基于认知逻辑,开展科学探究-《杠杆》一课教学新探.pdf

传统的“杠杆”知识教学思路是，先给出杠杆的五要素，然后通过实验探究得出杠杆平衡的条件。这是基于知识逻辑的教学。为了更好地帮助学生理解“力臂”概念，探索基于学生认知逻辑的教学：让学生在探究的过程中，打破“动力X支点到动力作用点的距离一阻力支点到阻力作用点的距离”的认知平衡，发现“支点到力的作用线的距离”的价值；然后，在概括杠杆平衡条件的过程中建立“力臂”概念。关键词：初中物理；杠杆；力臂；认知逻辑；科学探究一、思路分析关于“杠杆”知识的教学，当前多个版本教材的设计遵循着传统的思路，即先给出杠杆的五要素一一支点、动力、阻力、动力臂、阻力臂，然后探究杠杆平衡的条件。义务教育物理课程标准（2 0 2 2 年版）（以下简称“新课标”)在“附录”中介绍了“人体中的杠杆 这一跨学科实践案例，其教学实施的思路也与上述思路基本一致：由实践活动引人杠杆，构建杠杆概念（其中就包括给出杠杆的五要素），探究杠杆平衡的条件，应用和拓展。1 这样的编写与教学思路所遵循的是“杠杆”知识的内在逻辑，从知识演绎的角度来看，没有问题：包括物理学科在内的所有理科教材的编写，通常也必须遵循知识逻辑，从而方便一线教学。但从另外一个角度来看，似乎有一个问题被忽视了，即：学生怎么会想到定义“力臂”呢？如果说学生凭着经验或直觉，能够判断“力”是影响杠杆平衡的要素的话，那么，“力臂”则完全不在学生的经验系统与直觉里一一力臂被定义为“支点到力的作用线的课例剖析89距离”,这一定义在绝大多数学生的认知中，都没有相应的表象与之对应，也没有任何情境支撑学生构造这样的表象或形成类似的经验。“力臂”的凭空出现必然会让学生有明显的突元感觉，所对应的学习只能是接受式学习（且很难解释为“有意义的接受)。事实上，对喜欢思考的学生而言，上述教学思路中“力臂”概念的建立，确实让他们有疙疙瘩瘩的感觉。尽管新知学习之后可以通过重复解题来消这种不适感，但毫无缘由地建立一个概念，仍然容易对他们的物理学习形成消极影响。对习惯于接受的学生而言，他们在接受“力臂”概念时，不适感要少些，但在后续应用（如作图题中的作力臂、相关的计算)中，往往会不断出错。这在一定程度上说明，仅凭简单的记忆与重复，并不能让学生真正理解“力臂”概念。从科学探究的角度来看，在探究杠杆平衡的条件之前给出“力臂”的概念，这样的探究是“先测数据，后得结论”。严格来讲，这是肤浅甚至虚假的探究，类似于先输人程序，然后开展程序式的实验。这与科学探究的本义不符，不利于科学探究素养的培育。于是，笔者产生了一种教学设想：在作出必要且可行的铺垫之后，如果不给出力臂的定义，而是让学生在保持杠杆水平平衡的情形下进行探究，学生会得出什么样的结论？实践表明，学生得出的结论中涉及的“长度”往往会是“支点到力的作用点的距离”这才是学生基于经验和直觉的正常反应，才是学生认知规律的正常表现，才是学生探究的出发点。二、实践探索吴国盛教授提出过历史行程与逻辑行程的概念。2 1 基于这两个概念的视角来看当前教材的编写及其对应的教学思路，可以发现其对应的是知识体系的逻辑行程。对于“杠杆”知识而言，因为杠杆平衡的条件需要用力及力臂来描述，因此在得出该条件之前先给出五要素，符合知识演绎的逻辑。但这种逻辑与学生的认知规律（逻辑)相悖，不利于学生科学探究素养的培育。这部分内容的教学思路应当寻求突破。在笔者看来，在“杠杆”知识的历史行程难以重现、逻辑行程不甚合理（其实，很多基本概念或规律的教学都面临这样的矛盾)的情形下，根据学生的认知逻辑，让学生在探究杠杆平衡条件的过程中建构“力臂”概念，应当是合理的选择。这一教学思路对应的观点是：对于“杠杆”知识教学而言，重要的不只是杠杆平衡条件的得出，更应当是“力臂”概念的建立。某种程度上讲，探究得出“力臂”概念的过程，应当是探究杠杆平衡条件过程的核心。考虑到学生的认知逻辑，探究可以分两步：第一步，引导学生在初步探索过程中，自主发现“力”与支点到力的作用点的距离 乘积相等时，杠杆平衡”；第二步，通过变式，让学生发现上述结论并不适用于新的情形，进而探究得出“力臂”概念。当然，因为是完整的课堂教学过程，所以还包含必要的引人、总结、练习等环节。具体教学流程如下：（一）情境导入，铺垫探究基础教师在黑板上画出一个圆，表示地球，借助阿基米德的名言“给我一个支点，我可以撬起地球”，让学生思考：如果你是阿基米德，你会将支点放在何处，又怎么用力去撬地球？在学生思考、画图的基础上，师生研究得到如下页图1 所示的图形。然后，教师进一步提90教育研究与评论中学教育教学/2 0 2 3 年8 月出问题：如果要控制杠杆平衡，那么，应当满足怎样的条件？FV图1这里有一个细节值得商榷：此时有没有必要花较多的时间去解释杠杆平衡？笔者以为没有必要，原因在于学生此前学过的“物体的平衡状态”等知识足以支撑学生对杠杆平衡的感性判断。绝大多数学生大脑中都有“静止即平衡”的认识，而且此时学生所建立的杠杆平衡表象基本上都是水平平衡的。事实证明，这样的简单处理”，不会出现学生因为对杠杆平衡的静止、匀速转动、缓慢转动等理解困难而出现认知冲突的情况，学生能够将注意力集中到探究杠杆平衡的条件上。阿基米德在其论平面图形的平衡中，给出了杠杆原理的逻辑证明，一共提出了7个公设与1 5 个命题。3 考虑到初中生的认知水平，从中选择3 个供其理解：（1）在无质量的杆的两端离支点相等的距离处挂上相等质量的重物，它们将平衡；（2）在无质量的杆的两端离支点相等的距离处挂上不等质量的重物，重的一端将下倾；（3）在无质量的杆的两端离支点不相等的距离处挂上相等质量的重物，距离远的一端将下倾。这三个命题完全符合学生的经验，学生能够迅速形成认同，而且可以由此形成杠杆的平衡与“力”和“长度”相关的初步认识（此时可择机明确支点、动力、阻力等概念）；部分学生还会明确这个“长度”就是“支点到力的作用点的距离”，从而形成“杠杆（水平)平衡时，力与支点到力的作用点距离的乘积相等”的认识。（二）实验探究，建构相关概念1探究杠杆水平平衡的条件教师让学生在控制杠杆水平平衡的前提下，测得动力、阻力、支点到动力和阻力作用点的距离，引导学生得出杠杆平衡的“条件”（其实是杠杆水平平衡的条件）：动力X支点到动力作用点的距离阻力支点到阻力作用点的距离。这是为了帮助学生建立初步的认知平衡。日常的生活经验与前一环节中的史料吸纳，足以让学生认识到杠杆的平衡与受力及距离有关。“距离”是本次探究的重点。通常情况下，学生容易想到的是“支点到力的作用点的距离”。此时，教师应认同学生的这一观点，并借助更多的实验来提供数据，以放大学生对这一观点的认同，从而巩固学生此时的认知平衡。2体验让不平衡的杠杆平衡的过程教师拿出提前准备好的竹竿或铝合金杆制作的大的杠杆一与学生身高相近，一端挂一个较重的物体,另一端系上一根绳子；然后，改变拉力的方向（即绳子绕固定点转动），让学生感受力的变化一一拉力方向变了之后，需要用更大的力才能让杠杆平衡。这样的体验，可以帮助学生建立“支点到力的作用点距离不变，但力的方向改变后，杠杆会变得不平衡，需要改变力的大小使之重新平衡”的新认识。其本质上是用新的情境来打破学生刚刚形成的认知平衡，以奠定后续探究的基础。3探究力的方向改变后杠杆平衡的条件在支点和力的作用点均不变的前提下，教师改变一个力的方向（可采用教科版初中物理八年级下册中的方法：如下页图2 所示，用带杆的滑轮向左推动右边挂钩码的悬线，课例剖析91改变作用力的方向。但此法只能定性，不能定量），让学生观察杠杆失去平衡。然后追问：杠杆还平衡吗？力的大小变了吗？支点到力的作用点的距离变了吗？图2引导学生在体验的基础上开展新的探究实验（变式），可以有效地打破他们的认知平衡，即让学生认识到“力”与支点到力的作用点的距离 乘积相等”并不是杠杆平衡的条件。于是，新的问题就出现了：杠杆的平衡条件到底是什么呢？此时，教师引导学生猜想、推理（类比推理)：根据探究实验中杠杆的转向，判断力的方向变了之后，杠杆会发生的相应转动，从而判断这一情形类似阿基米德命题3,可以等效为“改变力的方向，相当于改变了距离”。由于前一步引导只能让学生形成定性判断，难以发现定量规律，因此，还应当引导学生通过实验测出具体数据，发现定量关系。在引导过程中，教师提醒学生：此前的探究实验表明，如果在实验时选择易处理的数据，会更容易发现规律。于是，学生想到，在改变力的方向时，可控制力与杠杆的夹角分别为3 0 6 0 可用三角板来确定），在控制杠杆平衡的前提下，分别测出力的大小（实验过程没有明显创新，这里不赘述)并通过表格(如表1)来呈现实验结果。要注意的是，要想准确测出数据并不容易，主要原因是实验过程中的摩擦因素存在。实验中,若想数据更加准确，则要减小摩擦，同时用更精确的弹簧测力计。在定性实验的基础上，运用仿真实验来得到数据以供后续的分析，也未尝不可(这里亦不赞述）。表1“探究力的方向改变后杠杆平衡的条件”实验记录支点到动支点到阻力与杠杆实验动力力作用点的夹次数Fi/N的距角/度离/格1234.数据分析探究“力臂”，本质上就是寻找与“力”相乘后能够形成等量关系的“距离”。这个“距离”可由控制的“角度”与“支点到力的作用点的距离”来综合分析得出。如果学生想不到角度，则教师可以提醒、引导，具体可以依据原先建立的公式来引导：“动力X支点到动力作用点的距离一阻力支点到阻力作用点的距离”中，等号左边的物理量没有发生变化；等号右边的力变大，若要保持等量关系成立，那必定意味着距离变小；力的大小已经测出，与之对应的距离也就可以算出，那这个距离对应着装置中支点到哪里的距离呢？实践表明，在这样的引导之下，学生会发现：原来，影响杠杆平衡的不是“支点到力的作用点的距离”，而是“支点到力的作用线 的距离”。虽然只是一字之差，却有着本质的区别，于是就将后者定义为“力臂”与其对应的动力臂与阻力臂就自然成为影响杠杆平衡的五要素之二。这样的探究过程中，还可能会得出一个“副产品”，即会出现“可不可以用支点到力的作用点的距离和角的组合来描述杠杆平衡所需要的距离”力作用点阻力的距F2/N离/格90603092教育研究与评论中学教育教学/2 0 2 3 年8 月之类的问题。由于这里涉及三角函数等数学知识，因此可不详解，但应肯定学生的发现。得出数据之后，重点就是对数据进行分析与处理。关于数据分析与处理，新课标提出要“培养学生分析和处理数据的能力 幻。这其实是一个非常值得研究的课题，其意味着实验中收集数据只是基础性工作，分析与处理数据才是支撑规律发现的核心环节。对“力臂”而言，分析、处理数据的过程应当是基于学生的直觉及逻辑进行推理的过程一一力臂不具有直观性，因此需要通过推理来获得。学生在“否定”了“支点到力的作用点的距离”之后，只有基于数据的处理与分析，才能得出影响杠杆平衡条件的因素是“支点到力的作用线的距离”。三、回顾反思当下,基础教育面临核心素养培育的宏观目标。用新课标中的物理学科核心素养内涵来解析上述教学，可以发现一些新意。比如,这样的探究过程中，学生能够看到更多的现象并形成问题；能够在数据处理与分析中有所发现，同时能够打破原有认知平衡并建立新的认知平衡；既可以在切身体验中收获经验，又可以面向物理学史获得信息这种螺旋上升的探究过程，更符合科学探究的意味,科学思维及科学态度与责任也能够在这样的过程中获得生长。在核心素养培育的宏观背景之下，在继承物理教学优秀传统的基础之上，物理教学要尽量关注学生的认知规律与认知逻辑，尤其需要在关注学生经验的基础上预设学习过程；要思考传统的教学思路与学生可能的学习过程之间是否存在矛盾杠杆一课教学告诉我们，这是可以实现的。也只有这样的教学，才能让学生的学习过程在认知规律的驱动之下变得更加合理；也只有在这样的过程中，学生才会有更多的体验感与获得感。当然，上述教学并非“完美”。数周之后的一节物理课上完，一位男生提出一个问题：这道题（题略)选项中的“影响杠杆平衡的是支点到力的作用点的距离”为什么是错的？虽然这个学生的物理学习基础比较薄弱，但他在课上的参与度还比较高。他在一段时间之后提出这样的问题，不禁引发笔者反思：他的提问，是因为遗忘还是当时体验不够深刻？又或者是笔者的努力没有覆盖到所有的学生？是不是在追求教学进度的过程中压缩了像他这样的学生的思考机会？将这一系列问题放到整个践行的进程中，同时结合大多数学生的即时反应及后续反馈，可以认定：理论层面的分析没有问题，实践层面的效果基本符合预期（大多数学生对“支点到力的作用点的距离”与“支点到力的作用线的距离”的差别印象深刻）。既然有学生提出这样的问题，就说明探究的过程还有优化的空间，面向全体学生强化“愤排”体验、放大“启发”效应，应当是后续教学进一步优化的着力点；对于少数学生课上积极但学习效果不佳，也应当寻求背后的学习心理因素。参考文献：14中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准（2 0 2 2 年版)S.北京：北京师范大学出版社，2 0 2 2：6 1-6 2,2 8.2吴国盛.科学的历程（第二版)M.北京：北京大学出版社，2 0 0 2：5.3胡化凯.物理学史二十讲 M.合肥：中国科学技术大学出版社，2 0 0 9：1 9 9.课例剖析93