自制实验教具 凸显科学探究①——以“杠杆”教学为例

(重庆市巫溪县城厢中学校,重庆 巫溪 405800)

《义务教育物理课程标准(2011年版)》指出:科学探究既是学生的学习目标,又是重要的教学方式。将科学探究列入课程内容,旨在让学生经历与科学工作者相似的探究过程,主动获取物理知识,领悟科学探究方法,发展科学探究能力,体验科学探究的乐趣,养成实事求是的科学态度和敢于创新的科学精神。[1]实验是“科学探究”的重要内容,学生在实验的过程中发展提出问题、猜想假设、获取数据、分析论证等科学探究能力,并掌握分析、综合、比较、分类、抽象、概括、推理、类比等思维方法。而在实际教学中,往往由于实验器材等的限制,使得部分实验无法达到应有的效果,这就需要教师开动脑筋、因地制宜,寻找更加科学合理的方式,以满足学生探究性学习的需求,培养学生的科学探究能力。笔者针对“杠杆”教学中存在的两个疑难问题,利用自制的实验教具,凸显科学探究的过程,取得较好的教学效果。

1 探究“杠杆平衡条件”的数据采集

1.1 问题的提出

在“探究杠杆的平衡条件”的实验中,教材采用如图1a所示的实验装置,通过调节杠杆两端的螺母,使杠杆在水平位置保持平衡,然后在杠杆两侧挂上不同数量的钩码,并移动钩码的位置,使杠杆重新在水平位置平衡,记录下相应的数据,通过多次实验归纳得出杠杆平衡条件。

图1

事实上，杠杆平衡是有多种可能性的,如杠杆既可在水平位置平衡,也可以在非水平位置平衡(图1b)。即使在水平位置平衡,其动力和阻力的方向可以沿竖直方向,也可以沿倾斜方向(图1c)。本实验由于器材的限制,只能获取到杠杆在水平位置平衡且动力和阻力都沿竖直方向的实验数据,所获取的数据具有特殊性,不能反映出更普遍的规律,也不利于学生理性思维的发展。而要提高不完全归纳法所得结论的可靠性,就需要尽可能扩大研究对象的范围,找到其在各种不同情况下都具有的某种规律,那么结论的可靠性就会提高。[2]

对于图1b和图1c情形,动力和阻力的大小测量较方便,而动力臂和阻力臂的测量比较困难。学生利用米尺将力的作用线延长,然后用直角三角板找到支点到力的作用线的垂线段,并用刻度尺量出其长度。由于需要的仪器较多,操作较繁琐,很难让学生在课堂上实际测量,为了解决这个问题,教学中利用生活的废旧物品制作了“力臂测量仪”。

1.2 制作材料

三支废旧圆珠笔芯、两颗铁钉(直径刚好等于圆珠笔芯的内径,并去掉钉头)、刻度尺、直角三角板、502胶水、双面胶、小刀、硬纸壳。

1.3 制作过程

先将三支笔芯用铁钉连接,并在连接处涂一点502胶水,使连接处不会松动;然后将硬纸壳裁成所需要的形状,并将一端折叠,折叠处包裹住笔芯,使硬纸壳能在笔芯上左右滑动;再用双面胶将折叠处固定,并在折板上标注刻度,一个低成本的力臂测量仪就制作完成了。

1.4 教学应用

(1) 首先采用教材上的探究方案,引导学生探究杠杆在水平位置平衡时应满足的条件。为了使学生快速获得多组数据并顺利发现规律,可引导学生在记录杠杆第一次平衡时的数据之后,保持一边不变,只改变另一边的钩码数量和所挂的位置,使杠杆再次平衡并记录数据。这样学生能够体会到钩码少就要挂在离支点远一些的位置,钩码多就要挂在离支点近一些的位置,体会力和力臂都对杠杆平衡起到作用,就能顺利发现杠杆的平衡条件。

(2) 接下来通过问题引导学生对所得出的规律进行评估，并提出自己的想法。

问题1:杠杆平衡的实际情况有哪些?我们的实验数据能代表更普遍的情况吗?

问题2:为了使实验结论更具说服力,还需要对哪些情况进行研究?说说你的设想。

问题3:当力与杠杆不垂直的时候,力臂还能直接在杠杆上读取吗?

图2

当学生想要探究更多不同情况下杠杆的平衡情况时,会发现此时力臂测量较困难；这时老师拿出自制的“力臂测量仪”,介绍其结构，让学生研究使用方法,然后让学生动手操作(图2),获取在不同情况下的实验数据,发现共有的规律,使实验结论更具说服力。

2 最小动力的确定及其分析

2.1 问题的提出

“杠杆”的教学大体上有三部分：分别是“认识杠杆”“探究杠杆的平衡条件”“生活中的杠杆”。在“生活中的杠杆”教学环节,通常要分析动态变化过程中力臂的变化并解决相关问题,此时经常会出现要画出使杠杆平衡的最小动力的示意图。

对于这类问题,老师们经常采用的方式是依次画出向左倾斜、与杠杆垂直、向右倾斜的力F1、F2、F3,并画出这三个力对应的力臂L1、L2、L3，然后通过相关数学知识分析出F2的力臂L2最长,从而得出F2就是要找的最小动力。显然，这种分析方式比较抽象,学生难以理解。为了降低学生对这类问题的理解难度,使过程分析更明晰、更形象,同时将动力随动力臂变化的渐变过程呈现出来,帮助学生建构动态的过程模型,可以利用相关材料制作一个“杠杆动态变化演示仪”。

由经过循证护理理论学习与实践的2名评价者依据纳入、排除标准独立进行文献筛选、信息提取，并交叉核对，如遇分歧，讨论或咨询第3方。提取的信息主要包括：①研究基本信息，即作者及联系方式、发表年份、发表期刊、研究地点；②研究对象基本特征，即样本量、年龄、性别、病程、肩手综合征分期；③干预措施具体细节，即中药方剂组成、浸泡温度、交替次数、治疗周期及时长；④关注的结局指标及其测量结果。

2.2 制作材料

移动式支架(网购)、杠杆、红色布条(长50cm)、白色木工板(长70cm、宽40cm)、记号笔、螺丝刀、双面胶等。

2.3 制作过程

(1) 先对实验室的杠杆进行改装,即在杠杆右端离支点20cm的A点装上一颗螺丝,栓上细绳。

(2) 在木板中间位置钻一个直径为6mm的孔,安上杠杆支撑杆(O点),并在右端离支点20cm的A点也装上一颗螺丝,用红布条绕在这两点之间,另一端绕过螺丝并系上配重,使布条绷直。

(3) 在杠杆和木板的A点贴上用白纸裁剪好的量角器,以便于观察角度的大小。

(4) 在红布条从O点出来的一端贴上用白纸剪好的20cm长的纸条,便于直接显示力臂的长度。

(5) 在木板上以OA为直径画圆,并在不同的角度用钉子钉个孔,并将所有器材组装到位(图3)。

图3

2.4 教学应用

(1) 提出问题

在探究杠杆平衡条件的实验中,不改变阻力和阻力臂的大小,动力作用的位置也不改变,只改变动力的方向(图4),杠杆平衡所需动力的大小一样吗?如果不同,会有怎样的变化?

图4

猜想1：动力的方向变化引起动力臂的变化,使杠杆平衡所需动力的大小也会变化,从左往右会逐渐变大;

猜想2：会变化,从左往右会先变大后变小;

猜想3：会变化,从左往右会先变小后变大。

(3) 实验验证

用“杠杆动态变化演示仪”可以研究这个问题。根据实验获得的数据，画出图5所示的图像，检验同学们猜测的正确性。

图5

(4) 建模分析

根据上面的数据分析发现,动力与OA的角度逐渐变大时,动力臂先变大后变小,杠杆平衡所需的动力则是先变小后变大；同时还发现,当动力的方向与OA垂直时的动力臂最大,此时的动力最小。接着教师引导学生用所学知识来解释其中的道理。

解释1:不同方向对应的力臂相当于圆的弦长,当动力与OA垂直时,力臂相当于圆的直径,圆里面所有的弦中直径最长(图6a)，所以有上述结论。

图6

解释2:不同方向对应的力臂与垂直时的力臂恰好相当于一个直角三角形的直角边和斜边,直角边肯定小于斜边(图6b)，所以有上述结论。

3 结语

课堂的核心是思维,物理的基础是实验。做好课堂演示实验和探究实验,是突出教学重点、突破教学难点的有效方法。在教学过程中要善于发现问题,发挥创造性,利用创新的实验教具揭示相关的物理规律,凸显物理学科本质,凸显科学探究特点,使思维具象化、可视化,从而化解教学难点。