董伏勇

本節(jié)課是蘇科版物理教材九年級(jí)上冊(cè)第十一章第一節(jié)內(nèi)容，根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)的要求，通過實(shí)驗(yàn)，探究并了解杠桿的平衡條件。在教學(xué)中，教師應(yīng)將知識(shí)問題化，以問題驅(qū)動(dòng)學(xué)生思考，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用已有的物理知識(shí)和方法進(jìn)行自主探究。本節(jié)課具體通過九個(gè)邏輯嚴(yán)密、層層遞進(jìn)、逐級(jí)深化的問題串設(shè)置，驅(qū)動(dòng)學(xué)生思考、討論和探究。學(xué)生在探究中將問題一一解決，從而找出本節(jié)學(xué)習(xí)和解決實(shí)際問題的核心策略，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)目標(biāo)的有效達(dá)成，促進(jìn)思維發(fā)展，提升科學(xué)素養(yǎng)。

一、課堂實(shí)錄

【探討1】

學(xué)生活動(dòng)：選擇合適的工具把瓶蓋撬開（如圖1），在活動(dòng)中尋找不同的方法并找到方便、省力的方法。

師：這些工具本身有什么共同的物理屬性？

生：硬度都比較大，都是硬棒。

師：使用這類工具時(shí)，施加力的目的是什么？

生：使它繞固定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。

師：施加力就一定能使它轉(zhuǎn)動(dòng)嗎？為什么？

生：不一定，因?yàn)橛凶枇Α?/p>

師：你能說出這些工具在使用時(shí)的共同特征嗎？

生：在力的作用下，能繞固定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。

[設(shè)計(jì)意圖]學(xué)生通過使用這些工具進(jìn)行活動(dòng)，總結(jié)出這些工具在使用過程中的共同特征。設(shè)計(jì)本環(huán)節(jié)的目的是讓學(xué)生自主構(gòu)建杠桿模型，同時(shí)自主定義什么是杠桿，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中先認(rèn)識(shí)杠桿五要素里的三個(gè)要素：支點(diǎn)O、動(dòng)力F1、阻力F2。

【探討2】

師：剛剛你在使用杠桿時(shí)，使杠桿勻速轉(zhuǎn)動(dòng)或靜止，我們就認(rèn)為杠桿處于平衡狀態(tài)。請(qǐng)你畫出在使用杠桿時(shí)的動(dòng)力和阻力。

學(xué)生畫出圖形（如圖2）。

師：根據(jù)你所畫的圖，你能從力的三要素角度說出動(dòng)力和阻力的特點(diǎn)嗎？

生：受力物體都是杠桿，動(dòng)力使杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)，阻力阻礙杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)。它們使杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)的效果相反。

師：動(dòng)力和阻力大小關(guān)系呢？

生：未撬開瓶蓋時(shí)動(dòng)力小于阻力，撬開瓶蓋時(shí)動(dòng)力大于阻力，所以都有可能。

[設(shè)計(jì)意圖]學(xué)生畫出動(dòng)力和阻力之后，再自主分析力的三要素，能夠生成動(dòng)力和阻力的受力物體都是杠桿，作用點(diǎn)都在杠桿上，以及從杠桿平衡角度分析出動(dòng)力與阻力的方向和對(duì)杠桿的作用效果是相反的，為接下來(lái)的實(shí)驗(yàn)探究做好知識(shí)鋪墊。通過生活實(shí)例，學(xué)生發(fā)現(xiàn)動(dòng)力和阻力在不同狀態(tài)時(shí)的大小關(guān)系，產(chǎn)生探究問題的興趣。

【探討3】

師：杠桿在平衡時(shí)，你怎樣比較動(dòng)力與阻力的大小關(guān)系？

生：讓阻力不變，改變動(dòng)力，比較動(dòng)力與阻力的大小關(guān)系。

師：你準(zhǔn)備如何改變動(dòng)力呢？

生：改變動(dòng)力的作用點(diǎn)或者方向。

學(xué)生根據(jù)設(shè)計(jì)的方案（如圖3），進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，杠桿平衡時(shí)，測(cè)出并記錄每個(gè)鉤碼的重力、阻力的作用點(diǎn)到支點(diǎn)O的距離、動(dòng)力的作用點(diǎn)到支點(diǎn)O的距離以及動(dòng)力的大小。

師：分析數(shù)據(jù)，你發(fā)現(xiàn)動(dòng)力和阻力大小有什么關(guān)系嗎？你能根據(jù)動(dòng)力和阻力的大小關(guān)系對(duì)杠桿分類嗎？

生：動(dòng)力可以小于、等于、大于阻力，按照動(dòng)力與阻力的大小關(guān)系可以將杠桿分為省力杠桿、等力杠桿、費(fèi)力杠桿。

師：你能找出杠桿省力、等力、費(fèi)力的原因嗎？

生：應(yīng)該是受到動(dòng)力的作用點(diǎn)到O點(diǎn)距離的影響。

師：那F1[′]、F2[′]、F3[′]的作用點(diǎn)到O點(diǎn)距離相同，可為什么大小不同呢？

生：……

[設(shè)計(jì)意圖]學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)，分析數(shù)據(jù)，得到動(dòng)力可以大于、等于、小于阻力。同時(shí)，學(xué)生初步發(fā)現(xiàn)造成動(dòng)力與阻力大小變化的原因在于動(dòng)力作用點(diǎn)到支點(diǎn)的距離。如阻力作用點(diǎn)到支點(diǎn)的距離與F2[′]作用點(diǎn)到支點(diǎn)的距離相等，則F2[′]等于阻力大小，此時(shí)類似于托盤天平，符合學(xué)生的原有認(rèn)知。而教師的及時(shí)追問又引起學(xué)生的認(rèn)知矛盾與好奇心：對(duì)呀！F1[′]、F2[′]、F3[′]的作用點(diǎn)到支點(diǎn)O的距離相同，可為什么它們大小不同呢？動(dòng)力與阻力的大小關(guān)系究竟和什么因素有關(guān)呢？值得研究！

【探討4】

師：動(dòng)力與阻力的大小關(guān)系究竟與什么因素有關(guān)呢？

生：與支點(diǎn)到動(dòng)力（阻力）作用線的距離有關(guān)。

[設(shè)計(jì)意圖]教師引導(dǎo)學(xué)生通過分析數(shù)據(jù)，自主發(fā)現(xiàn)支點(diǎn)到動(dòng)力作用點(diǎn)的距離不同，動(dòng)力F2[′]、F4[′]、F5[′]大小也不同。那么動(dòng)力的大小究竟與什么因素有關(guān)呢？通過觀察圖3，并結(jié)合數(shù)學(xué)知識(shí)，很多學(xué)生會(huì)聯(lián)想到與支點(diǎn)到動(dòng)力所在的直線距離有關(guān)。在此基礎(chǔ)上，教師引導(dǎo)學(xué)生畫出這個(gè)距離（如圖4），測(cè)出并記錄支點(diǎn)O到阻力作用線的距離、阻力的大小、支點(diǎn)O到拉力作用線的距離、拉力的大小。

分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在阻力和支點(diǎn)到阻力作用線距離不變時(shí)，支點(diǎn)到動(dòng)力作用線距離越大，動(dòng)力越小。學(xué)生根據(jù)圖4，自然地將支點(diǎn)到動(dòng)力作用線的距離定義為動(dòng)力臂l1。

保持右邊的彈簧測(cè)力計(jì)豎直向下，拉力大小與作用點(diǎn)都不變，將左邊的鉤碼也換成彈簧測(cè)力計(jì)，再重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，使杠桿平衡，測(cè)量并記錄支點(diǎn)O到左邊阻力作用線的距離和左邊阻力的大小。

學(xué)生根據(jù)畫圖，也自然地把支點(diǎn)到阻力作用線的距離定義為阻力臂l2。

師生通過觀察分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，最終得出動(dòng)力與阻力的大小關(guān)系與動(dòng)力臂和阻力臂有關(guān)，在此基礎(chǔ)上總結(jié)出杠桿五要素：支點(diǎn)O、動(dòng)力F1、阻力F2、動(dòng)力臂l1、阻力臂l2以及為杠桿的分類進(jìn)行更名——省力杠桿、等臂杠桿和費(fèi)力杠桿。

學(xué)生通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和觀察圖形，直觀而自主地發(fā)現(xiàn)每次實(shí)驗(yàn)共同的特點(diǎn)是改變了支點(diǎn)到力作用線的距離，從而得出定義動(dòng)力臂和阻力臂的重要性、必要性和科學(xué)性。同時(shí)學(xué)生了解了動(dòng)力和阻力的大小關(guān)系受到動(dòng)力臂和阻力臂大小的影響，以及它們之間的定性關(guān)系。從定性關(guān)系再到定量關(guān)系探究，知識(shí)層次遞進(jìn)分明，把杠桿平衡探究的難度進(jìn)行有梯度的分解，符合學(xué)生的認(rèn)知。

【探討5】

師：杠桿平衡時(shí)，動(dòng)力、阻力與動(dòng)力臂、阻力臂有什么具體的數(shù)量關(guān)系？

生：動(dòng)力乘以動(dòng)力臂等于阻力乘以阻力臂。

[設(shè)計(jì)意圖]學(xué)生分析以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，作用力為F2[′]時(shí)，等臂杠桿的數(shù)據(jù)相對(duì)直觀，應(yīng)用以前用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表示物理意義的方法，易于得到F2[′]×L2=阻力×阻力臂或[F2′L2]=[阻力阻力臂]。

【探討6】

師：如何進(jìn)一步驗(yàn)證你的想法？

生：每次實(shí)驗(yàn)在前一次基礎(chǔ)上只改變F2、l1、l2中的某一個(gè)量，再用彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)出對(duì)應(yīng)的F1。

[設(shè)計(jì)意圖]學(xué)生嘗試進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)力的大小可以根據(jù)力臂與力的作用線垂直的關(guān)系，通過彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)量，但同時(shí)發(fā)現(xiàn)力臂比較難測(cè)量。

【探討7】

師：這個(gè)實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)在哪里？你準(zhǔn)備用什么辦法解決？

生：難點(diǎn)在于力臂很難測(cè)量。若讓杠桿在水平位置平衡，彈簧測(cè)力計(jì)沿豎直方向拉杠桿，則力臂與杠桿重合，可以直接測(cè)量這段杠桿的長(zhǎng)度。

師：結(jié)合托盤天平的使用方法，在實(shí)驗(yàn)前，是否要調(diào)節(jié)杠桿在水平位置平衡？

生：實(shí)驗(yàn)前需要調(diào)節(jié)杠桿在水平位置平衡，避免杠桿自身重力對(duì)后續(xù)實(shí)驗(yàn)中杠桿平衡產(chǎn)生影響。

師：若實(shí)驗(yàn)時(shí)彈簧測(cè)力計(jì)不沿豎直方向拉杠桿，F(xiàn)1l1=F2l2能否成立？你能否設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證？

[設(shè)計(jì)意圖]教師通過提問，驅(qū)動(dòng)學(xué)生嘗試實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新。學(xué)生斜拉彈簧測(cè)力計(jì)，一次次測(cè)量力臂“失敗”后，通過小組交流，結(jié)合數(shù)學(xué)知識(shí)，提出若拉力作用線是某個(gè)圓的切線，則只要連接圓心與切點(diǎn)（半徑），再用直尺測(cè)量這個(gè)半徑的長(zhǎng)度，即為力臂大小。于是設(shè)計(jì)出模型：在支點(diǎn)處固定一個(gè)豎直圓盤，并貼上以支點(diǎn)為圓心的多個(gè)同心圓的白紙，再在彈簧測(cè)力計(jì)軸線方向上固定一個(gè)激光筆（如圖5、圖6），以便直觀地看到力的作用線與圓相切，從而突破彈簧測(cè)力計(jì)不沿豎直方向拉住杠桿時(shí)的力臂測(cè)量問題。

通過實(shí)驗(yàn)探究得到杠桿平衡時(shí)，動(dòng)力、阻力與動(dòng)力臂、阻力臂具體數(shù)量關(guān)系是F1l1=F2l2。此時(shí)再把以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別代入杠桿平衡關(guān)系式，發(fā)現(xiàn)在誤差允許的范圍內(nèi)，動(dòng)力×動(dòng)力臂=阻力×阻力臂都成立，這個(gè)結(jié)論是科學(xué)的、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)摹Ｍ瑫r(shí)進(jìn)一步分析省力杠桿、等臂杠桿、費(fèi)力杠桿的根本區(qū)別在于動(dòng)力臂與阻力臂之間的大小關(guān)系：當(dāng)l1>l2時(shí)，動(dòng)力小于阻力，杠桿為省力杠桿;當(dāng)l1<l2時(shí)，動(dòng)力大于阻力，杠桿為費(fèi)力杠桿;當(dāng)l1=l2時(shí)，動(dòng)力與阻力相等，杠桿為等臂杠桿。

【探討8】

師：在“撬瓶蓋”活動(dòng)中你使用的工具屬于哪一類杠桿？你是怎么判斷的？

生：省力杠桿。通過畫杠桿五要素圖，比較出l1>l2，再根據(jù)杠桿平衡條件，可以得出是省力杠桿。

師：那么怎樣撬瓶蓋更省力呢？你準(zhǔn)備怎么做？

生：增大動(dòng)力臂。根據(jù)杠桿平衡條件，在阻力和阻力臂不變時(shí)，動(dòng)力臂越大，動(dòng)力越小。

[設(shè)計(jì)意圖]這時(shí)引導(dǎo)學(xué)生分析圖4作用在A點(diǎn)的三個(gè)力F1[′]、F2[′]、F3[′]，依據(jù)杠桿平衡條件，杠桿在圖中位置平衡時(shí)，阻力和阻力臂不變，動(dòng)力臂最大，動(dòng)力最小。支點(diǎn)與動(dòng)力作用點(diǎn)連線最長(zhǎng)就是最大動(dòng)力臂，從而知道三個(gè)力中最小動(dòng)力是F2[′]。

【探討9】

師：你認(rèn)為解決有關(guān)杠桿實(shí)際問題的核心策略是什么？

生：辨別杠桿五要素并畫出杠桿圖，利用杠桿平衡條件解決實(shí)際問題。

[設(shè)計(jì)意圖]生活中，為了達(dá)到不同的目的，往往需要選擇不同類型的杠桿，這就要求選擇者必須會(huì)對(duì)杠桿進(jìn)行分類并了解不同類型杠桿的使用特點(diǎn)。同時(shí)，我們?cè)谑褂貌煌愋透軛U的過程中，需要知道怎樣使用才能實(shí)現(xiàn)此杠桿給工作帶來(lái)的最大成效。在探尋這些實(shí)際問題的解決策略時(shí)，都需要先進(jìn)行杠桿五要素的判斷和圖示，然后結(jié)合杠桿平衡條件進(jìn)行針對(duì)性分析，從而找到解決問題的有效策略。綜上所述，解決有關(guān)杠桿實(shí)際問題的核心策略就是“杠桿五要素的判斷和圖示”。

二、教學(xué)反思

教師基于課程標(biāo)準(zhǔn)，深度備課;聯(lián)系教學(xué)實(shí)際，深思精問，注重問題間的邏輯性和遞進(jìn)性;創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，提出問題，有助于學(xué)生為了解決實(shí)際問題主動(dòng)學(xué)習(xí)，獨(dú)立思考，大膽設(shè)計(jì)，敢于創(chuàng)新。學(xué)生在探究杠桿平衡條件的過程中，通過與學(xué)生“交流”的形式，創(chuàng)造輕松的氛圍，引發(fā)學(xué)生主動(dòng)地思考問題，尋找解決問題的方法，并主動(dòng)動(dòng)手去做，發(fā)揮學(xué)生內(nèi)在潛能和自主創(chuàng)新能力，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)肅認(rèn)真、實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度，真正體現(xiàn)了物理學(xué)科的“生活·物理·社會(huì)”的自然科學(xué)味道，促進(jìn)學(xué)生思維生長(zhǎng)，在“自我探究”的過程中完成“自我提升”。

本節(jié)知識(shí)首先建立杠桿概念，認(rèn)識(shí)杠桿模型，其次探究杠桿平衡條件。若以傳統(tǒng)的教學(xué)方式進(jìn)行本節(jié)課的教學(xué)，學(xué)生會(huì)被動(dòng)地記憶知識(shí)，無(wú)助于物理核心素養(yǎng)在課堂教學(xué)中“生根發(fā)芽”。基于此，筆者以“學(xué)生生活中使用不同工具撬動(dòng)瓶蓋”這個(gè)情境引入，設(shè)計(jì)層層遞進(jìn)的問題，不斷激發(fā)學(xué)生主動(dòng)思考，讓學(xué)生帶著疑問和好奇，自主制訂實(shí)驗(yàn)方案，通過探究解決每一個(gè)問題，最終自主歸納總結(jié)出物理規(guī)律，并運(yùn)用物理規(guī)律解決實(shí)際問題?！耙詥栴}激發(fā)思考，借探究實(shí)現(xiàn)成長(zhǎng)”的課堂教學(xué)為學(xué)生提供一種融洽和諧的學(xué)習(xí)氛圍，注重培養(yǎng)學(xué)生知識(shí)獲得的過程與方法，并且使學(xué)生能夠更加積極地參與到物理學(xué)習(xí)中。教學(xué)過程符合知識(shí)呈現(xiàn)的邏輯順序和學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)了“懂、會(huì)、悟”的三級(jí)學(xué)習(xí)進(jìn)階。

當(dāng)然，這節(jié)課的探究過程還有不足的地方：應(yīng)該讓學(xué)生列舉生活中還有哪些地方使用了杠桿，這些杠桿為我們帶來(lái)了哪些方便，這樣更有利于學(xué)生構(gòu)建杠桿模型，并學(xué)會(huì)使用杠桿;在探究杠桿平衡條件時(shí)，有少許學(xué)生沒有調(diào)節(jié)杠桿在水平位置平衡，在此過程中，與學(xué)生交流討論不足，沒有很好地引導(dǎo)學(xué)生解決此類問題。這些都需要筆者在今后的教學(xué)過程中努力完善。

（作者單位：江蘇省南京市金陵中學(xué)龍湖分校）