施加林 邢海根

[摘要]物理來源于生活，服務于社會。初中物理教學中，可以有效運用生活物品，創(chuàng)造性地開展物理教學，讓學生經歷科學探究過程，學習科學研究方法，培養(yǎng)學生的探索精神，提高學生的實踐能力。創(chuàng)新性的實驗教學，可打破原來實驗教學的束縛，提升學生的創(chuàng)新素養(yǎng)。

[關鍵詞]杠桿的平衡條件;生活化實驗;創(chuàng)新

[中圖分類號]G633.7[文獻標識碼]A [文章編號]1674-6058（2020）08-0030-04

現(xiàn)行教材的編寫，實質上體現(xiàn)了編者的一種教學思路，有些內容隨著時代的發(fā)展，教學改革的深入，應該重組甚至是重塑。自制教具，進行實驗創(chuàng)新，是教學創(chuàng)新不可缺少的要素。下面以滬粵版八年級第六章第五節(jié)“探究杠桿的平衡條件”的教學為例，談如何對教材進行重塑，開展創(chuàng)新教學。

一、引入新課時給學生帶來“震撼”“新奇”感

教材是通過“探究蹺蹺板中的道理”引入的，而該游戲只能回顧與想象，不能在課堂上進行，缺少現(xiàn)實感與動態(tài)感，難以達到最佳效果。為了使學生能現(xiàn)場實踐，在準備教具時，事先制作出2米長的“超級杠桿”，并制作“超級鐵架臺”，在“超級杠桿”上系一長竹竿，使力臂關系在5倍以上，通過表演“大力士”用一只手指將一位同學提起來，給學生帶來“震撼感”“神奇感”。師生共同參與，讓學生產生探究的興趣，使學生發(fā)現(xiàn)學習物理的價值，落實“情感、態(tài)度與價值觀”維度的教學目標。

[教學片段1]

師：同學們好！最近有網絡傳聞，一個大力士，用一只手指將一個成人提了起來，這是真的嗎？今天老師也來給大家表演一下。教師請幾位同學走到支好的長桿下方，教師在長桿的一端掛上一個特制的“吊凳”，請一位同學坐在“吊凳”上，教師在竹竿的另一側用一只手指向下拉竹竿，將坐在“吊凳”上的同學提了起來，如圖1所示。

師：其實老師不是大力士，只不過是巧妙地利用了這根桿，大家想知道其中的奧秘嗎？今天我們一起來探究這根桿的相關規(guī)律。

二、在探究中得出杠桿概念與五要素

教材上是通過對蹺蹺板進行簡化，建立杠桿模型，給出杠桿的概念。而用“超級杠桿”，可進行直觀演示，加以講解，使物體與模型統(tǒng)一，給出杠桿的概念，從形象思維過渡到抽象思維，使學生更容易理解與接受。關于杠桿五要素的教學，教材上是在“活動一：探究杠桿平衡條件”中做補充介紹的，并沒有強調杠桿為什么存在五個要素。而有了“超級杠桿”，就可以采用邊演示邊探究的方式，層層遞進，從而使學生理解影響杠桿平衡的要素與動力、阻力、動力臂、阻力臂有關。同時用實驗排除了“支點到力的作用點的距離”不是影響杠桿平衡的要素。教師用測力計提起同學，當杠桿平衡時，請一位學生讀出測力計的示數(shù)。教師減小拉力（動力）時，請同學們觀察杠桿能否平衡，得出動力大小是影響杠桿平衡的一個因素;改變同學的重力（阻力）大小，請同學們觀察在同樣的動力作用下，杠桿能否平衡，得出阻力大小影響杠桿的平衡;改變同學的位置，用同樣的動力，請同學們觀察杠桿是否能平衡，學生們發(fā)現(xiàn)杠桿不能平衡，問是什么量變化了，從而講解支點的概念。學生一般先得出“轉軸到力的作用點的距離”影響了杠桿的平衡，教師再用同樣大小的力斜拉，學生發(fā)現(xiàn)杠桿不再平衡，并問：“支點到力的作用點的距離”沒有變化，是什么距離變化了呢？得出支點到力的作用線的距離變化了，從而引出力臂的概念，并將力臂的概念展開為動力臂與阻力臂。再假設改變轉軸的位置，指出兩力臂都在變化，從而得出支點位置也是影響杠桿平衡的因素。從而歸納影響杠桿平衡的五個要素。

[教學片段2]

師：剛剛，老師在一根長桿的一端用力拉桿，桿繞著固定點（轉軸）轉動，該同學通過“吊凳”也拉桿，實質上是阻礙桿的轉動。在物理學上，把在力的作用下繞著固定點轉動的硬棒，叫杠桿。當杠桿靜止或勻速轉動時，物理學上叫杠桿平衡。

師：下面探究影響杠桿平衡的因素有哪些。

師：用測力計豎直向下拉杠桿，當坐在“吊凳”上的同學靜止在水平位置時，請臺上同學觀察測力計的示數(shù)（10N），并報給臺下同學聽。教師減小拉力，請同學們觀察該杠桿能否靜止（平衡）。

臺上同學：測力計的示數(shù)減小，“吊凳”上的同學突然下沉。

師：我的拉力是使杠桿轉動的力，叫動力，這說明影響杠桿的平衡與什么因素有關呢？

生：與動力大小有關。

師：給坐在“吊凳”上的同學加一個書包。

師：我再用10N豎直向下的拉力拉桿，請同學們觀察能否將該同學拉起來。

臺上同學：拉不起該同學。

師：這說明是什么因素影響了杠桿的平衡呢？

生：是阻力的大小。

師：將測力計的位置輕輕地向遠離轉軸的方向移動，再用10N力拉，請問杠桿能否在水平位置靜止？

臺上同學：不能。

師：這說明是什么因素影響了杠桿的平衡呢？

生：是轉軸到測力計的距離。

師：在物理上把這個轉軸叫支點，轉軸到測力計的距離描述為：支點到力的作用點的距離。

師：保持支點到力的作用點的距離不變，改變拉力的方向，請同學們觀察杠桿能否在10N拉力作用下平衡。

師：改變拉力方向。

臺上同學：拉力必須變大才能平衡。

師：這說明影響杠桿平衡的因素不是支點到力的作用點的距離。斜拉時，支點到什么的距離在變化呢？

生：是支點到力的（作用線）的距離在變化。

師：支點到力的作用線的距離，物理學上叫力臂。當然，力臂有兩個，支點到動力作用線的距離叫動力臂（L₁），支點到阻力作用線的距離叫阻力臂（L₂）。根據以上實驗現(xiàn)象，請同學們總結一下影響杠桿平衡的因素有哪些。

生：動力、阻力、動力臂、阻力臂。

師：如果改變轉軸的位置，動力臂與阻力臂不變嗎？

生：變化。

師：這說明還有什么因素起作用呢？

生：支點。

師生小結：影響杠桿平衡的五個要素是：支點（O）、動力（F₁）、阻力（F₂）、動力臂（L₁）、阻力臂（L₂）。

三、探究杠桿的平衡條件

教材上利用直接指導的方式讓學生探究，沒有分析為什么要這樣做，缺少理由。根據對杠桿五要素的探究可知，當支點確定后，杠桿的平衡只與四個要素有關。這時要引導學生猜想四個量：F₁、L₁、F₂、L₂之間滿足什么關系時杠桿才能平衡，學生可能根據共點力的平衡“幾個力的代數(shù)和相等”來進行類比猜想，根據對杠桿五要素的探究，學生可能發(fā)現(xiàn)當測力計遠離支點時，測力計的示數(shù)變小，可能猜想力與力臂的乘積相等或兩力之比與兩力臂的比值相等或者是力的平方與力臂的乘積相等……教師幫助學生排除不合理的猜想，保留合理的猜想，再引導學生設計實驗方案，進行實驗，經過多次實驗與數(shù)據記錄，歸納總結，得出結論。在實驗技巧方面，教師引導，讓學生思考為什么實驗前要調節(jié)平衡螺母將杠桿調到水平位置平衡，實驗時為什么也要通過改變動力或阻力的大小、動力臂或阻力臂的大小，使杠桿仍然在水平位置平衡。通過適當?shù)囊龑?，學生進行實驗操作并記錄測量數(shù)據，對數(shù)據進行分析，得出結論。

[教學片段3]

師：影響杠桿平衡的五個要素，當杠桿的支點固定時，只有四個要素影響杠桿的平衡，這四個要素在什么情況下杠桿才能平衡呢？請同學們猜想。

生：開始討論，教師請小組長匯報，歸納后有兩個：F₁+L₁=F₂+L₂、F₁×L₁=F₂×L₂。

師：力的單位是什么？力臂的單位又是什么呢？兩者能相加嗎？

生：不同的單位不能相加。

師：不同的單位相加，這個猜想本身就是錯誤的，不必用實驗驗證了，我們只要驗證第二個猜想就行了，實驗時要得到多組數(shù)據，歸納出的結論才具有普遍性，這就要改變F₁、L₁、F₂、L₂的大小，進行多次實驗與測量，怎樣改變呢？

生：在杠桿兩邊都掛“吊凳”，換不同體重的同學坐在“吊凳”上，同時改變“吊凳”到轉軸的距離。

師：請兩位同學，分別手持“吊凳”站到體重計上，報出體重計的示數(shù)，算出總重力大小。

師：當兩位同學坐在“吊凳”上時，將其中一邊當作動力F₁，另一邊當作阻力F₂，它們的大小就等于每邊總重力大小，請同學們記在紙上。老師將長竹竿取下，放在一角，露出“超級杠桿”，發(fā)現(xiàn)杠桿兩邊高度不相同，老師用手指著低的一側說：杠桿的重心偏向低的一側，現(xiàn)在老師模仿調節(jié)天平的方法，將螺母向高的一側調，同學們觀察它能否在水平位置平衡。（教師調節(jié)平衡螺母）。

生：平衡了。

師：將兩“吊凳”掛在杠桿兩邊上，請兩位同學依次入座，教師調節(jié)兩“吊凳”的位置，學生發(fā)現(xiàn)杠桿在某個傾斜位置靜止了。教師強調：力臂是支點到力的作用線的距離，并提問：怎樣測量力臂？

生：用刻度尺測。

師：怎樣保證刻度尺測得的線段長就是力臂呢？力臂垂直于力的作用線。

生：加一塊三角板。

師：這樣是可以的。教師又輕輕轉動杠桿且將“吊凳”移動一下，杠桿又在水平位置靜止了，如圖2所示。這時力臂與“支點到力的作用點的距離”有什么關系呢？還需要三角板嗎？杠桿上本身有刻度尺，還要刻度尺嗎？

生：不需要。

師：想一想，每次實驗時都將杠桿調到水平位置有何優(yōu)點呢？

生：可以從杠桿上直接讀出力臂的大小。

師：為了便于測量力臂，實驗時將杠桿調到水平位置平衡。下面請臺上同學開始實驗，同時臺下同學可拿出桌面上的杠桿平衡儀，通過在杠桿兩邊掛鉤碼來進行實驗。

生：實驗。

師：巡視指導，請各小組組長匯報數(shù)據，并分析數(shù)據，得出結論。再請其他小組的同學評價該組測量數(shù)據、分析過程與實驗結論是否存在瑕疵。

四、對杠桿平衡條件的再探究

教材上的實驗是為了便于測力臂，使杠桿在水平位置平衡，且動力與阻力都與杠桿垂直，這時力臂正好與“支點到力的作用點的距離”重合，在學生歸納結論時，用填空的形式：“動力× =阻力× ”，要求學生填寫結論，實際上是為了防止學生得出：“動力乘以支點到動力作用點的距離等于阻力乘以支點到阻力作用點的距離”這一結論。這種限制學生思維的方法是不可取的，所以要對探究進行再探究，排除特殊情況下的結論，使結論具有普遍性。引導學生設計一種力與杠桿不垂直時的測量方案，再進行實驗。由于力與杠桿不垂直，測量力臂一般有較大的偏差，教學過程中教師要引導學生分析數(shù)據是錯誤還是誤差，提高學生分析數(shù)據的能力。

[教學片段4]

師：同學們剛做的實驗，動力與阻力都與杠桿垂直，這樣力臂落在杠桿上，優(yōu)點是便于測量力臂，但這樣做實驗，也有缺點：力臂與支點到力的作用點的線段正好重合，也能得出這樣的結論：“動力乘以支點到動力作用點的距離等于阻力乘以支點到阻力作用點的距離?！爆F(xiàn)在，如何設計實驗，驗證后一結論是錯誤的呢？

生：用彈簧測力計斜拉杠桿來提供動力，用直尺、三角板配合來測力臂。

師：提供一個盛有少量水的塑料桶，一個量程較大的測力計，直尺與三角板，請兩位同學利用“超級杠桿”進行實驗，如圖3所示。同時請其他同學利用杠桿平衡儀及鉤碼、彈簧測力計、直尺、三角板進行分組實驗。

生：動手實驗。

師：巡視指導，再請各小組匯報所測得的數(shù)據，再請其他小組同學計算：“動力乘以支點到動力作用點的距離、阻力乘以支點到阻力作用點的距離;F₁×L₁、F₂×L₂的大小，并向全班匯報。

生：匯報所測數(shù)據。

師：這些數(shù)據相等嗎？

生：動力乘以支點到動力作用點的距離不等于阻力乘以支點到阻力作用點的距離。幾乎所有小組的數(shù)據F₁×L₁與F₂×L₂都不相等。

師：將各組數(shù)據的乘積作比較，差距較大的是哪個呢？

生：動力乘以支點到動力作用點的距離與阻力乘以支點到阻力作用點的距離。

師：這些數(shù)據偏差有何特點呢？

生：“動力乘以支點到動力作用點的距離”總是大些。

師：如果是誤差引起的，不會向一邊倒，因為誤差總是時大時小的。你們再分析F₁×L₁與F₂×L₂的大小，發(fā)現(xiàn)有何特點呢？

生：有點偏差，有的F₁×L₁大，有的F₂×L₂大。

師：這正是誤差的特點，請各小組再分析，你們測量時可能是什么原因引起的誤差。

生：展開討論，分析誤差的由來。

師：請同學們匯報各小組誤差的由來以及是如何分析的，師生共同評價。

[教學片段5]

師：我們已經探究出杠桿的平衡條件。同學們可知道杠桿有什么作用呢？

生：省力。

師：僅能省力嗎？請用圖3中的器材，讓測力計豎直向下拉、斜向下拉并減小拉力與杠桿的夾角，比較FG時，拉力移動的距離與重物移動距離的關系，通過比較，看有何發(fā)現(xiàn)？

生：（實驗后匯報）省力時費距離;當動力等于阻力時，既不省距離也不費距離;當動力大于阻力時，省距離。

師：杠桿的作用可歸納如下：省力或省距離或給我們帶來方便。

五、新課小結與作業(yè)的創(chuàng)新

小結應由學生總結，說出他們的收獲，如知道了什么是杠桿、什么叫杠桿平衡、影響杠桿平衡的五個要素是什么、怎樣探究杠桿的平衡條件、杠桿的平衡條件是什么等。但學生肯定還存在一些疑惑，如怎樣畫力臂？杠桿一定能省力嗎？等等。教師可告訴學生這些問題是下節(jié)課研究的內容。作業(yè)要與課堂教學保持一致，不必布置計算類習題，可以模仿上課用的“超級杠桿”進行類似的制作，并且采用適當方式進行反饋。

[教學片段6]

師：同學們通過本節(jié)課的學習，你們有什么收獲？存在哪些疑惑？有什么新發(fā)現(xiàn)？有什么值得再探究？

生：舉手匯報。

師：請同學們課后思考如何設計一種簡單的機械，實現(xiàn)“四兩撥千斤”，我們將適時開展作品展示活動，并進行評獎。

六、結束語

把物理實驗與探究還本歸真，提倡“瓶瓶罐罐當儀器，拼拼湊湊做實驗”，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力與實踐能力，把想與做結合起來，把物理與生活結合起來，把理論與實踐結合起來，把實驗室器材與生活中的物品結合起來，創(chuàng)新實驗教學，回歸物理實驗本源，培養(yǎng)學生解決實際問題的能力。