(廣東省廣州市花都區(qū)教育局教學(xué)研究室,廣東 廣州 510000)
在物理教學(xué)中,很多難點(diǎn)沒有突破主要是因?yàn)闆]有為學(xué)生構(gòu)建一個(gè)好的物理模型。物理模型是將我們研究的物理對象或物理過程、情境,運(yùn)用抽象、簡化和類比等方法,把反映研究對象的本質(zhì)特征抽象出來,構(gòu)成一個(gè)概念或?qū)嵨锏哪P汀=?gòu)主義學(xué)習(xí)理論認(rèn)為:學(xué)習(xí)并不是學(xué)習(xí)者被動(dòng)地去接受知識(shí)或是經(jīng)驗(yàn),而是通過自身的體驗(yàn)與交流合作去建構(gòu)意義的過程。下面就以“杠桿”教學(xué)為例,探討以體驗(yàn)式教學(xué)幫助學(xué)生構(gòu)建物理模型的途徑。
“杠桿”是初中物理教學(xué)難點(diǎn),一是涉及的物理量較多,二是學(xué)生對力臂的理解有困難,三是要探究杠桿平衡條件、并能根據(jù)平衡條件對杠桿進(jìn)行分類。常規(guī)的教學(xué)流程如下:在第一課時(shí),列舉生活中有關(guān)杠桿的例子,介紹五要素,然后反復(fù)練習(xí)畫力臂;在第二課時(shí),通過學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究杠桿平衡條件;在第三課時(shí),對杠桿進(jìn)行分類,做練習(xí)。三節(jié)課下來教師基本能把知識(shí)點(diǎn)講完,但不少同學(xué)還是覺得很困惑,其主要原因是沒有真正弄懂物理原理,在他們的腦中沒有一個(gè)清晰的物理模型作為支撐。針對上述情況,筆者采用體驗(yàn)式教學(xué),進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。
圖1
在課堂上展示一個(gè)自制的蹺蹺板(一把木尺釘在鐵架臺(tái)上,可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)),接著請一位同學(xué)把重量不同的蘋果和橘子分別放在蹺蹺板的兩側(cè),使它靜止不動(dòng),完成后可以很明顯地看到較重的蘋果放在離支點(diǎn)較近的地方,而較輕的橘子則放在離支點(diǎn)較遠(yuǎn)的地方(如圖1)。以這樣的情景介紹杠桿的定義、支點(diǎn)以及杠桿的平衡狀態(tài),為了能更好地引出杠桿的其他要素,筆者采取了以下的做法:首先把蘋果拿開,可以看到杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)起來,杠桿不平衡了,也就是說杠桿的平衡肯定跟作用在它上面的力有關(guān),引入物理量:動(dòng)力;使杠桿重新平衡,然后把橘子拿開,杠桿反方向轉(zhuǎn)動(dòng)起來,杠桿也不平衡了,相對于動(dòng)力我們就引入另一個(gè)物理量:阻力;使杠桿恢復(fù)平衡,然后把蘋果往遠(yuǎn)端移動(dòng)一下,杠桿又不平衡了。很明顯杠桿的平衡跟物體所放的位置有關(guān),很自然地就得到了與距離有關(guān)的物理量:動(dòng)力臂,同理可以引入阻力臂。利用實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)來引入杠桿的五要素,學(xué)生在腦海中就初步建立了一個(gè)包含杠桿五要素的物理模型:一個(gè)放著蘋果和橘子的蹺蹺板。
加涅在《學(xué)習(xí)的條件和教學(xué)論》中提出五類學(xué)習(xí)結(jié)果類型,初中物理中很多學(xué)習(xí)結(jié)果是智慧技能,那么大量的機(jī)械重復(fù)練習(xí)能幫助學(xué)生習(xí)得智慧技能嗎?答案是否定的。力臂是一個(gè)比較抽象的物理概念,很多學(xué)生不明白為什么要把力臂定義為支點(diǎn)到力的作用線的垂直距離,傳統(tǒng)的教學(xué)方式就是通過大量的作圖練習(xí),使學(xué)生接受這一個(gè)定義。學(xué)生會(huì)畫力臂,卻不能理解力臂的定義,若遇到復(fù)雜一點(diǎn)的題目就會(huì)無從下手。筆者在課堂上增加了3個(gè)遞進(jìn)式實(shí)驗(yàn),通過學(xué)生的親身體驗(yàn)可以加深對力臂定義的理解。
實(shí)驗(yàn)一:在杠桿的左邊掛上1個(gè)200g的鉤碼,然后讓學(xué)生在杠桿的右側(cè)距支點(diǎn)由遠(yuǎn)到近按壓,要求一直保持杠桿水平平衡,感受手在不同位置對杠桿所用力的大小(如圖2)。學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)可以明顯地感受到要使杠桿保持水平平衡,離支點(diǎn)越近,用力越大,這樣就得到用力大小可能跟支點(diǎn)到力的作用點(diǎn)的距離有關(guān)的結(jié)論。這個(gè)實(shí)驗(yàn)可能會(huì)使一些學(xué)生陷入一個(gè)誤區(qū),為下一個(gè)實(shí)驗(yàn)作了鋪墊。
圖2
圖3
實(shí)驗(yàn)二:在杠桿的左邊掛上1個(gè)200g的鉤碼,學(xué)生用彈簧測力計(jì)在杠桿右側(cè)同一個(gè)點(diǎn)沿不同的方向拉,要求杠桿一直保持水平平衡,觀察彈簧測力計(jì)的示數(shù)(如圖3)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)一的結(jié)論:要使杠桿水平平衡,用的力只與支點(diǎn)到力的作用點(diǎn)的距離有關(guān),只要支點(diǎn)到力的作用點(diǎn)的距離不變,無論方向如何改變也不會(huì)影響到力的大小。真的是這樣嗎?通過實(shí)驗(yàn)二可以觀察到力的大小其實(shí)是不一樣的,也就是說實(shí)驗(yàn)一得到的結(jié)論是不完整的,這就是不能把力臂定義為支點(diǎn)到力的作用點(diǎn)的距離的原因。教師可能會(huì)跟學(xué)生重復(fù)一百次正確的力臂的定義,但學(xué)生只是記住了這一句話,并沒有真正理解。
通過以上兩個(gè)實(shí)驗(yàn),學(xué)生就不僅僅是記住,親自動(dòng)手得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果,學(xué)生的習(xí)得效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于教師的灌輸。
力的大小跟支點(diǎn)到力的作用點(diǎn)的距離并無直接關(guān)聯(lián),那么就一定與支點(diǎn)到力的作用線的垂直距離有關(guān)嗎?繼續(xù)通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證。當(dāng)動(dòng)力和動(dòng)力臂都不變時(shí),如果阻力相同,無論沿什么方向拉,阻力臂都相同嗎?接著做第三個(gè)實(shí)驗(yàn)。
圖4
實(shí)驗(yàn)三:在杠桿的右邊掛上4個(gè)50g的鉤碼,讓學(xué)生用彈簧測力計(jì)在杠桿右邊不同的點(diǎn)上用2N的力拉,使杠桿保持水平平衡。借助T型尺,可以直觀地看出支點(diǎn)到力的作用線都是相同的(如圖4)。也就是說,當(dāng)動(dòng)力、動(dòng)力臂不變時(shí),如果阻力相同,阻力臂也相同,實(shí)驗(yàn)的結(jié)果和理論是一致的。
這樣就可以解釋為什么力臂要定義為支點(diǎn)到力的作用線的垂直距離,學(xué)生的疑問得到了解決,這一節(jié)課的教學(xué)難點(diǎn)也實(shí)現(xiàn)了突破。
以上三個(gè)體驗(yàn)式實(shí)驗(yàn)?zāi)茏寣W(xué)生對力臂的理解有一個(gè)進(jìn)階的過程,而每一個(gè)實(shí)驗(yàn)都相應(yīng)地有一個(gè)具體的模型印在學(xué)生的腦海中,以后遇到了關(guān)于杠桿的實(shí)驗(yàn)探究題,學(xué)生就更有把握了。教師應(yīng)當(dāng)充分重視實(shí)驗(yàn)教學(xué),把課堂的主動(dòng)權(quán)交給學(xué)生,鼓勵(lì)學(xué)生大膽嘗試,勇于探究。
根據(jù)杠桿的平衡條件:動(dòng)力×動(dòng)力臂=阻力×阻力臂,可以把杠桿分為三類:省力杠桿、等臂杠桿和費(fèi)力杠桿。分類的依據(jù)就是比較動(dòng)力臂和阻力臂的長短,很多教師都會(huì)列舉很多例子來讓學(xué)生分類,例如:釣魚竿、剪刀、起子、天平等等。但例子太多學(xué)生會(huì)覺得很混亂,時(shí)間久就會(huì)混淆,可先利用一個(gè)同時(shí)包含三種情況的例子,幫助學(xué)生建立一個(gè)初步的模型,對他們掌握該知識(shí)點(diǎn)會(huì)有幫助。每一位學(xué)生都體驗(yàn)過用剪刀剪東西,但把物體放在不同的位置,用的力是不一樣的,于是我們可以建立一個(gè)關(guān)于剪刀的模型(如圖5)。
圖5
剪刀的支點(diǎn)容易找出,而手指固定在有膠的一端,也就是動(dòng)力臂已經(jīng)固定,我們把被剪的物體放在圖5中的不同位置(如A、B、C點(diǎn)等),感受一下分別要用多大的力才能剪斷物體。三個(gè)位置都體驗(yàn)過之后,我們再用理論來分析:因?yàn)榧魯嗟臇|西相同,所以杠桿受到的阻力相同,比較動(dòng)力臂與阻力臂的大小,再根據(jù)杠桿平衡條件,就可以把杠桿分為三類。這樣就讓學(xué)生建立了一個(gè)關(guān)于剪刀的物理模型,盡管以后可能忘記了相關(guān)的知識(shí),但只要拿出剪刀試剪一下,還是可以回憶起來的。有了基礎(chǔ)的杠桿分類模型后,再講生活中其他的杠桿,學(xué)生就懂得了怎樣借助剪刀的三種情況去具體分類,培養(yǎng)了學(xué)生舉一反三的能力。
通過以上教學(xué)過程,學(xué)生可以把這部分知識(shí)簡化為三個(gè)物理模型,分別是:“坐”蹺蹺板的蘋果和橘子,一端掛著鉤碼、另一端用彈簧測力計(jì)拉的杠桿以及一把剪刀。學(xué)生全程參與各個(gè)體驗(yàn)活動(dòng),能以一條完整的主線把所有的物理量和相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)都串聯(lián)起來,建立簡單的物理模型,化繁為簡,把反映研究對象的本質(zhì)特征抽象出來。
物理學(xué)習(xí)的目的不僅僅是學(xué)習(xí)物理知識(shí),更重要的是讓學(xué)生學(xué)會(huì)學(xué)習(xí),學(xué)會(huì)探究,形成正確的價(jià)值觀。學(xué)生在體驗(yàn)式學(xué)習(xí)中不僅能經(jīng)歷知識(shí)的形成過程,對所學(xué)的內(nèi)容產(chǎn)生濃厚的興趣,習(xí)得探究未知事物的方法,發(fā)展學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力,還能感受到自己在獲取知識(shí)過程中的失敗與錯(cuò)誤,通過總結(jié)經(jīng)驗(yàn)、糾正錯(cuò)誤,逐步走向正確,從中體驗(yàn)到成功的喜悅。因此,在新課程背景下,要改變傳統(tǒng)教學(xué)中的重知識(shí)、輕實(shí)踐,重結(jié)論、輕過程,重理論、輕實(shí)驗(yàn),知識(shí)與情感相互分離的局面,必須認(rèn)識(shí)到:脫離知識(shí)構(gòu)建過程的單純說教式的教學(xué)是蒼白無力的。在教學(xué)中應(yīng)該給學(xué)生創(chuàng)設(shè)豐富的、真實(shí)的物理情境,使學(xué)生對物理知識(shí)的產(chǎn)生、形成和發(fā)展過程有豐富、清晰的感性認(rèn)識(shí),引領(lǐng)學(xué)生通過觀察、探究、交流等活動(dòng)參與物理模型的構(gòu)建,這不僅有利于學(xué)生對物理概念、規(guī)律的深刻理解,最重要的作用是在此過程中能有效地引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)的探究過程,啟迪智慧,增強(qiáng)能力。