在初中物理深度学习中发展核心素养——以“杠杆”教学为例

云南师范大学物理与电子信息学院（650500）刘荔鑫 徐晓梅

所谓深度学习，就是在教师的引导下，学生围绕具有挑战性的学习主题，全身心参与体验成功、获得发展的有意义的学习过程［1］。相对三维目标，2017 年版普通高中物理课程标准中明确的物理学科核心素养，站在一个更高的物理文化层面对物理教学提出要求，要求从“知识为本”转向“观念建构”，在“观念建构”过程中让学生形成从物理的视角认识事物和解决问题的思想、方法、观点［2］。从中学物理教学现状来看，部分教师习惯直接向学生灌输知识，使学生难以独立探究解决问题的方法，使教学出现浅表化现象。深度学习强调学习是学习者主动参与、积极建构的过程，注重批判性理解、知识迁移、创造性地解决问题以及高阶思维的应用。这些与核心素养的内涵不谋而合，所以说深度学习能够发展学生核心素养。

本文从深度学习的联想与结构、活动与体验、本质与变式、迁移与应用以及价值与评价五个基本方面来设计教学，下面以“杠杆”教学为例，从深度学习的基本特征出发，将深度学习渗透于各教学环节中，探索提高学生物理学科核心素养的教学。

一、教学目标

依据课程标准、教学内容和学生实际，设置合理的教学目标用以引导学生深度学习。

1.通过生活体验，学会从生产生活中相关的工具归类得出“杠杆”这一简单机械［3］。在杠杆和力臂概念的建构过程中，培养模型建构的科学思维。

2.在探究力臂的概念实验中，通过小组合作探究，加深对科学探究过程的认识，锻炼科学探究能力。

3.通过对生产生活中杠杆的认识，解决实际问题，加强物理与生活的联系，提高学习物理的兴趣；通过经历实验探究的过程，培养科学严谨、实事求是的态度和合作交流的品质。

二、教学过程

（一）趣味游戏，导入新课

准备一个拉环损坏的八宝粥罐子，选择能够快速且容易打开盖子的工具。工具有筷子、螺丝刀、皮尺、铁丝、薄木板、绳子以及钥匙。请每个小组派代表上台，展示自己用所选工具开盖的效果。

根据展示结果提出如下两个问题：

问题1.为什么皮尺、铁丝、绳子和薄木板均无法打开盖子？

问题2.在使用筷子、螺丝刀、钥匙打开盖子的过程中，发现它们有什么共同特征？

引导学生分析得出杠杆的定义：一根硬棒，在力的作用下能够绕着固定点转动，这根硬棒就是杠杆。

设计意图：通过活动和体验激发学生的学习动机，使学生能够迅速进入深度学习状态。将杠杆的概念与生活经验联系起来，使学生对杠杆概念的认知从感性上升到理性，形成正确的物理观念，发展系统化思维。

（二）引导学生深度体验，建构物理模型

展示生活中常见的杠杆：镊子和羊角锤。

师：如图1 和图2 所示，在二者的使用过程中，支撑点分别在哪？哪些力阻碍它转动？哪些力使它转动？

图1 镊子

图2 羊角锤

生：在使用镊子的过程中，支撑点在镊子的尾部O点，手对镊子施力使得镊子转动，物体对镊子首端起阻碍作用。在使用羊角锤的过程中，支撑点在羊角锤头部的中点O′处，手在A′点对它施加力使其转动，钉子在B′点阻碍羊角锤转动。

［归纳总结］

支点：杠杆可以绕其转动的点。

动力：使杠杆转动的力F1。

阻力：阻碍杠杆转动的力F2。

设计意图：学生在观察和分析问题时，能够从生活中常用工具抽象出杠杆模型，形成建构物理模型的能力，发展科学思维。

师：知道了什么是支点、动力和阻力，下面学习杠杆的另一个要素——力臂。

师：请同学们观察图3，跷跷板在A，B两种情况下分别处于什么状态？

图3 跷跷板

生甲：A是平衡状态，B是非平衡状态。

生乙：A，B都是平衡状态。

（针对不同的看法，请学生分组讨论。）

师：当物体在几个力的作用下处于静止或者匀速直线运动时，我们就说这个物体处于平衡状态。

师：也就是说当杠杆在动力和阻力作用下静止时，我们就说杠杆平衡。

师：那么杠杆的平衡与哪些因素有关呢？

设计意图：本环节通过镊子和羊角锤的使用，引导学生将生活中对杠杆的认识抽象为杠杆的物理模型，认识杠杆的要素，发展科学思维。通过跷跷板的情境，产生认知冲突，重新建构杠杆平衡的概念。

（三）深度探究，建构力臂概念

实验仪器：自制杠杆、沙袋、弹簧测力计。

问题1.作用在木棍上的任意位置，用的力是一样大吗？

猜想：（1）靠近支点的位置省力；（2）远离支点的位置省力。

实验1.如图4所示，在木棍一端挂上沙袋，在木棍另一端A，B两个位置分别用弹簧测力计将沙袋提起至水平位置平衡，记录弹簧测力计的示数。重复以上操作3次。

图4 实验1

表1 实验1记录

结论：杠杆的平衡与力的大小有关，并且力的作用点距离支点越远，所用的力就越小。

问题2.当我们在离支点的最远端施加力时，将沙袋提起到同一位置，是不是无论力的方向朝哪，用的力都是一样大的呢？

实验2.如图5 所示，在木棍的最远端，用弹簧测力计朝着如图5 所示1、2 方向拉动杠杆，待杠杆水平平衡后，读出弹簧测力计的示数，重复3 次，将数据记录到表格中。

图5 实验2

表2 实验2记录

结论：杠杆的平衡与力的方向有关，当力的方向垂直木棍的时候，所用的力最小。

问题3.能否把力的方向的改变归结为某个距离的改变？

师（黑板作图）：只改变力的方向，支点到力的哪个距离发生了变化？

生：支点到力的作用线的距离发生了变化。

师：从图中可以发现，当力垂直于杠杆时，支点到力的作用线的距离是怎样的？

生：最长的。

师：当力不垂直于杠杆时，支点到力的作用线的距离就会变小，我们把表示从支点到力的作用线的距离的线段称为力臂。

师：因为杠杆有动力与阻力，所以力臂也分为什么？

生：动力臂和阻力臂。

师：大家一起总结一下力臂的画法。首先找出支点，然后画出力的作用线，结合数学中点到线的距离可知，过支点向力的作用线作垂线，这条垂线段就是力臂。

设计意图：深度学习强调学生的亲身体验，通过探究实验，加深对影响杠杆平衡要素的理解，培养科学探究能力。同时，通过问题组层层深入，经历力臂概念的建构过程；通过对数学知识迁移运用，将零散的知识结构化、体系化，以融会贯通的方式学习力臂的作图方法。

（四）深度理解，探究杠杆平衡条件

1.探究杠杆的平衡条件

通过刚才的学习，我们知道了杠杆的平衡与动力、阻力、动力臂、阻力臂有关，那么当它们满足什么关系时杠杆才能平衡呢？

问题1.要知道这四个物理量满足什么关系，首先就要测量出这四个物理量的大小。动力和阻力可以通过砝码的质量计算得出，力臂怎样测量最容易呢？

师：根据前一环节“力臂”的学习，知道当力垂直于杠杆时，力臂最容易测量。

学生小组讨论，展示实验设计方案。教师完善实验方案后，引导学生分组进行实验。

［实验仪器］杠杆、砝码。

［实验过程］

a.调平杠杆，在杠杆的左右两侧12 cm 处各挂一个重为2 N 的砝码，此时发现杠杆处于平衡状态，将支点右侧规定为阻力，然后把数据记录在下面的表格中（见表3）。

表3 实验3记录

b.将左侧砝码加为4 N，位置仍为12 cm，此时杠杆发生了偏斜，保持阻力不变，移动砝码的位置直至杠杆平衡，则此时砝码位置是多少？

c.将左侧砝码减小为2 N，移动至24 cm 处，此时保持阻力砝码的位置为24 cm，阻力为多少时可以使杠杆平衡？

d.将左侧砝码调整为4 N，距离调整为24 cm，此时阻力侧砝码的质量和位置分别是多少时可以保证杠杆平衡？

实验结论：分析表格中的数据可以得到杠杆的平衡条件：F1L1=F2L2。

设计意图：注重设计与评估的科学探究是初中物理深度学习的典型特征之一［4］。在本环节中，学生经历杠杆平衡条件的科学探究过程，培养科学推理能力，进一步加深对力臂的理解。学生收集数据、分析数据的能力得以锻炼，养成了实事求是的科学态度。

2.杠杆的分类

师：我们已知动力×动力臂=阻力×阻力臂，那么在“动力臂>阻力臂”“动力臂<阻力臂”“动力臂=阻力臂”这三种情况下，动力和阻力的关系分别是什么样的？

让学生给杠杆命名，并将表4填写完整。

表4 杠杆分类表

（五）举一反三，进行深度评价

在本节课的评价环节，主要通过练习题检验学生的学习情况，下面举例说明。

练习题1：请同学们画出图6所示的三个杠杆的力臂示意图。

图6 练习题1

练习题2：请同学们举例说明生活中的杠杆。

设计意图：把握事物的本质，是建构知识结构的前提，也是以简驭繁、削枝强干的前提［1］。抓住力臂的本质，才能举一反三。学生通过解答练习题提升知识深度加工能力，实现知识的迁移与应用。通过对生活中杠杆的举例，检验学生对杠杆定义和五要素的掌握情况。通过对变式题的解答，教师可以对学生进行过程性评价，学生也能对本节课的学习情况进行自我批判与反思。

三、教学反思

在本节课中，首先通过趣味游戏引入新课，激发学生深度学习；其次通过问题组与探究实验，引发学生的认知冲突，建立力臂的概念；再次通过设计实验，探究杠杆的平衡条件；最后利用变式题，检验本节课的学习效果。