“让天平活起来”的教学设计①

丁志红

(南京师范大学附属中学树人学校,江苏 南京 210011)

1 引言

自2017年起,央视大型文博探索节目《国家宝藏》引发越来越多的人关注文物,实现了“让国宝活起来”的教育功能。该节目融合了纪录片和综艺的表达方式,考古工作则融合了传统考古、实验室考古、科技考古、文物保护的模式。

对照《义务教育物理课程标准(2022年版)》,我们的物理教学也应“坚持创新导向”。本文以“物体的质量”教学为例,以活动为明线,创设情境,改进简易装置,介绍托盘天平的原理、构造和使用方法;以文物为暗线,浸润文化,彰显学科育人价值。

2 测量物体的质量

2.1 用电子秤称量物体的质量

师:在生活中,我们常常借助电子秤来测量物体的质量。请大家测量表1中物体的质量。

表1

设计意图：电子秤是学生在日常生活中常见的测量工具,先在活动中练习使用电子秤,感知身边不同物体的质量,为接下来的“比较”做好铺垫。

2.2 用简易装置估测橙子的质量

我们测量物体的质量如此简单、方便,那古人又是如何测量物体的质量的呢?教师展示图1,这是出土的古代质量测量工具,时间大约是在公元前2500年的埃及第三王朝时期,现保存于伦敦科学博物馆。

图1

师:我们的实验桌上也有类似的装置(图2),如果不借助电子秤,你能估测出橙子的质量吗?你是如何操作的?

图2

生1:将橙子放在一个碗里,在另一个碗里加鸡蛋、一元硬币或纪念币,当横梁水平平衡时,橙子的质量m等于两只鸡蛋加一枚硬币的质量,m=2×55 g+6 g=116 g。

生2:我测量的橙子质量m等于一只鸡蛋、一枚纪念币和6枚硬币的质量之和,m=55 g+10 g+7×6 g=107 g。

师:选用已知质量的物体来替代被测物体,你们很棒。你们在估测时有什么问题吗?

生3:我们这一组将橙子放在左边的碗里,在右边碗里加重物,加少了,横梁往左边偏,再加一个小质量的,又往右边偏,横梁不能水平静止。

生4:若加个质量再小一点的,可能就差不多就平衡了。

师:你们的问题古人也遇到了。那怎么解决呢?观察图3,能不能给你们一些启发呢?

图3

生5:这是用一组大小不同的物体,选择的空间比较大。

生6:这是哪个国家的啊?

师:这是我们国家的!是战国时期的文物——楚木衡,包括一个木质秤杆、两个铜盘,现存于湖南省博物馆,九个铜环权则存于中国国家博物馆。大家有机会可以去看真品。

师:对于古人用的铜环权,人们又做了改进,这就是我们现在看到的砝码。

设计意图：这个环节借鉴了《国家宝藏》节目中文物“前世今生”的设计。有个细节,就是上课前,老师将自制简易装置调成水平平衡。面对这样的装置,虽然没有铺垫杠杆或杠杆平衡条件等知识,但丝毫不影响学生的动手操作,这是意料之外的收获。在分组实验中,发现大部分同学顺其自然地将橙子放到左边的碗里,把鸡蛋、硬币或纪念币放到右边的碗里,选大的物体先放,直到横梁再次水平静止。这为砝码的“出场”、天平的使用做了很好的铺垫。

2.3 天平设计的渐进性探索

教师展示如图4所示的自制教具。

图4

师:用这样的装置可以直接进行测量吗?

同学们异口同声地表示不可以。

师:那要怎样才可以呢?如果给你们提供一块橡皮泥,你们准备怎么办呢?

在真实情境中,两个同学一开始有些不知所措,但在同学们的帮助下,将一块橡皮泥粘在横梁上,发现横梁明显地偏转过来一些,接近水平了,接着尝试将橡皮泥逐渐远离支架,直至到图5中的位置。通过观察学生脸上的表情变化,明显感受到学生在实践中获得的愉悦。这是初步的改进,为增加平衡螺母做铺垫,向左或向右调,可以解决调节在水平位置平衡的问题。

图5

师:此时简易装置在水平位置平衡了吗?你判断的标准是什么?

生:看横梁是否与水平地面平行。或看横梁是否与竖直的支架垂直。

师:哪种方法更方便呢?我这里有三角板,你们来检验一下。

在检验的过程中,两位同学又将橡皮泥的位置做了一定的微调。在教师伸直双臂的肢体语言示意下,同学们想到了方案,有学生说:在横梁上中间的位置向上或向下竖立一个标志,与支架的竖直杆相重合即可。

把指针装上后,同学们发现利用指针可方便地判断横梁是否水平。笔者将带有刻度线的示教板再粘上,效果就显现出来了(图6)。最中间的刻度线相当于将支架的柱体向上进行了延伸。将已平衡的横梁拨动一下,发现指针会围绕中央刻度线左右摆动。

师:在称量过程中,如果遇到横梁向左偏又如何操作呢?

这个问题出来后,学生都明确不能再调节平衡螺母了,只能在右盘里添更小的重物,教师利用这个时机介绍标尺、游码的设计(图7)。托盘天平上为什么有平衡螺母?为什么还有指针、分度盘?这些构造都是基于真实的需要而设计的。

图7

设计意图：在教学中,注重创设真实的情境,利用自制教具,调动学生的积极性,解决以下重要问题:测量前和测量过程中如何调节天平平衡?从教学策略上看,将解决测量前的问题作为重点,看似只请了两位同学上台演示,实际上所有的学生都被吸引并参与进来。没有机械的说教,没有呆板的演示,教师只在关键的环节进行引导、点拨,全程是学生自己动脑筋,在实践中寻找解决问题的方法。

2.4 用托盘天平测量橙子的质量

学生通过活动,经历了使用托盘天平的过程。如何读出游码所示质量?因游码本身有一定的宽度,引导同学注意观察游码在最左端时,是哪一端与零刻度线对齐,帮助同学们化解读数难点。通过前后两次测量橙子质量活动的对比,学生认识到:测量工具越精密,测量误差越小。

3 结语

在教学中安排多次的测量活动既是对古今测量质量工具的对比,也是对人类智慧的认知。知其然而知其所以然,从无到有,从粗略到精准,测量工具的每一进步都是基于实际问题解决的创新。融合文物的设计,经历改进设计的过程,可培养学生的探究能力和创新能力,让教学更富有内涵。