以实验为中心的物理概念建构过程
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[摘 要]针对 “讲授练习式”教学中存在的不足，为了使学生经历科学探究过程，掌握科学研究方法，更深刻地理解物理概念，教师要注重物理概念的构建。文章以问题为导向，设置三种层层递进的学生实验，使学生在实验中进一步认识理解相关概念。
[关键词]实验;物理概念;建构;力臂
[中图分类号] G633.7 [文献标识码] A [文章编号] 1674-6058（2019）14-0055-02
一、问题背景
苏科版物理九年级上册《杠杆》一节主要学习杠杆的基础知识。学生已经对一般的物理研究方法有了初步的认识，在二力平衡的基础上学习杠杆，理解难度不大。因此，常有一些教师讲完杠杆的五要素后，就开始总结画力臂的一般方法，训练学生画力臂。然而，这样的训练使学生对概念的理解出现“空心化”（被动记住概念的含义，没有经历概念建立的思辨过程），这样的教学，教师教得无趣，学生学得无味[1]。学生没有深刻理解力臂的概念，不懂得为什么要引入力臂。一段时间之后总会有所遗忘。实际上给学生以实践体验，让学生经历科学探究过程，使学生了解引入力臂概念的必要性，可以帮助学生更深刻地理解“力臂”的含义。为此，我们可利用可视化的实验帮助学生深刻理解力臂的概念。
二、总体思路
设计系列实验及问题，由易到难，建构力臂概念。
实验1：利用杠杆抬起巨石。目的：激发学生兴趣。
实验2：自制杆秤称苹果。目的：体验杠杆的应用。
实验3：模拟跷跷板。目的：猜想影响杠杆平衡的因素。
实验4：改变拉力的方向使杠杆依然水平平衡。目的：认识猜想的不足，提出新的猜想。
实验5：用弹簧测力计拉带有圆盘的杠杆。目的：化繁为简，建构力臂概念。
实验6：探究杠杆平衡条件。目的：体验科学探究过程，得出杠杆平衡条件。
三、部分实验教学
1.以实验为基础，猜想影响杠杆平衡的因素
【问题1】大人和小孩如何能使跷跷板在水平方向保持平衡？
PPT展示图片：大人和小孩玩跷跷板，由于大人太重，所以跷跷板向他这边倾斜。有什么办法可以让跷跷板又恢复水平平衡？利用手中的长直尺、橡皮以及大小不同的钩码，模拟大人和小孩玩跷跷板。看哪些方法可以让杠杆重新恢复水平平衡。
学生：把重的钩码向支点靠近，轻的钩码远离支点;将支点移向重的钩码，在轻的钩码上再加一个钩码。
【问题2】杠杆的平衡可能和什么因素有关呢？用我们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。
2.改变实验操作，形成认知冲突
【问题3】拉力大小不同的原因是什么？
学生动手实验，左端钩码的个数和位置固定不动，右端放置弹簧测力计（竖直方向调零），右端弹簧测力计拉力的作用点不动，用弹簧测力计分别竖直和斜拉杠杆，让杠杆在水平位置平衡，记录两次拉力的大小。可以发现竖直向下拉弹簧测力计时，拉力的大小比较小，而斜拉时，拉力比较大。
学生：两次拉力大小不同的原因在于力的方向不同。
【问题4】结合模拟跷跷板实验，总结哪些因素会影响杠杆的平衡。
学生：力的大小，支点到力的作用点的距离、力的方向。
【问题5】可不可以寻找一个物理量，它既包含了支点到力的作用点的距离对杠杆平衡的影响，又包含了力的方向对杠杆平衡的影响？
3.实验与“求同”思维并重，建构力臂概念
在杠杆的支点处固定一圆形硬纸板，上面画出一系列间隔为1 cm的同心圆环。杠杆左端10 cm处挂四个0.5 N的钩码，右端8 cm处用弹簧测力计竖直向下拉杠杆，使杠杆在水平位置保持平衡（系弹簧测力计的细线要长一些）。弹簧测力计的示数为2.5 N。
【问题6】保证杠杆左端钩码的个数以及位置不变，改变右端弹簧测力计拉力作用点的位置以及拉力的方向，但保证拉力的大小不变，并且让杠杆在水平方向保持平衡。观察三次实验有什么共同点？
学生：弹簧测力计上绳子的方向与8 cm的圆环接触才能使每次拉力的作用效果不变。
弹簧测力计上绳子的方向也就是拉力所在的直线，它每次与相同的圆接触，在数学上称之为拉力的方向与圆相切。（PPT展示）过力的作用点，作出沿力的方向的直线，称之为力的作用线，即弹簧测力计上绳子的方向。作出支点到力作用线的垂线，发现了什么？
学生：都是圆的半径，长度相等。
【问题7】三次实验，力的大小和方向都改变了，是什么不变导致力的作用效果不变？
学生：支点到力的作用线的距离不变。
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对杠杆平衡的影响。“支点到力的作用线的距离”是个有意义的物理量，称为力臂。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。
四、结束语
人是发展的存在[2]，学生具有无限的发展潜能。皮亚杰的认知发展理论认为，智力是一种适应，是同化和顺应的平衡，当儿童遇到不能理解的新事物或新刺激时，就会迫使他改变原有的“图示”以适应新的情景，求得认知平衡的恢复[3]。因此，在教学过程中，教师应该顺着学生的认知规律，不断给学生提出更加深入的问题，让学生发现自己之前不够全面的认知，进而获得新的知识，建构出物理概念。
在以上的教学过程中，笔者通过系列实验及问题，引领学生建构比较抽象的“力臂”概念。与书本直接给出杠杆的五要素不同，笔者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三个要素：支点、动力和阻力。根据学生的认识规律，通过模拟跷跷板实验，对影响杠杆平衡的因素进行猜想：支点以及支点到力的作用点的距离。进一步改变作用在杠杆上拉力的方向使杠杆依然水平平衡，发现所用力的大小不同。认识到力的方向也会影响杠杆的平衡，认识到之前的认知不够全面。难度升级，确保杠杆左端钩码的个数以及位置不变，改变右端弹簧测力计拉力作用点的位置以及拉力的方向，但保证拉力的大小不变，并且让杠杆在水平方向保持平衡。大小相同的三个不同的力，却有相同的作用效果，不难想这三个力在某个方面一定是相同的。进而寻找不变量，体现“求同”思维。由于实验中系弹簧测力计的绳子很长，学生可以很清楚地观察到三次绳子都与同一个圆相切。教师再利用PPT演示，作出支点到三个力的作用线的垂直距离。力的大小相同，这个距离相同，杠杆的平衡就相同，进而建构出力臂的概念。
[ 参 考 文 獻 ]
[1] 刘小洪，周洪.力臂概念的创新教法[J].物理通报，2013（3）：28-30.
[2] 张康桥.生长教育：通往美好人性的教育——溧阳市实验小学的教育学建构[J].江苏教育研究，2012（29）：4-10 .
[3] 车丽萍.试论智力发展与同化、顺应的关系：皮亚杰基本理论的启示[J].内蒙古师范大学学报（哲学社会科学版），1997（2）：98-101.
（责任编辑 易志毅）
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