试论“力臂概念”教学改进的有效性

陈伊淳 陈刚

摘 要：基于信息加工心理学，从而分析力臂概念教学结论中获得的逻辑机制包括排除因果关系的演绎法和求同的归纳法，并依据信息加工的要求，讨论三个力臂概念改进教学方案的合理性及其依据.本文以“力臂概念”教学为例，试图对教学结论的信息加工过程进行微观剖析，为有效教学提供稳定一致的评价标准和合理的建议.

关键词：力臂;物理教学;信息加工心理学;演绎;归纳

中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1008-4134（2021）04-0008-04

作者简介：陈伊淳（1996-），女，广东人，硕士研究生，研究方向：物理教学;

陈刚（1968-），男，上海人，博士，副教授，研究方向：科学课程学习心理及教学理论.

力臂概念的引入是杠杆教学中的重难点，正确认识力臂、理解力臂的物理意义，是理解杠杆平衡规律的基础.在多个版本的初中物理教材中，大都直接通过文字给出力臂的定义，而忽略了力臂的物理意义.由于学生没有经历力臂概念的建构过程，而是被动接受力臂的定义，所以大部分学生对力臂概念的学习只能达到知其然而不知其所以然的效果.不少物理教师为突破力臂概念这一教学难点，制作创新型的实验教具，进行教学改进.

1 三种力臂引入的教学改进方案

1.1 方案1：宽杠杆教具

田成良等在“剖析力臂概念教学的逻辑”[1]一文中利用如图1所示的宽杠杆装置，进行三次实验.宽杠杆左侧的力和距离保持不变，右侧的拉力也保持不变，三次支点到作用点的距离不同，分别为OB、OC、OD，说明影响杠杆平衡的距离不是支点到力的作用点间的距离.教师进而引导学生，三次实验虽然力的作用点不同，但是支点到右侧力的作用线的距离OB是相等的，因此支点到力的作用线的距离，才是影响杠杆平衡的因素.

1.2 方案2：同心圆教具

黄建林等在“应用自制教具突破力臂概念教学难点”[2]一文中，采用如图2所示的自制同心圆教具进行教学设计.四次实验分别保持杠杆在水平位置平衡，左侧钩码的数量和悬挂位置不改变，甲图中，弹簧测力计为10N;乙图中，弹簧测力计示数为7.5N;丙图中，使弹簧测力计方向分别朝左下和右下，示数为10N;丁图中，把弹簧测力计往右移，使弹簧测力计方向分别朝左下和右下，示数为10N.引导学生比较丙图和丁图，得到结论：圆心到力的作用线即该圆切线的距离都是该圆的半径.

1.3 方案3：弯折杠杆教具

姜兰等[3]在引入力臂的实验改进中，利用如图3所示的教具，两根轻质均匀的木板，能绕中心轴旋转，两边用夹子作调节配重码，保持杠杆左端水平.通过甲图和乙图的实验发现，尽管悬挂重物的位置变了，但力的作用线与原来在黑板上画的作用线重合.引导学生分析尽管右侧钩码在杠杆上的位置变化了（从A点到B点），但支点到力的作用线的距离没变，由此顺利地引入力臂的概念.

1.4 问题的提出

以上研究者都对力臂的引入作了教学和实验上的改进，认为其教学方案能够有效地促进学生对力臂概念的理解和运用.然而，只有厘清力臂概念建立过程获得的结论、对应的逻辑加工机制以及应该呈现的必要信息，才能有据可依地评价教学方案的有效性，并给出相应的教学建议.因此，下文将从信息加工心理学的角度，回答下述问题：

（1）上述教学改进是否有效？有效性的依据是什么？

（2）上述教学方案是否仍有改进之处？如何改进？改进的依据是什么？

2 基于信息加工心理学的学习机制

2.1 物理概念意义的习得机制

学习心理学揭示出学习的内部机制，证明学生学习的过程实则是进行信息加工的过程，符合学习机制的教学才是有效的教学，这为教学指明了方向[4].

物理概念是客观事物的物理共同属性和本质特征在人们头脑中的反映，是物理事物的抽象 [5].学生学习物理概念的意义，就是通过运用合理的信息加工方式对现象信息进行逻辑加工，从而习得物理概念的本质特征和概念间的因果联系.

物理概念绝大多数是通过下定义的方式清晰界定，实际上也是通过与其他物理概念间的关系来界定的，主要关系有定性关系（如杠杆是否平衡与作用在杠杆上的力、力臂有关）、定量关系（如杠杆平衡规律描述了动力、动力臂、阻力以及阻力臂之间的数量关系），在学习过程中，往往还要排除两个对象间不存在因果联系（如支点到力的作用点之间的距离与杠杆平衡没有因果联系）.个体形成相关概念间联系或排除因果联系的方式是逻辑的.因此，学生习得物理概念意义，就是通过学生自己的思维活动形成这些概念间的本质、因果联系.

2.2 建立物理量间因果联系的逻辑方法

探究因果联系的归纳法主要有求同法、差异法、共变法、求同求异法等.求同法是通过考查被研究对象出现的若干场合，确定在各个场合先行情况中是否只有另外一个情况是共同的，如果是，那么这个共同情况与被研究的现象之间有因果联系.其结构见表1.

3 力臂概念的习得机制及教学合理性讨论

3.1 方案1结论建立的逻辑过程

该教学方案中，加入拓展实验，引发认知冲突，本质上是为了得到两个教学结论.

结论1是杠杆平衡与支点到力的作用点的距离无关;

结论2是杠杆平衡与支点到力的作用线的距离有关.

结论1排除了点到点的距离与杠杆平衡的联系，其学习机制应遵循排除因果联系的演绎推理.

通过三次实验，获得信息见表2.

由上述信息，獲得结论“杠杆平衡与支点到力的作用点的距离无关”.所用推理如下.

大前提：如果杠杆平衡与支点到力的作用点的距离有关，则支点到力的作用点的距离变化，杠杆平衡状态也变化.

小前提：支点到力的作用点的距离变化（分别为OB1、OB2、OB3），而杠杆仍能保持平衡.

结论：杠杆平衡与支点到力的作用点的距离无关.

结论2通过求同法得到杠杆平衡与点到线的距离有关的结论，逻辑结构见表3.

3.2 方案2结论建立的逻辑过程

该教学方案，实验装置上增设若干个同心圆以辅助，以弹簧测力计取代一侧的砝码作为动力，实验过程中动力方向加以改变，获得多组实验数据.

获得结论：杠杆平衡与支点到力的作用线的距离有关.此结论通过求同法获得，学生对图2丙、丁的信息加工逻辑结构见表4.

3.3 方案3结论建立的逻辑过程

该教学方案通过弯折杠杆，调节配重片，在保持杠杆平衡的条件下，引导学生观察不变的物理对象.

结论1是杠杆平衡与支点到力的作用点的距离无关;

结论2是杠杆平衡与支点到力的作用线的距离有关.

结论1排除了点到点的距离与杠杆平衡的联系，其学习机制应遵循排除因果联系的演绎推理.

通过图3甲、乙两次实验，获得信息见表5.

3.4 小结

由上面对力臂概念习得中排除因果联系和定性关系的逻辑过程梳理，不难发现三个方案都遵循了求同法，尝试引导学生识别杠杆平衡这个共同结果下的共同条件，即支点到力的作用线的距离不变，从而建立杠杆平衡与支点到力的作用线的距离有关的结论.和教材直接给出力臂的概念相比，学生通过内部的逻辑加工机制，建立起杠杆平衡和支点到力的作用线的距离之间的联系，从而摆脱概念的机械记忆，习得力臂概念的物理意义.这三个教学方案获得结论的过程，基本符合逻辑加工的过程，因此所做出的改进，是比较合理的.

4 教学建议

4.1 信息加工机制对教学设计的要求

根据信息加工机制，有效的教学设计应满足如下要求.

容量限制要求：教学中提供给学生、获得结论所需的信息，应保持在适度范围，减少干扰信息.

序列加工要求：教学中提供信息的方式应满足呈现一次加工所需的信息，获得一个新的结论.

信息加工方式要求：教学中信息呈现应符合特定结论获得的加工方式.

要实现上述目标，教师应分析教学结论的内容及数量，并通过追踪每一教学结论获得的信息流程，确定新结论建立的必要信息及加工方式，由此对教学活动做出合理安排.

4.2 方案1教学建议

获得结论1和结论2所需的信息应遵循序列加工要求.先呈现表1的信息（支点到力的作用点距离分别为OB1、OB2、OB3，杠杆保持平衡），获得杠杆平衡与支点到力的作用点的距离无关的结论;再呈现表2的信息（力的作用点改变的情况下，支点到力的作用线的距离均为OB2，杠杆保持平衡），获得杠杆平衡与支点到力的作用线的距离有关的结论.

以更清晰的方式呈现求同法的共同条件.获得结论2 的过程中，教师应引导学生关注到信息加工所需的信息，在杠杆保持平衡的条件下，支点到力的作用线的距离均为OB2，在识别必要信息后，学生才能启动逻辑加工，通过求同法获得结论.因此，教师可以适当地在黑板上用虚线画出线段OB2，帮助学生识别这一必要信息.

4.3 方案2教学建议

根据图2甲、丙、丁呈现的信息，增设排除因果联系获得结论环节.比较图2甲、丙、丁，发现在杠杆平衡的共同结果下，弹簧测力计示数均为10N，但支点到右侧力的作用点的距离不同，可通过排除因果联系的演绎法获得“杠杆平衡与支点到力的作用点的距离无关”的结论，推理形式如下.

大前提：如果杠杆平衡与支点到力的作用点的距离有关，则支点到力的作用点的距离变化，杠杆平衡状态也变化.

小前提：支点到力的作用点的距离变化（分别为3、4、5个单位长度），而杠杆仍能保持平衡.

结论：杠杆平衡与支点到力的作用点的距离无关.

排除了杠杆平衡与支点到力的作用点距离的关系之后，再通过求同法由图2丙、丁建立定性关系，符合序列加工的要求，教学更为合理.

4.4 方案3教学建议

遵循容量限制，减少干扰信息.尽管方案3将力的作用线画在黑板上，有助于学生直观地识别必要信息，即图3中力的作用线并没有改变，从而对共同条件和共同结果进行加工，获得结论.由于杠杆有自重，该方案在每次右侧杠杆角度改变之后，都需要调节配重片，使得杠杆左侧在水平方向平衡.加上配重片，该杠杆共受四个力的作用，也就有四个力臂，配重片的位置会给学生带来干扰，阻碍学生识别有效信息，即支点到右侧钩码的力的作用线的距离.因此教师应说明配重片的作用，并在调节配重片后，向学生强调弯折杠杆左侧的水平状态，再挂上钩码，引导学生识别支点到右侧钩码力的作用线的距离.

5 结语

学习是信息加工的过程，教学只有满足信息加工机制要求，才能达到教学目标.本文基于信息加工心理学理论，讨论了力臂引入教学的几个方案的合理性以及改进建议.由上述讨论可见，对教学结论的信息加工过程进行微观剖析，给教师提供了一种有据可依的分析方式，使得教师能够对学生习得结论所需的信息和信息呈现方式等进行合理的设计，进而安排相关的教学活动事件.因此，将教学建立在可靠的学习理论基础上，可以为有效教学提供稳定一致的评价标准和合理的建议.

参考文献：

[1]田成良，孔令坤，赵瑞雪.剖析力臂概念教学的逻辑[J].中学物理（初中版），2019，37（06）：5-6.

[2]黄建林，朱春凤，王华震.应用自制教具突破力臂概念教学难点[J].物理教师，2017，38（04）：45-47.

[3]姜兰，孙伟.平面镜成像实验和引入力臂实验的改进[J].物理实验，2013，33（06）：14-15.

[4]陈刚.论物理概念和规律意义学习的教学设计——学习心理学的視角[J].全球教育展望，2014，43（12）：58-71.

[5]陈刚.新编物理教学论[M].上海：华东师范大学出版社，2006.

（收稿日期：2020-11-17）