基于深度学习的杠杆力臂创设优化策略探究

摘 要：杠杆的教学一直是初中物理的重点内容，如何创新教学方法，促进学生深度学习，是每个物理教师需要思考和关注的问题。文章从教学实践出发，运用创新教具的方式引导学生主动思考，深度学习，从更直观更有趣的角度掌握杠杆知识，实现物理学科素养的提升。

关键词：深度学习;杠杆原理;课堂引入;教学过程

中图分类号：G633.7 文献标志码：A文章编号：1008-3561（2020）19-0095-02

“深度学习”是指学生基于教师预设的专业方案经历有指导、有挑战、高投入、高认知，并获得意义的学习过程。深度学习强调理解，具有联想与建构、活动与体验、本质与变式、迁移与应用、价值与评价等特征，其目的是指向人的全面发展，是形成学生核心素养的基本途径。初中物理“杠杆”一节，教师常直接抛出力臂概念，这样的方式不符合知识的螺旋结构特征，学生被动接受“力臂”概念，没有触及“力臂”的本质概念，在遇到涉及“力臂”的实际问题时，往往不能正确利用力臂概念解决实际问题，找准力臂。

笔者在教学过程中发现，学生常常认为力臂是“支点到力的作用点的距离”，但实际上力臂定义为“支点到力的作用线的距离”。对此笔者自制了一个教具（此教具在2018年江苏省初中物理实验创新评比中获得省级二等奖），让学生在操作和亲身体验中真正感受力臂的本质含义。

该教具主体是一个直径为40 cm的透明圆盘（如图1），在圆心O处钻孔，中心需要穿过一个铁制转轴，所以孔的半径必须略大于铁质转轴的半径，以确保能让圆盘以O点为转轴顺利地自由旋转起来，A点距离圆心O是8 cm，连接OA，并延长成為一条直径，而B点与G点都在这条直线上，OB=OG=26 cm。过A点作一条垂直于OA的直线，点C、D、E、F是该垂线上的任意点。确定好圆盘各点以后，便将每个点做好标记，以便之后打孔。整个圆盘采用塑料板制成，在板上所有画点的地方打上孔，孔的大小确保能够放入挂钩，每个挂钩的质量须保持一致，以保证实验的科学性。最后为了增加可视性和美观性，在塑料板做的圆盘表面覆盖上一层白纸，用黑色记号笔标出各点以及如图1所示的三条虚线，两条为圆盘的直径，另外一条为力的作用线。在圆心处穿过一个长柄螺丝作为转轴，并用螺片与螺母前后固定圆盘，使其旋转时不会左右摆动。将转轴放置于自制的铁架台上，铁架台高度至少大于圆盘的半径，同时也需要一定的宽度，这样圆盘转动起来既不会触碰地面，也不会让挂钩触碰到铁架台。

实验前，首先要启发学生，圆盘也是一个杠杆。它同样具有杠杆的五个要素，当圆盘作为杠杆时，它的支点就是O点。实验分为以下几个步骤：

第一步，在B点处竖直悬挂100 g的砝码，让学生自己在G点处悬挂砝码，如果将B点处的钩码重力看作动力的话，那么在G点处的钩码应该就是阻力。学生会发现在G点处挂的钩码大于100 g或者小于100 g都会让圆盘旋转起来。由此可以让学生明白，如果挂上钩码圆盘静止，说明杠杆处在平衡转态，如果杠杆旋转，则杠杆处于非平衡状态，学生初步认识到圆盘杠杆的工作原理。

第二步，根据所学杠杆的平衡条件，学生能很容易回答出，如果在G点处悬挂一个100 g的钩码，圆盘将不再旋转（杠杆平衡），此时如果提问：动力臂与阻力臂是什么？学生可以立刻在圆盘上读出动力臂与阻力臂分别为OB与OG。

第三步，将钩码从OB换到OA，由于动力臂变为原来的二分之一，那么根据杠杆的平衡条件，动力需要变为原来的两倍，当A处挂上200 g的钩码时，杠杆平衡，学生能快速回答出此时的动力臂为OA。

第四步，提问：如果将A点的200 g砝码挂到C、D、E、F处，杠杆还能保持平衡吗？由于之前关于力臂的概念掌握不牢固，有些学生会认为圆盘会旋转，实验证明圆盘并有旋转。这时再提问，钩码挂在C、D、E、F时的力臂长短与钩码在A时的长短有没有区别？因为明显的实验现象，学生会明白钩码挂在A、C、D、E、F时，力臂的长短是一样的，即能够明白力臂其实是支点到钩码重力作用线的距离。

在制作此教具过程中，笔者也遇到许多问题，并积极寻找解决方法。第一，虽然每个挂钩的质量是一样的，但是由于圆盘两侧装的挂钩数量不同，所以挂钩上不放任何钩码时没有办法在图1所示的情况下保持平衡状态，所以笔者在G点背面粘了几个螺母用来平衡圆盘另一侧挂钩的重力。第二，由于圆盘自身重力较大，转轴对于铁架台的压力也较大，由此带来的系统摩擦力会变得很大。当杠杆两端已经满足杠杆平衡条件时，杠杆是倾斜的，无法在正确的位置保持平衡状态。所以笔者把长柄螺丝（转轴）两侧的螺纹用机械磨成光滑的，减小整个装置的摩擦力。第三，因为圆盘较小，所以直接在E处挂钩码可能会让钩码触碰到下方A处的挂钩，导致钩码是倾斜的，改变了力臂的大小，为此下方需要悬挂多个钩码，那么可以用线将挂钩与钩码系在一起，从而避免这一问题。

由于学生对实验是非常感兴趣的，所以课堂反馈也很积极，同样也产生了许多知识迁移。第一，学生一致认为圆盘状的杠杆很新颖，在学生的前概念中，总是认为杠杆只是一个硬棒，现在竟然还能构造成一个圆盘。学生特别喜欢在测试前转动转盘，并且讨论圆盘的平衡状态是怎么样的一种运动状态。第二，有的学生发现在教具两边不悬挂任何物体的情况下，转盘一定会回到某一位置，对此有的学生认为这是因为转盘的质量分布不均匀，有的学生认为是左右两侧挂钩的重力让圆盘只有在某一位置才满足杠杆的平衡条件。当然学生的说法都有一定的道理，从不同的角度出发，所得到的猜想也是不相同的。第三，接着第二点，有的学生就发现了圆盘背后的螺母片，由此提出问题：螺母片的质量是多少呢？对此，学生动手把圆盘上所有的挂钩卸下来测量质量，根据杠杆的平衡条件，计算出螺母片的质量。

这种猜想和计算是很有意义的。学生能通过认识实验装置，自己动手操作，仔细体会教具的每个细节，丰富学习经历，产生反思性、批判性思维，提升学习的画面感和成就感。这表明只要教师开动脑筋，学生的深度学习是可以引导的，可操作的，也是有效果的。

参考文献：

[1]尤小平.学历案与深度学习[M].上海：华东师范大学出版社，2017.

[2]郭元祥.论深度教学：源起、基础与理念[J].教育研究与实验，2017（03）.

作者简介：施俊涛（1996-），男，江苏苏州人，中学二级教师，从事物理教学与研究。