基于认知逻辑,开展科学探究-《杠杆》一课教学新探.pdf
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1、传统的“杠杆”知识教学思路是,先给出杠杆的五要素,然后通过实验探究得出杠杆平衡的条件。这是基于知识逻辑的教学。为了更好地帮助学生理解“力臂”概念,探索基于学生认知逻辑的教学:让学生在探究的过程中,打破“动力X支点到动力作用点的距离一阻力支点到阻力作用点的距离”的认知平衡,发现“支点到力的作用线的距离”的价值;然后,在概括杠杆平衡条件的过程中建立“力臂”概念。关键词:初中物理;杠杆;力臂;认知逻辑;科学探究一、思路分析关于“杠杆”知识的教学,当前多个版本教材的设计遵循着传统的思路,即先给出杠杆的五要素一一支点、动力、阻力、动力臂、阻力臂,然后探究杠杆平衡的条件。义务教育物理课程标准(2 0 2
2、2 年版)(以下简称“新课标”)在“附录”中介绍了“人体中的杠杆 这一跨学科实践案例,其教学实施的思路也与上述思路基本一致:由实践活动引人杠杆,构建杠杆概念(其中就包括给出杠杆的五要素),探究杠杆平衡的条件,应用和拓展。1 这样的编写与教学思路所遵循的是“杠杆”知识的内在逻辑,从知识演绎的角度来看,没有问题:包括物理学科在内的所有理科教材的编写,通常也必须遵循知识逻辑,从而方便一线教学。但从另外一个角度来看,似乎有一个问题被忽视了,即:学生怎么会想到定义“力臂”呢?如果说学生凭着经验或直觉,能够判断“力”是影响杠杆平衡的要素的话,那么,“力臂”则完全不在学生的经验系统与直觉里一一力臂被定义为“
3、支点到力的作用线的课例剖析89距离”,这一定义在绝大多数学生的认知中,都没有相应的表象与之对应,也没有任何情境支撑学生构造这样的表象或形成类似的经验。“力臂”的凭空出现必然会让学生有明显的突元感觉,所对应的学习只能是接受式学习(且很难解释为“有意义的接受)。事实上,对喜欢思考的学生而言,上述教学思路中“力臂”概念的建立,确实让他们有疙疙瘩瘩的感觉。尽管新知学习之后可以通过重复解题来消这种不适感,但毫无缘由地建立一个概念,仍然容易对他们的物理学习形成消极影响。对习惯于接受的学生而言,他们在接受“力臂”概念时,不适感要少些,但在后续应用(如作图题中的作力臂、相关的计算)中,往往会不断出错。这在一定
4、程度上说明,仅凭简单的记忆与重复,并不能让学生真正理解“力臂”概念。从科学探究的角度来看,在探究杠杆平衡的条件之前给出“力臂”的概念,这样的探究是“先测数据,后得结论”。严格来讲,这是肤浅甚至虚假的探究,类似于先输人程序,然后开展程序式的实验。这与科学探究的本义不符,不利于科学探究素养的培育。于是,笔者产生了一种教学设想:在作出必要且可行的铺垫之后,如果不给出力臂的定义,而是让学生在保持杠杆水平平衡的情形下进行探究,学生会得出什么样的结论?实践表明,学生得出的结论中涉及的“长度”往往会是“支点到力的作用点的距离”这才是学生基于经验和直觉的正常反应,才是学生认知规律的正常表现,才是学生探究的出发
5、点。二、实践探索吴国盛教授提出过历史行程与逻辑行程的概念。2 1 基于这两个概念的视角来看当前教材的编写及其对应的教学思路,可以发现其对应的是知识体系的逻辑行程。对于“杠杆”知识而言,因为杠杆平衡的条件需要用力及力臂来描述,因此在得出该条件之前先给出五要素,符合知识演绎的逻辑。但这种逻辑与学生的认知规律(逻辑)相悖,不利于学生科学探究素养的培育。这部分内容的教学思路应当寻求突破。在笔者看来,在“杠杆”知识的历史行程难以重现、逻辑行程不甚合理(其实,很多基本概念或规律的教学都面临这样的矛盾)的情形下,根据学生的认知逻辑,让学生在探究杠杆平衡条件的过程中建构“力臂”概念,应当是合理的选择。这一教学
6、思路对应的观点是:对于“杠杆”知识教学而言,重要的不只是杠杆平衡条件的得出,更应当是“力臂”概念的建立。某种程度上讲,探究得出“力臂”概念的过程,应当是探究杠杆平衡条件过程的核心。考虑到学生的认知逻辑,探究可以分两步:第一步,引导学生在初步探索过程中,自主发现“力”与支点到力的作用点的距离 乘积相等时,杠杆平衡”;第二步,通过变式,让学生发现上述结论并不适用于新的情形,进而探究得出“力臂”概念。当然,因为是完整的课堂教学过程,所以还包含必要的引人、总结、练习等环节。具体教学流程如下:(一)情境导入,铺垫探究基础教师在黑板上画出一个圆,表示地球,借助阿基米德的名言“给我一个支点,我可以撬起地球”
7、,让学生思考:如果你是阿基米德,你会将支点放在何处,又怎么用力去撬地球?在学生思考、画图的基础上,师生研究得到如下页图1 所示的图形。然后,教师进一步提90教育研究与评论中学教育教学/2 0 2 3 年8 月出问题:如果要控制杠杆平衡,那么,应当满足怎样的条件?FV图1这里有一个细节值得商榷:此时有没有必要花较多的时间去解释杠杆平衡?笔者以为没有必要,原因在于学生此前学过的“物体的平衡状态”等知识足以支撑学生对杠杆平衡的感性判断。绝大多数学生大脑中都有“静止即平衡”的认识,而且此时学生所建立的杠杆平衡表象基本上都是水平平衡的。事实证明,这样的简单处理”,不会出现学生因为对杠杆平衡的静止、匀速转
8、动、缓慢转动等理解困难而出现认知冲突的情况,学生能够将注意力集中到探究杠杆平衡的条件上。阿基米德在其论平面图形的平衡中,给出了杠杆原理的逻辑证明,一共提出了7个公设与1 5 个命题。3 考虑到初中生的认知水平,从中选择3 个供其理解:(1)在无质量的杆的两端离支点相等的距离处挂上相等质量的重物,它们将平衡;(2)在无质量的杆的两端离支点相等的距离处挂上不等质量的重物,重的一端将下倾;(3)在无质量的杆的两端离支点不相等的距离处挂上相等质量的重物,距离远的一端将下倾。这三个命题完全符合学生的经验,学生能够迅速形成认同,而且可以由此形成杠杆的平衡与“力”和“长度”相关的初步认识(此时可择机明确支点
9、、动力、阻力等概念);部分学生还会明确这个“长度”就是“支点到力的作用点的距离”,从而形成“杠杆(水平)平衡时,力与支点到力的作用点距离的乘积相等”的认识。(二)实验探究,建构相关概念1探究杠杆水平平衡的条件教师让学生在控制杠杆水平平衡的前提下,测得动力、阻力、支点到动力和阻力作用点的距离,引导学生得出杠杆平衡的“条件”(其实是杠杆水平平衡的条件):动力X支点到动力作用点的距离阻力支点到阻力作用点的距离。这是为了帮助学生建立初步的认知平衡。日常的生活经验与前一环节中的史料吸纳,足以让学生认识到杠杆的平衡与受力及距离有关。“距离”是本次探究的重点。通常情况下,学生容易想到的是“支点到力的作用点的
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