基于物理核心素养的实验教学设计

曾育群

摘   要： 通过对“杠杆力臂的实验探究”的教学设计，引导学生如何进行物理概念的建构，将抽象的物理概念直观化，引导和培养学生的建模能力，同时让学生亲身经历实验的设计和探究过程中，观察实验现象，总结物理规律，培养学生勇于提出问题的质疑精神。

关键词：物理实验;科学素养;杠杆平衡;力臂

核心素养下的物理实验教学要求学生亲身经历科学的探究过程，在概念教学中，对简单的物理概念进行深入理解和剖析，转变教学的思维逻辑，学会从实验探究中总结提炼物理概念，而不是简单的下定义并进行背诵，从而提高对学生的思维不断冲击训练，培养其科学推理能力。因此，本文通过自制“力臂探究”实验教具，让学生参与力臂的概念建构过程，直观展示了物理模型，激发了学生探究的热情。

1  教材分析

爱恩斯坦曾经说过：提出一个问题往往比解决一个问题更重要[ 1 ]，在沪科版八年级物理“杠杆的平衡条件”中，力臂概念和画法是本节课的重难点，课本采用直接对力臂下定义，没有科学的引入力臂，学生也不清楚力臂概念的由来，这样概念是强加的，没有进行合理地科学创设。因此，有必要设计力臂实验教具，让学生参与力臂的模型构建。

2  学情分析

在学习本节课内容之前，学生已经学习和掌握了：力的三要素会影响力的作用效果，力的平衡条件和数学几何知识（圆的半径和切线垂直的关系）。因此，这些知识为本节课力臂概念的学习奠定了理论基础，使学生易于明白和接受。

3  教学目标

3.1  知识与技能

引导学生在“探究杠杆的平衡条件”的实验中如何寻找力臂，设计实验并提高探究的能力。

3.2  方法与过程

学生在“探究杠杆平衡条件”的实验中，经历寻找力臂科学探究的全过程。培养学生的动手操作实验、数据处理和归纳总结实验规律的能力。

3.3  情感态度价值观

通过实验环节，体验科学探究的乐趣，激起学生学习物理的兴趣，培养学生善于提出问题和实事求是的科学态度。

4  实验原理

（1）力的三要素影响力的作用效果

（2）平衡条件

（3）圆的半径与切线垂直关系。

5  实验器材

铁架台、杠桿、弹簧测力计、等间距同心圆的硬纸板、可移动卡纸、橡皮筋、细绳、螺杆（如图1）

6  实验教具设计创新点

通过改进杠杆平衡的实验装置，在硬纸板上画出多个等间距的同心圆，左边杠杆用弹簧测力计固定在铁架台上，从而固定阻力的三要素：大小、方向和作用点。通过改变弹簧测力计拉力的作用点和拉力方向，直到杠杆在水平方向平衡时，观察弹簧测力计示数的特点，当示数相同时，拉力的作用线始终都与同一个圆相切。引导学生发现实验共同规律，支点到垂足点间的长度相同（力臂即为：同一个同心圆的半径）。学生参与实验探究过程中，主动参与力臂概念的构建过程，并且透过现象看到了事物的本质，突破了教学中的难点——力臂的概念，把抽象的问题直观化，充分体现了科学认识的本质。对杠杆的平衡条件科学探究的学习，起到了承上启下的作用。

7  教学过程

7.1  科学探究一

将弹簧测力计放在杠杆上右边的8 cm处，沿着竖直平面竖直向下拉。当杠杆处于水平平衡，让学生读出拉力的读数F1。

7.2  科学探究二

改变弹簧测力计作用点，将其放在10 cm处，也沿着竖直平面竖直向下拉，当杠杆处于水平平衡，读出读数为F'，引导学生思考读数为什么发生变化？（如图2）

7.3  科学探究三

当弹簧测力计固定在10 cm处时，在竖直平面内向右方向倾斜，通过改变拉力的方向直到平衡时，让学生通过观察弹簧测力计读数的变化，提问学生如何解释这个现象。学生观察到弹簧测力计示数变大，因为力的作用效果与力的方向有关。当弹簧测力计读数减至第一次实验数值大小为F1时停下，引导学生移动纸板，观察拉力的作用线，寻找实验中的共同点——拉力的作用线始终都与同一个圆相切。

7.4  科学探究四

引导学生再改变弹簧测力计拉力的作用点，并改变拉力的方向，发现跟同一个圆相切时，弹簧测力计读数仍然为F1。

7.5  科学探究五

让学生通过实验现象，进行交流与讨论，物理学常常用某个物理量概括或定义物理规律。我们能否用一个量来描述这种规律。

7.6  科学探究六

（1）引导学生通过观察实验现象找到共同点，让学生自己总结归纳：支点到拉力作用线的垂线距离相同（同一个圆半径）。

（2）教师再进一步作出概念总结：物理学上，我们把支点到力的作用线的垂线，叫做杠杆的力臂。支点到动力作用线的距离叫做动力臂。支点到阻力作用线的距离叫做阻力臂[ 2 ]。

7.7  拓展七：探究杠杆的平衡条件

读出：左边阻力大小F2及其阻力臂L2。使杠杆处于水平方向平衡时，拉力作用点分别位于6 cm，8 cm，10 cm，12 cm……当拉力作用线与相应的圆相切时，读出此时弹簧测力计的示数，记录在表1，学生根据实验数据发现规律：力臂变化，拉力也跟着变化。观察数据猜想和寻找杠杆平衡条件。

8  实验注意事项

（1）实验之前，使弹簧测力计位于竖直方向时进行调零，可以减小自重带来的误差。

（2）保持杠杆在水平虚线上平衡，才能使左边弹簧测力计力的大小和力臂保持不变。

（3）实验时在与等间距同心圆板面平行的竖直平面上拉动弹簧测力计。

9  实验反思

（1）本实验器材简单、形象、直观，将抽象的力臂概念，用直观实验展示出来，有效地优化课堂教学，实现教学重难点的突破。

（2）本实验教具功能多样化，除了可以进行力臂概念的教学探究，还可以探究杠杆的平衡条件，使课堂教学达到一举多得的效果。

（3）本节课的实验探究体现了新课程核心思想：以学生为主体。学生在教师问题层层递进的引导下，经历了科学探究过程，透过观察实验现象的变化寻找了物理本质规律，总结出力臂的概念，使学生看到自己的智慧和意志，激发了学习的兴趣，同时锻炼了学生的思维能力，也突破了本节课的教学重难点，为解决杠杆平衡条件作了重要的铺垫。

（4）不足之处：弹簧处在竖直方向，因自身重力引起的误差; 中心转轴摩擦引起的误差;细绳长容易确定拉力的方向，但是长一些，不容易操作。

物理实验探究能够为学生认识物理现象、获得物理知识创造良好的情景，使学生的学习过程更加直观生动[ 3 ]。本实验教具的设计有利于学生参与力臂的建构并通过实验现象推理归纳总结实验规律，符合学生的认知水平，从而实现在教学过程中培养学生的核心素养，达到质的提高。

参考文献：

[1] 黄利军，彭征. 浅谈基于物理学科核心素养培养的物理实验教学[J].物理教学，2019（10）.

[2] 义务教育物理课程标准实验教科书编写组.八年级全一册[M].上海：上海科学技术出版社，2020.

[3] 刘友余，杨琳. 初中物理学生分组实验优化设计[J].中学物理教学参考，2019（6）.