学生看得见、摸得着的真实情境为抓手，贴近学生生活，才能引领学生从感性认识向理性认识发展；从学生真实的认知水平出发，才能真正地激发他们的学习兴趣，提升学生的核心素养。