“二力平衡”科学探究的深度备课及实验改进

顾晓芳

摘   要：基于情境，始于问题，成于探究的初中物理教学，适合培养初中生的学习能力，满足初中生的学习需求。在研究学生的基础上，教师设计了符合学生学情的教学，这有助于激发学生的学习兴趣，提高课堂教学质量。通过以八年级下册“二力平衡”的教学为例，谈谈教师如何研究学情，进而怎样利用情境探究促进学生学习方式的改进。

关键词：初中物理;实验改进;科学探究;情境

中图分类号：G633.7    文献标识码：A    文章编号：1009-010X（2018）35-0050-03

二力平衡及其条件是初中物理教学中的一个重要内容，教材在介绍了二力平衡的概念后，设计了“探究二力平衡条件” 的活动，通过探究活动得到了二力平衡的条件。教材内容篇幅不大，情境丰富，条理清晰，言简意赅，留给教师发挥的空间很大。笔者多次在现场观摩课中听到这节内容，经过多次观摩比较，在心中产生了几点疑惑：二力平衡的条件究竟需要探究什么？该如何进行探究？对这些疑惑进行思考后提出了自己的一些见解以及改进方法。

一、“二力平衡的条件”需要探究的内容

教材首先借助多个生活情境帮助学生认识两个有关平衡的概念：1.若物体在几个力的作用下仍保持静止或匀速直线运动，我们就说该物体处于平衡状态;2.如果物体在两个力的作用下处于平衡状态，我们就说这两个力相互平衡，简称二力平衡。待学习完这两个概念后，教材提出问题：“你认为两个力在怎样的条件下才能平衡？”通过实验探究，教材最后得出结论——当作用在同一物体上的两个力，大小相等、方向相反且在同一条直线上时，这两个力才能平衡，即二力平衡的条件可简化为如下四个：同体、等值、反向、共线。

鉴于教材上的这个结论，教师在教学设计的猜想环节中，提出了四个探究问题：两个力的大小有什么关系;方向有什么关系;是否作用在同一物体上;是否作用在同一条直线上。

（一）分析与思考

仔细推敲一下上述的两个概念和结论可以发现，二力平衡产生的前提是“一个物体”受到“两个力”的作用，且这两个力必须同体。这是二力平衡的前提，当然也是二力平衡的条件，那么这个条件是否需要在课堂教学中进行探究呢？

在实际教学中，教师都把这个条件作为探究内容。即教师在完成另外三个条件的探究之后，用一把剪刀把研究对象——“卡片”从中间一剪为二，看到卡片不再保持静止，由此证明这两个力必须同时作用在同一物体上。

深入思考后可以发现，当卡片被一剪为二时，实验条件也随之发生了质的变化。其一，研究对象发生了改变，已经不再是原来的那一张卡片了，而是两个半张卡片，研究对象也由一个变为两个;其二，研究对象受力的个数发生了改变，两个拉力分别作用在两个半张卡片上，这样研究对象受到的拉力就只有一个，而不是两个。所以，无论从研究对象，还是从研究对象受力的数量来看，都已经背离了“二力平衡”这个概念产生的前提。

（二）反思与总结

基于以上分析，笔者认为既然“二力平衡”的概念是基于“物体在两个力的作用下”这个前提，那么“同体”这个条件是否值得进行实验探究就还有待商榷。教师在备课过程中要深入研究教材，认真做到科学地解读教材，科学地探究教材，教师的科学素养得到了提升，才能潜移默化地影响学生，帮助学生习得更为科学的学习方式。

二、“二力平衡的条件”究竟该如何探究

教材上把质量较小的卡片作为研究对象，两边的钩码通过定滑轮水平作用在卡片上。在探究二力的大小关系时，通过改变钩码的个数来改变拉力的大小;在探究二力的共线关系时，通过将卡片旋转一个角度来改变拉力的方向。由于卡片的重力远小于钩码对卡片的拉力，所以卡片的重力可忽略不计。

在教学过程中，教师在教材的基础上都有所创新，如有的教师在实验前植入了“为什么选择质量可以忽略的卡片作为研究对象”的实验探究和逻辑推理环节，这令实验过程更趋完善。

（一）如何才能做到卡片的重力可忽略不计

“忽略不计”是进行物理学研究的一个重要思想，它在初中物理中出现的频率比较高。为什么要“忽略”呢？满足什么条件才可以“忽略不计”呢？教师在教学中应当正确引导、科学示范，以此让学生真正理解“忽略不计”的适用条件并正确掌握，进而加以实际运用。

在探究二力平衡条件的过程中，相关因素是钩码对卡片的两个水平拉力，同时还存在着干扰因素——卡片的重力。两侧钩码通过定滑轮对卡片施加水平方向的拉力，卡片在重力的作用下向下运动，使卡片两侧连接钩码的细线也向下移动，由此导致卡片两侧的拉力方向不再水平。卡片的重力干扰需要消除，但卡片的重力客观存在，所以只能设法忽略。

基于以上分析可知，卡片的重力相较于水平方向的拉力越小，对实验的影响越小。因此当卡片的重力远小于钩码的重力时，卡片的重力可以忽略不计。

（二）如何才能通过将卡片旋转一个角度来探究二力的共线关系

在探究二力平衡的条件时采用的实验方法是控制变量法，即在探究二力的共线关系时，提前确保二力的大小相同、方向相反。

在教学过程中，教师将矩形卡片旋转一个角度后，能否保证二力的大小相同、方向相反呢？这取决于卡片的位置和旋转轴的方向。如果将卡片放置在两个定滑轮的正中间，并以卡片的中心为旋转轴，那么卡片被任意旋转一个角度后，二力的大小仍然相同、方向依旧相反。如果卡片不在正中间，或者旋转的支点不是卡片的中心，那么卡片被旋转一个角度后，二力的大小不变，但二力的方向很可能不再相反，此时的变量会有两个——不反向和不共线，由此导致实验结果不科学不可靠。

三、“二力平衡的条件”实验改进

本教材的探究教学优点是：形象直观。同时带给师生两个困扰：一个是干扰因素（卡片的重力）;一个是器材陌生（定滑轮）。这给教师的教学带来了不便，也给学生的学习制造了麻烦。为了规避这些教学上的不利因素，笔者另辟蹊径，尝试用弹性绳和圆形薄铁片来取代教材上的实验进行教学。

（一）改进的设想

既然物体的重力无法消除，不如将物体的重力由干扰因素转变为相关因素，即探究物体在拉力和重力的作用下处于平衡状态时需要满足什么条件。这样定滑轮也失去了作用，实验器材变得精简。实验的简化，为学生思维的深度训练提供了机会。

另外，由于竖直方向的重力比较抽象，拉力和重力的大小关系不直观，所以教师准备了几个长度、颜色不同的箭头贴在圆形薄铁片上，如此可将重力、拉力的大小关系、方向关系直观地进行标识，以便于学生思考。

实验器材：铁架台、小球、弹性绳、弹簧测力计。

提出问题：

1.说出图3中的小球受到哪些力的作用？

2.根据生活经验猜想这些力满足什么条件小球才能平衡？

（二）探究过程

1.探究二力的大小关系

用弹簧测力计分别测出小球的重力G和弹性绳在图3中拉伸长度为l时的弹力F，得到F=G。在图3的基础上，用手将小球轻轻往上托一点（图4），判断此时F和G的大小关系，以及松手后小球的运动情况;用手向下拉一点（图5），判断此时F和G的大小关系，以及松手后小球的运动情况。

2.探究二力的方向关系

如图6所示，将小球竖直往上拉，使弹性绳的拉伸长度为l，保证小球受到的力F=G。根据经验猜想小球能否在松手后静止，然后按此过程进行实验得出结论。

3.探究二力的共线关系

如图7所示，将小球转向一侧，并保持弹性绳的方向竖直，长度为l，同时保证小球受到的力F=G，根据经验猜想小球能否在松手后静止，然后进行实验得出结论。

拓展训练：将教材上的“探究二力平衡的条件”作为拓展训练的内容。

（1）如果按照教材上用卡片进行探究，需要解决什么问题？

（2）设计探究过程。

虽然教无定法，但一定要以生为本。教材只是一个例子，教师应该根据自己学生的學情，创造性地运用教材，选择符合学生学习情境，能够引导学生进行探究的教学方式，以此帮助学生体验获取知识的过程，感受学习的乐趣，并最终实现我们的教育目标。