核心素养视角下“杠杆”教学的创新教具实践探索

［摘 要］实验教学是实现物理课程目标的重要途径，对于提升学生的物理核心素养至关重要。由于实验器材存在一定的局限性，学生在学习“杠杆”这一课时往往面临诸多困难。为了克服这些困难，文章探索了利用自制教具来拓展“杠杆”课的教学方法。通过自制教具，旨在帮助学生深入理解杠杆的五要素，并有效突破“力臂”这一教学难点。这一举措不仅增强了教学效果，还进一步提升了学生的物理核心素养。

［关键词］核心素养；自制教具；杠杆

［中图分类号］    G633.7                ［文献标识码］    A                ［文章编号］    1674-6058（2025）05-0045-04

物理作为自然科学领域的一门基础学科[1]，极其重视实验教学。在物理课堂中，实验是实现课程目标、提高学生综合素质的关键环节。实验教学不仅要帮助学生建构物理概念、发现物理规律，还要促进学生科学思维的发展。要使实验在初中物理教学中发挥应有的作用，就需要正确理解实验教学的实质，注重其特性，并对其进行合理的开发与利用[2]。然而，目前部分中学存在实验器材不配套、实验数量不足、实验质量差、实验设备易损坏等问题。教师使用单一且质量不佳的实验教具进行教学，既显得抽象乏味，又难以达到教学目的，更难以激发学生学习物理的兴趣。因此，开发和应用创新教具，已成为提高教学效果的重要途径。

一、传统杠杆实验教学的局限性分析

“杠杆”这节课的重点内容是探究杠杆的平衡条件，其中力臂的测量是学生的学习难点。在教学过程中，教师通常根据教材内容的编排进行：首先创设情境，展示一些杠杆的图片让学生观察，说明人类在很早以前就已经使用杠杆，并引导学生归纳出杠杆的定义。接着，介绍杠杆的五要素，帮助学生全面认识杠杆[3]。然后，带领学生利用实验室现有的实验器材对杠杆的平衡条件进行探究。通过改变杠杆左右两边钩码的数目或使用弹簧测力计对杠杆施加竖直向下的力，使杠杆保持水平平衡，并从杠杆上读取力臂的数据，最终得出“[F1×L1=F2×L2]”的结论。最后，学生学习杠杆的应用，使知识回归生活。然而，在这样的学习方式下，学生对力臂概念的理解比较模糊，这不利于有效突破教学难点。

王成燕老师在《借助自制教具    突破教学难点——以〈杠杆〉教学为例》一文中提到，教材直接给出了力臂的定义，但教材、教参等各类资源并未充分解释为何将力臂定义为“支点到力的作用线的距离”[4]。韩丽梅、郑洁琪、罗艳琳老师在《运用自制教具拓展“杠杆”的教学》一文中也指出，生活中的杠杆形式多样，而学生如果仅仅基于物理模型来认识杠杆，可能会导致他们难以理解并应用生活中的杠杆原理[5]。黄淑静老师则在《通过自制教具实现杠杆实验的改进及拓展》一文中指出了教材中杠杆实验的几处不足，如传统实验器材只能探究水平位置的杠杆平衡条件，这不利于学生对力臂概念的全面掌握，也可能导致学生对杠杆的种类认识不全[6]。

归纳起来，传统杠杆实验教学往往面临以下几个困境：①学生对杠杆种类的认识不够全面，这主要是学校配备的杠杆模型大多是直的，学生容易误认为只有直的硬棒才是杠杆，而弯曲的则不是杠杆[7]；②实验只研究杠杆处于水平位置的平衡条件，这样的实验设计使得实验结论不具有普遍性。学生可能会因此误认为只有水平位置平衡才是杠杆的平衡状态，而杠杆倾斜则不是平衡状态[8]；③实验用的杠杆模型是直的，且力臂是直接从杠杆刻度上读取的，这种实验方式容易让学生误认为力臂的大小刚好等于支点到力的作用点之间的距离；④学生配备的杠杆比较小，且只能放在水平桌面上进行演示，这导致坐在后排的学生很难观察到实验现象。

综上可知，传统实验器材存在一定的局限性，这些局限性影响了学生对杠杆原理的深入理解和力臂本质的准确认识。为了克服这些局限性，笔者决定对本节课的教学内容进行拓展，并根据教学需求重新设计了教具。

二、自制教具所需器材及具体步骤

实验装置如图1所示，主要由可弯折的轻质杠杆、可移动的磁吸定滑轮、可旋转的铁丝和布尺等组成。所需器材包括玻璃纤维板、小木条、螺丝钉、磁铁、铁丝、直角三角板、布尺、平衡螺母、磁吸定滑轮等。

具体制作步骤如下：取三块长为400 mm、宽为30 mm、厚为5 mm的玻璃纤维板，在其中一块玻璃纤维板的中间打一个孔径为10 mm的孔，作为杠杆的支点。距两侧20 mm处分别打上孔径为6 mm的孔，作为弯折杠杆的连接点。其余地方每隔20 mm分别打上孔径为2 mm的孔。另外两块玻璃纤维板在距左侧20 mm处分别打上孔径为6 mm的孔，作为弯折杠杆的连接点。距右侧20 mm处打上一个孔径为5 mm的孔，距右侧10 mm处上下两边打上孔径为4 mm的孔，作为平衡螺母的固定点。其余地方每隔20 mm分别打上孔径为2 mm的孔。玻璃纤维板的孔打好后，用螺丝钉将小木条、磁铁、铁丝、直角三角板、布尺、平衡螺母固定在对应的位置。这样，教具就制作完成了。由于使用的玻璃纤维板足够长，调节好后的杠杆长达1.2米。杠杆的中心位置上加装了大磁铁，因此杠杆可以稳稳地吸附在白板上，并且承重能力达到500 N。

教室里的每一个学生，无论坐在哪个位置，都能清晰地观察到老师和同学的演示过程，这极大地增强了学生的视觉体验。当教师将这个自制的杠杆吸附在白板上时，立刻吸引了学生的注意力，激发了他们的学习兴趣。操作者无须借助任何工具，即可根据需要手动调节杠杆的弯曲程度。通过转动实验装置上的小木条和调整可移动的磁吸定滑轮的位置，可以在任意方向对杠杆施加作用力，而作用力的大小则可以通过磁吸定滑轮下面的钩码来直观显示。虽然新杠杆上没有刻度，但其设计巧妙。通过可以转动的小铁丝和直角三角形的构造，学生可以更加直观地看出力臂是哪一段。此外，可转动的布尺使得测量力臂变得非常方便，使用起来极为顺手。而且，玻璃纤维板两端的平衡螺母还可以进行调节，以确保杠杆保持平衡状态。

三、自制教具在“杠杆”教学中的拓展运用

本教具特别适用于拓展教学，能够演示在任意方向施加动力、阻力的杠杆平衡，非水平位置的杠杆平衡，以及奇异杠杆的平衡。此外，该实验装置采用磁吸式设计，可以方便吸附在白板上，使学生能够非常清晰地观察到整个演示过程。这一教具不仅能够帮助学生开拓思维，深入理解杠杆的原理，还进一步引导他们认识力臂的本质，同时有效解决了“杠杆”教学中经常遇到的困境，突破了教学难点。

（一）在任意方向施加动力、阻力的杠杆平衡条件探究

在传统实验中，通常是通过钩码来提供竖直向下的作用力，并且力臂是直接在杠杆上读取的。然而这种方式容易导致学生形成错误的认知，即认为动力、阻力的方向只能是竖直向下，力臂也总是在杠杆上。这种错误认知阻碍了学生全面掌握力臂概念。

［教学片段1］

师：先在杠杆的B处挂一个钩码，再在杠杆的另一端A处也挂一个钩码（如图2），杠杆会平衡吗？

生1：会平衡。

师：（用自制教具演示）看，杠杆平衡了。

师：如果把钩码挂在杠杆右边的C处（如图2），杠杆还会平衡吗？

生2：不会。

师：为什么呢？

生2：杠杆的平衡与距离有关。

生3：杠杆的平衡与支点到动力作用点的距离有关。

师：（直接把钩码重新挂回A处，移动磁吸定滑轮的位置，改变钩码对杠杆的作用力的方向，如图3所示）同学们，现在动力的作用点改变了吗？杠杆还平衡吗？

生4：作用点没有变，杠杆不平衡了。

（学生很疑惑，开始讨论起来）

师：现在，大家有什么疑问可以提出来，我们一起来解决。

（学生可能会提出很多问题，教师需要引导他们选出最具有共性、最符合教材要求的问题进行探究）

生5：当在左边的B处挂一个钩码时，我分别在右边的A处和C处也各挂了一个钩码，虽然用在杠杆上的力大小一样，但效果却不一样。这说明杠杆的平衡与支点到力的作用点的距离有关。可是，当我重新把钩码挂到A处时，支点到力的作用点距离也一样，为什么效果却与原来挂A处时不一样呢？

生6：是不是两次挂在A处时有不一样的地方呢？

生7：两次挂在A处的力相同，但力的方向不同。

师：两次挂在A处的力相同，但力的方向不同，因此它们对杠杆平衡的作用效果就不同。那么，有没有办法使A处的作用点相同，力的方向不同，但它们对杠杆的平衡作用效果相同呢？

生8：可以尝试增加钩码的数量或者改变钩码的位置。

师：（用自制教具演示）看，杠杆又平衡了。这说明杠杆的平衡不仅与支点到动力作用点的距离有关，还与什么因素有关呢？

这时候，教师可以引导学生使用自制教具在任意方向施加动力和阻力，进行杠杆平衡条件的实验探究。通过实验，学生很容易就能发现杠杆平衡的规律：动力×支点到动力作用线的距离=阻力×阻力到阻力作用线的距离。接着，教师引出力臂的概念，帮助学生纠正“动力、阻力的方向总是竖直向下”“力臂总在杠杆上”“力臂等于支点到力的作用点的距离”等错误认知，从而有效突破了教学难点。

（二）非水平位置杠杆的平衡条件探究

在前面的教学中，学生已经探究了水平位置杠杆的平衡条件，并得出“[F1×L1=F2×L2]”这个结论。然而，在探究过程中，由于杠杆一直处于水平位置平衡，学生可能会形成误解，认为只有水平位置的杠杆才是平衡的，而倾斜的杠杆则不是。为了打破这种误解，教师再顺势将杠杆旋转至非水平位置，引导学生继续进行深入探究。

［教学片段2］

师：（旋转杠杆至非水平位置静止）现在，杠杆还平衡吗？你是如何判断的？

生1：杠杆不平衡，因为它不在水平位置上。

师：虽然杠杆现在不在水平位置上，但我们还是要探究一下它是否满足杠杆的平衡条件。现在，让我们一起来验证它是否满足杠杆的平衡条件。

（教师用自制教具进行演示，指导学生记录动力、动力臂、阻力和阻力臂的数据）

通过实验探究，学生很容易发现当杠杆在非水平位置静止时，同样满足“[F1×L1=F2×L2]”这个条件。这证明他们之前的判断是错误的。教师趁机引导：杠杆的平衡状态是指杠杆处于静止状态或匀速转动的状态。这样，学生对杠杆平衡状态有了更深刻的理解，从而有效突破了这一易错点。

（三）奇异杠杆的平衡条件探究

生活中的杠杆形状多种多样，我们将这些杠杆统称为奇异杠杆[9]。然而，在传统的教学中，一直采用物理模型——直杠杆进行教学，这导致学生常常会误认为杠杆只能是一根直的硬棒。为了避免学生形成这种错误的认知，我们设计了可以手动调节弯曲程度的自制教具。这个教具使杠杆的曲直可变，从而能够在课堂上模拟出生活中各式各样的杠杆，有效弥补了教材实验形式的单一性，使教学内容更加贴近学生的生活实际。此外，自制教具还可以用于探究多种可能性的杠杆模型，帮助我们得出更具有普遍性的实验结论。下面是我们在课堂上使用这个自制教具的一个小片段。

［教学片段3］

师：同学们，老师将杠杆调节成一头平直，一头向上弯曲（如图4），这时它还是杠杆吗？

（学生议论纷纷，观点不一）

师：要判断它是不是杠杆，我们只需要看它是否满足杠杆的平衡条件。

（学生恍然大悟）

教师引导学生调节杠杆的形状，并挂上钩码使其保持平衡，然后测量动力、动力臂、阻力和阻力臂。学生尝试了如图5所示的多种形状。通过测量，学生发现无论杠杆处于何种形状下的平衡状态，都满足“[F1×L1=F2×L2]”这一结论，从而深刻理解了杠杆原理的广泛性，有效突破了学习中的易错点。