侯慧玲

(江蘇省常州外國語學校,江蘇 常州 213031)

1 引言

閻金鐸、郭玉英教授在《中學物理教學概論》中指出:“學生在正式學習有關的物理知識之前,頭腦中已存在著一定的原有認識和該認識賴以存在的思維方式,我們統(tǒng)稱為前概念,它們在很大程度上決定著學生對新知識的理解?！彪m然物理學科的正式學習是在八年級,但學生在學習之前已經(jīng)有了一定的知識儲備,通過平時的觀察體驗、與他人的交流會形成物理前概念，比如,雞蛋碰石頭,雞蛋破了,石頭還是完好的,學生認為雞蛋受到的力比石頭受到的力大。學生在小學科學中學習了很多與初中物理相關的內(nèi)容,也是學生前概念的重要來源。如果學生的前概念和科學概念一致,那必然對學生的物理學習起到促進的作用,但是如果形成的前概念是錯誤的,就會影響學生科學概念的建構。在初中物理教學中轉變學生錯誤的前概念顯得尤為重要，本文以“力臂”概念教學為例,對比研究小學科學、初中物理教材中相關內(nèi)容,探討概念轉變的教學策略。

2 小學生關于力臂的前概念

蘇科版《科學》五年級下冊第一單元“神奇的機械”第2課“怎樣移動重物”的主題為杠桿，一開始就提出問題：“要移動重物,你能想出什么輕松的辦法嗎？”如圖1所示，用撬棒撬重物,這根撬棒就是一個簡單機械，這種杠桿包括一個支點和一根能繞支點轉動的棍子,人手和支點之間長長的棍子“放大”了人力,所以人就能輕松地撬動重物。教材分別對石塊壓撬棒、支點和人用力的位置進行了標注,學生雖然還沒有建立力臂的概念,但學生會直觀地認為人施力點和支點之間的棍子越長,撬起這個石塊時人用力就越小。

圖1

在探究杠桿省力的秘密時,小學教材選擇的裝置和蘇科版物理九上教材學生實驗“探究杠桿的平衡條件”裝置一致,如圖2所示，兩邊均利用鉤碼施加力的作用,杠桿處于水平平衡狀態(tài)。小學教材中的探究活動為：仔細觀察鉤碼的個數(shù)與支點的距離,你發(fā)現(xiàn)了什么？學生能意識到某個距離的大小會影響用力的大小,由于在探究過程中杠桿處于水平平衡狀態(tài),鉤碼的拉力沿豎直方向,學生會很自然地認為這個距離是鉤碼懸掛點與支點的距離,而且用這個結論確實可以解釋一些問題。

圖2

3 前概念的轉變

3.1 初小銜接，讓學生暴露錯誤的前概念

在建立正確的力臂概念之前,先利用小學科學教材中的器材來研究影響杠桿平衡的因素,熟悉的情境、相似的探究過程很容易讓學生的前概念暴露出來,同時也讓學生在研究的過程中明白建立力臂概念的必要性,它是影響杠桿平衡的因素之一。

先展示如圖3所示的裝置,兩邊掛上鉤碼,讓杠桿在水平位置平衡,然后提問:在不改變杠桿左邊鉤碼數(shù)目和位置的情況下,可以采取哪些措施,使得原來平衡的杠桿失去平衡？

圖3

方案一：加減鉤碼。學生根據(jù)已有經(jīng)驗立刻能想到：可以在右邊已掛鉤碼的基礎上加減鉤碼。教師演示,發(fā)現(xiàn)增減鉤碼確實可以使原來平衡的杠桿失去平衡,說明施加的力的大小會影響杠桿的平衡。

方案二:改變鉤碼位置。還有學生會想到可以改變右邊鉤碼懸掛的位置。教師演示,發(fā)現(xiàn)向左或向右移動鉤碼,也能打破平衡,在此基礎上教師提問:這又說明還有什么因素會影響杠桿的平衡？學生會想到移動鉤碼懸掛的位置其實是改變了某個距離。

基于這樣的探究過程,學生會認為是支點到鉤碼懸掛點的距離,也就是支點到力的作用點的距離會影響杠桿的平衡，至此學生的錯誤前概念就暴露出來。

3.2 設置實驗，讓學生產(chǎn)生認知沖突

學生暴露出錯誤的前概念之后,在剛才實驗的基礎上,仍然保持杠桿左邊鉤碼的數(shù)目和位置不變,將右邊懸掛的鉤碼換成彈簧測力計。

實驗步驟:(1) 如圖4所示，先用彈簧測力計沿豎直方向拉動,使杠桿在水平位置靜止,讀出彈簧測力計示數(shù)，學生發(fā)現(xiàn)和圖3中用鉤碼施力大小相同。

圖4

(2) 如圖5所示，改變彈簧測力計的施力方向,而力的作用點保持不變,也就是支點到力的作用點的距離不變,學生根據(jù)前概念猜想：要讓杠桿仍然在水平位置靜止,彈簧測力計的示數(shù)應該是不變的。但通過實驗,學生發(fā)現(xiàn)彈簧測力計的示數(shù)變大了。

學生對自己的前概念產(chǎn)生了懷疑,并有了進一步探究的欲望,影響杠桿平衡的距離到底應該怎樣描述？僅用這套實驗裝置是沒有辦法直觀顯示出來的。

3.3 通過探究,讓學生建構正確概念

因為學生在很長的時間里對錯誤的前概念有了先入為主的印象,形成了思維定勢,如果教師認為學生已經(jīng)知道自己的前概念是錯誤的而直接給出力臂的概念,告訴學生應該是支點到力的作用線的距離影響了杠桿的平衡,學生雖然認可老師的說法,但又很難放棄原有的認識,從而造成思維混亂。教師需要引導學生通過進一步的探究,幫助學生建構正確概念。

3.3.1 前概念的突破

如圖6所示,仍然保持左邊鉤碼不動,用彈簧測力計在杠桿支點右側的B點用力使杠桿在水平位置靜止,沿圓弧從M點逆時針轉到N點,發(fā)現(xiàn)彈簧測力計的示數(shù)在不斷變化,在這個過程中支點到力的作用點的距離不變,說明影響杠桿平衡的距離不是支點到力的作用點的距離。

圖6

3.3.2 力臂概念的建構

學生在觀察上述實驗現(xiàn)象時,發(fā)現(xiàn)雖然彈簧測力計的示數(shù)在變,但也注意到：以過B點垂直于水平杠桿的直線為軸,在關于這根軸左右對稱的位置彈簧測力計的示數(shù)是一樣的，說明在這兩個方向上施加力的時候,我們要找的某個距離是相等的，如何找出來呢？

3.3.3 借助數(shù)學方法研究力臂

如圖7所示,在杠桿后面用一張白紙作為背景,畫出以支點為圓心的一組同心圓,找出兩個示數(shù)相等的位置,畫出力的作用線。學生發(fā)現(xiàn)當彈簧測力計示數(shù)相同時,這兩個力的作用線分別與同一個圓只有一個交點,連接圓心和交點發(fā)現(xiàn)這條連線與力的作用線垂直(力的作用線即為數(shù)學上圓的切線),這條連線就是圓的半徑,同一圓上半徑相等,由此想到可能是支點到力的作用線的距離影響了杠桿的平衡。經(jīng)過多次實驗發(fā)現(xiàn)：只要彈簧測力計的示數(shù)相等,這個距離就是相等的。

圖7

如圖8所示,在B點施加力的作用,使力的作用線與某個圓相切,記下此時彈簧測力計的示數(shù),換個作用點,如在C點施加力的作用,調(diào)整力的方向,使兩次示數(shù)相同,畫出此時所施力的作用線,發(fā)現(xiàn)與同一個圓相切，同樣可以利用白紙上的同心圓多次進行實驗。由此,可得出結論：影響杠桿平衡的是支點到力的作用線的距離,我們把這個距離定義為力臂。

圖8

3.4 拓展提升,讓學生鞏固力臂概念

科學的概念經(jīng)過逐步深入的探究而建立,但這一過程并不是一勞永逸的，錯誤的前概念還會在學生應用的過程中干擾學生的思維。所以還要在后續(xù)教學中出示相關的練習題,讓學生更好地理解科學概念。

例題(2015年常州市中考題)：如圖9所示,OAB為輕質杠桿,可繞支點O自由轉動,在B端施加一個動力使杠桿在水平位置平衡,該杠桿( )。

圖9

A. 一定是省力杠桿

B. 一定是費力杠桿

C. 一定是等臂杠桿

D. 以上情況都有可能

這個題目考查了學生對力臂概念的理解,由圖9可知：在B端施加一個力使杠桿在水平位置平衡,由于力的方向不確定,所以動力臂也不確定,動力臂可能比阻力臂長,也可能比阻力臂短,還可能相等。本題的解題關鍵是首先明確動力的方向不確定,無法判斷動力臂與阻力臂的大小關系，通過類似的練習可以加深學生對力臂概念的理解。

4 結語

從錯誤的前概念到科學的概念的轉變,學生要經(jīng)歷一個艱辛的過程,會不斷經(jīng)歷認知沖突,不斷進行修正,從而真正領悟科學概念,教師在教學中很有必要去了解學生前概念的來源并予以關注,這樣才能有的放矢地幫助學生解決困惑,建構科學的概念。