核心素养视角下对“探究杠杆的平衡条件”实验的再思考

陈桥育　闪芳芳

摘  要：在探究杠杆平衡条件的实验中，通常有三个疑问：为什么选择杠杆（质量分布均匀）的中心作为支点？为什么要使杠杆在水平位置平衡？为什么杠杆的平衡条件是F1 L1=F2 L2？对于这三个经典的疑问，简单的处理并不能很好地解决学生的疑惑。教学中，教师应引导学生勇于质疑并设计实验进行实践，分析比较经典实验的优缺点，反思根据疑问设计的实验的优缺点，培养学生科学探究的意识和能力，从而发展学生的核心素养。

关键词：探究；实验；杠杆平衡条件

“探究杠杆的平衡条件”作为探究类学生必做实验，承载着深化对物理规律的认识、培养科学探究能力、凸显物理实验育人功能的作用。笔者认为更重要也更难实现的目标是科学探究意识和能力的培养。科学探究意识和能力是比科学内容更高、更具方法论的目标，这个目标的实现需要一个漫长的学习过程，需要教师在平时的教学中具有这样的认识和意识，并结合科学内容载体在学生两年的初中物理学习过程中不断进行培养，从而发展学生的核心素养。

1  一样的问题，不一样的思考

好奇是求知的动力，质疑是创新的起点。要想培养孩子的好奇心，教师必须言传身教，潜移默化。下面结合笔者和学生在探究杠杆的平衡条件的实际教学中经常遇到的一些疑问进行一些深入思考，并结合初中物理教学的特点提出一些建议。

问题1：为什么选择杠杆（质量分布均匀）的中心作为支点？

有些初中学生在平时的学习生活中已经积累了一些有关机械方面的初步认识，有些孩子也能认识到人们使用的杠杆并不都是等臂杠杆（如塔吊、筷子、钓鱼竿、扳手、镊子等），为什么在探究杠杆的平衡条件时都选择了等臂杠杆的模型呢？

教师在教学时可以引导学生自行设计实验并进行初步尝试，这个环节可以视情况在新课前布置，也可以考虑在新课结束后拓展环节布置，科学探究能力的培养是需要时间和精力的，教师要学会“舍”——投入适当的时间和精力，不要太着急赶进度等，这样才有可能“得”——培养学生的探究意识和探究能力，发展学生的核心素养。

如图1所示，在实际的探究实验中往往考虑方便简单，更容易操作。选择匀质杠杆的中心作为支点就是出于这个考虑。这也说明如果没有选择匀质杠杆的中心作为支点不代表这个实验无法进行，例如塔吊类的杠杆，只不过操作更复杂一些。如图2所示，支点不在杠杆中心时，如果选择恰当的配重也可以使杠杆在水平位置平衡（为什么一定要水平，这个问题将在第二个问题中讨论），调节平衡后也可以正常进行实验。通过发散的启发式引导，保护学生的好奇心，鼓励学生敢想，并勇于实践。

平时的教学中，往往都用避免杠杆自重对平衡的影响来解释这个问题，但往往不能解决学生的疑问。所以，笔者认为此时可以在肯定学生好问善思的基础上，与学生一起探讨如何更好地解决问题。

在探究杠杆的平衡条件时，不一定非要选择中心作为支点，选择其他位置作为支点也是可以的，只不过需要通过不同的配重使杠杆在实验前能够在水平位置保持静止，从而可以消除杠杆自重对实验的影响。

在后续的拓展中，可以更进一步引导学生思考不增加配重调节时是否能够完成实验？（迁移到天平在使用前调节天平平衡时游码没有归零的使用情境）

如图3所示，实验前在选定的位置（根据需要确定，任意选择）用弹簧测力计拉住杠杆使其在水平位置平衡，并记下此时弹簧测力计的读数F，姑且称为“调零”。接下来即可正常进行实验（弹簧测力计的位置不可变化，钩码的位置可以随意变化，若想更换弹簧测力计的位置则要重复上述的“调零”步骤），记录实验数据的时候要注意弹簧测力计的示数F'应该减去“调零”时的示数F才为动力F1，即F1=F'- F。

通过上述两种方法都可以避免杠杆自重的影响，也可以进行探究实验，所以笔者认为在解释为什么选择杠杆中心作为支点时，仅仅回答避免杠杆自重的影响，既不能更好地解释学生心中的疑问，也不能体现探究实验的初衷。更合理的解释应该为在实验过程中需要考虑杠杆自重的影响，但会使探究实验难以操作，在进行实验设计时应尽量选择直观的模型和简单的方案。选择杠杆中心作为支点进行实验就是为了更方便简单地进行探究实验。

问题2：为什么探究实验过程中都要使杠杆在水平位置平衡？

关于这个问题，一般从两个方向解释：一是避免杠杆自重的影响，二是方便测量力臂（可以直接从杠杆上读出力臂）。在这样的限制下，学生会感觉物理规律的得出怎么有那么多限制条件，从而对这些定律的普适性是有疑惑的。为了让学生更好地认识到探究实验的意义和作用，笔者认为有必要与学生一起深入研究，勇于尝试，从而让学生在探究的过程中更好地认识科学知识、学会探究方法，培养学生的科学态度、科学精神等。

笔者认为在探究实验中，如果每次都能使杠杆在同一位置平衡，也是可以进行实验的。如图4所示，将杠杆进行适当改造，设置类似于天平的指针和中央分度盘，用以记录天平在非水平平衡时的位置，以便后续探究实验过程中再次找到该位置。在这个环节需要引导学生理解模型和真实情境之间的差异，生活中的杠杆很多情况下并不是在水平位置平衡的，探究实验需要将其模型化、简单化，但不能失去普适性。理论上杠杆在任意位置平衡都能探究得到杠杆平衡条件，但需要在整个实验过程中保证杠桿每次都在同一位置平衡，当然此时力臂的测量会成为一个难点。经过这一环节的讨论和探究，学生能够明白杠杆在非水平位置平衡也是满足杠杆平衡条件的。实验中主要还是基于实验操作的简单与方便选择在水平位置进行实验。

问题3：为什么杠杆的平衡条件是F1 L1=F2 L2？

探究实验前，我们是不知道结果究竟如何的，这是科学发展史上普遍存在的，科学概念和规律都是人们在不断的研究中利用智慧逐渐发现的，所以在探究过程中要充分引导学生进行猜想与假设，注意猜想与假设的逻辑性和科学性。还可以适当介绍一些科学发展史的故事，很多时候猜想与假设都是基于人们的生活经验、认知水平和思维水平等因素的。

对于杠杆的五要素，很多学生“知其然，而不知其所以然”，在探究杠杆平衡条件时可以再次引导学生理解“其所以然”。特别是影响平衡的“力臂”究竟是“支点到力的作用线之间的距离”还是“支点与力作用点之间的距离”，在实验中可以增加如图5所示的环节加以突破，通过实验记录表格体现出来，如表1所示。

在实验时，固定钩码数量和悬挂位置不变，分别在A、B、C 三个位置沿F1、F2、F3三个不同方向但都与圆O相切的方向进行实验，通过这一简单的实验操作，根据实验数据进行分析论证，可以让学生更深入地认识到影响杠杆平衡的因素之一的“力臂”的具体含义。

沪科版的教材中也有分析数据、发现规律时作出了一些必要的示范和引导，这种示范和引导更能凸显科学探究的意义和作用，这样的环节才能算得上真探究而非假探究，这个环节的具体思路如下：

第一步，先引导学生认识记录的数据的类别，一组是力，一组是距离，这是两种不同的物理量；

第二步，再引导学生思考、猜想这些物理量背后可能满足的规律；

第三步，根据数据分析讨论哪些猜想可能是正确的。

当然在学生进行数据分析寻找规律时，也可以引导学生优先考虑数学工具中简单的四则运算。

在第一步的基础之上，可以减少学生的不符合物理意义的猜想与假设，就算部分学生提出了力与力臂之间的“加减运算”，教师也可以在引导学生分析哪些猜想不合理基础上将之排除。因为不同物理量之间的“加减运算”没有物理意义。

排除了“加减运算”，简单四则运算中只剩“乘除运算”，对学生的猜想进行分类，如表2所示，从而使后续验证更方便简单，优化探究过程。

2  行动中的核心素养——几点建议

基于上述三个问题的思考，笔者提出以下几点建议：

（1）重视科学探究，过程大于内容。物理课程旨在促进学生核心素养的养成和发展，科学探究作为核心素养的一个方面有其不可忽视的地位。教师要从思想上真正认识到科学探究对物理学习的重要性，认真学习《义务教育物理课程标准》中有关科学探究的要求，并积极结合科学内容思考更好地开展科学探究的形式和侧重点，不追求每次都面面俱到；在科学探究的教学过程中，学习过程比学习内容更重要，也就是学习的思维、能力比知识更重要，教师在教学时需要以科学内容为载体，采用科学探究等多种学习形式和过程，既要提高学生的认知水平，也要提高学生的科学素养。

（2）避免“急功近利”，多挖掘深思考。教师在实际的教学中，对于科学探究，不可“急功近利”，简单解释和面对学生的疑惑、直奔结果（教学目标的科学内容）而去往往会造成学生物理观念模糊，不能以科学的思维去思考問题，妨碍科学态度与责任的形成，不利于学生核心素养的发展。

（3）引领示范，言传身教。教师自身需要有对科学的热爱，对新事物的探索精神，愿意积极投入实践。教学中根据学生的疑问积极开展探究实验，以科学探究解释探究实验中的疑问，在言传身教中培养学生的科学探究意识和能力，发展学生的核心素养。