姚慧贤 李奇云 尹慧萍 洪佳旻
摘 要：结合我国传统护城河吊桥案例，提炼吊桥蕴含的物理原理，完成低成本、高质量、多功能的“吊桥模型”教具开发.从物理学科核心素养角度出发，教师利用生活常见物品来制作“吊桥模型”教具，通过同一教具分析控制变量实验，直观展示“力的三要素”“杠杆原理”“力的合成与分解”等规律，开发学生动手动脑能力，用科学探究活动培养学生科学思维，形成物理观念，同时帮助学生了解中国优秀传统文化，提高文化归属感和认同感，加强爱国主义教育，促进学生全面发展.
关键词：自制教具;力的三要素;杠杆原理;物理学科核心素养
中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1008-4134（2021）12-0031-03
在中学物理教学中，观察现象、进行演示和探究实验，是理解物理概念和规律的必要基础，具有不可代替的重要作用.而教师具有一套得心应手的教具是准确完成实验教学的前提，由于物理教具价格较高且易损耗，不少学校的实验设备难以满足新课程标准的教学要求，不利于培养和提高学生的核心素养.因此，许多学者建议利用日常物品开发低成本、高质量的自制教具.此外，自制教具往往仅具有针对某个知识点的单一功能，适用性窄，效率较低.针对现状，笔者研制一款简单而高效的多功能自制教具，并开发其物理教学应用.
1 “吊桥模型”教具的制作
力学内容是物理学的重要组成部分，亦是初高中物理教学中的重点内容，为结合课堂演示实验，帮助学生奠定坚实的力学基础，笔者研制“吊桥模型”教具.
吊桥是我国古代桥梁中一种因地制宜的特色桥梁，其构造简单，历史悠久，在古代城池攻防、日常交通及文化交流中起到重要作用.在具有深厚歷史文化内涵的同时，吊桥亦极具物理教学开发潜力，其蕴含的物理原理极多，例如力的三要素、力的合成与分解、杠杆原理等等.
参考唐朝古代吊桥（如图1所示），笔者自制多功能 “吊桥模型”教具（如图2所示）.该教具组成清单见表1，主要材料为木板等，简单易取，提高物料再回收利用价值，符合“STSE”教育理念.
在该教具中，为了降低摩擦力及桥面轻质板重力的影响，需要在滑轮及转轴位置涂抹润滑油，且保证桥面材料的轻质.
2 “吊桥模型”教具在“力的三要素”教学中的应用
力的三要素是中学物理中基础且重要的力学知识，为帮助学生直观地感受力的三要素，我们利用“吊桥模型”教具完成探究实验及教学设计，并进行如下教学实践.
教学导入及提问：我国古代大城池往往会开挖护城河保护城池安全，并布置吊桥以方便日常交通，而吊桥的开闭与其受力息息相关.请同学们首先结合吊桥教具思考一下，哪些因素会影响吊桥的开闭？怎样通过实验证明这些影响因素是否正确？
学生思考：影响吊桥开闭的要素有哪些？怎样通过教具科学合理地验证每一个因素？
实验探究：模拟古代吊桥，我们利用“吊桥模型”教具进行对比实验，如图3所示，实验中为了保持轻质板静止，应在A点及细绳末端均放置一个砝码.
实验1：力的大小对作用效果的影响.在原本静止的吊桥上，往细绳末端增加砝码，从而改变轻质板受力的大小.观察轻质板的运动情况，可以发现原本静止的轻质板运动起来.
实验2：力的方向对作用效果的影响.在实验1的基础上，通过将横梁位置由C移至D，调整细绳对轻质板的施力角度.观察轻质板的状态，发现实验1能运动的轻质板，在细绳角度变小后静止不动.
实验3：力的作用点实验.在实验2的基础上，通过将砝码的位置由A移动到B，改变力对轻质板的作用点.观察轻质板的状态，又可以发现原本静止的轻质板，在移动砝码后又运动起来.
归纳总结：上述实验的结果见表2，可见，力的大小、方向、作用点都能影响力的作用效果（即吊桥的开闭），在物理学中，把力的大小、方向、作用点统称为力的三要素.
巩固提问：假如只进行实验1与实验3，能否验证“作用点会影响力的作用效果”？
设计意图：通过“吊桥模型”教具及力学建模分析，完成“力的三要素”这一物理概念教学;通过控制单一变量的“吊桥”对照实验，帮助学生们直观地分析力的作用效果的影响因素，培养学生探究物理现象的科学思维，以及运用实验手段分析问题的科学探究能力;通过巩固提问，让学生明白科学探究方法，养成严谨的科学思维习惯，提醒学生在科学探究过程中秉持科学态度与责任.
3 “吊桥模型”教具在杠杆原理教学中的应用
杠杆原理（动力×动力臂=阻力×阻力臂）是力学中的又一重要内容，且与日常生活、生产密切相关.力臂是该节内容的难点，常见教学模型，例如秤、火钳等，其“动力臂及阻力臂”往往是“力的作用点到支点的距离”，这往往会导致学生形成“距离即是力臂”的错觉，错误的前概念通常不利于学生后续的力学学习.而“吊桥”是一个典型的杠杆，教师在实际教学中可利用其突破这一教学难点.
此外，在前面力的三要素教学中，难免会有学生思考“实验1、2、3的运动状态在什么条件下刚好会发生改变”，这恰恰是杠杆原理的妙用.由此，我们结合“力的三要素”的3个实验，完成如下针对杠杆原理的教学设计.
教学导入及提问：完成力的三要素中涉及的3个实验，询问学生，当杠杆（桥面板ABO）刚好运动或刚好静止时，支点、动力臂及阻力臂如何表示？
建模分析：在刚好运动或刚好静止时，底座对桥面板ABO未提供支持力，因此桥面板ABO仅受细绳拉力、A处压力作用及支点O的水平支撑力（但该水平力相对O点的力臂为0），故如图4所示，3个实验中，支点均为O，阻力臂均为LOA，阻力为A处重物的重力GA，动力臂为LOE，动力为绳索拉力G砝（即所吊砝码所受的重力）.
教师提问：在三个实验中，已知B为AO中点，A处重物与单个砝码质量相等，且忽略桥面板ABO的重力及滑轮等的摩擦力，则当桥面板ABO刚好静止或刚好运动时，木板上的砝码及绳索牵引的砝码需要满足什么条件，如何利用杠杆原理进行计算？
计算分析：当桥面板ABO刚好静止或运动时，吊桥杠杆原理成立，则G砝LOE=GALOA，变式即G砝=GALOALOE.分析可知，在吊桥中，当动力×动力臂>阻力×阻力臂，即G砝>GALOALOE时，系统将运动，反之系统静止.故各个实验下，当“实际动力值>临界动力值”时系统将运动，实验分析见表3.
设计意图：教师利用同一教具及同样实验，充分发挥“吊桥”教具的多功能性.首先通过演示吊桥教具在“力的三要素”应用中涉及的3个对照实验，用建模分析帮助学生理解何为力臂，激发学生对杠杆原理求知欲;然后利用杠杆原理分析教具临界状态时的受力，根据实际现象进行对比分析及原因探究，加深学生对“杠杆原理”的理解，激励学生主动探究日常生活中的物理原理，逐步培养学生科学的物理观念.
4 “吊桥模型”教具在力的合成与分解中的应用
在中学物理课堂上，很少通过实验阐释力的合成与分解法则，而本文设计的吊桥教具，在满足前述教学要求的同时，如图5所示，在细绳末端加一弹簧测力计，还能很好验证力的合成与分解法则.同样，为增强教学效果，教师仍可参考前面力的三要素教学中的实验1及实验2，利用力的合成与分解分析桥面板ABO的平衡情况.此时，还可与杠杆原理互相对比，达到“一题多解”的效果，帮助学生对物理知识点进行串联，最终融会贯通.
教学导入及提问：利用优化后的教具完成力的三要素中的实验1及实验2，向学生提出问题：当桥面板ABO刚好运动或刚好静止时，弹簧测力计读数如何？桥面板受力情况如何？
演示实验：拉扯弹簧测力计，观察在实验1及实验2中，桥面板刚好运动或静止时，弹簧测力计的读数.
受力分析：在刚好运动或刚好静止时，底座对桥面板ABO未提供支持力，因此仅受细绳拉力、A处重力作用及支点O的水平支撑力.如图6所示，对O点进行建模分析.
设细绳与水平方向的夹角为θ，则在水平方向上，FOA=F弹簧cosθ，在竖直方向上，GA=F弹簧sinθ，因此当系统刚好静止时，F弹簧=GAsinθ，若F弹簧>GAsinθ，则系统运动，反之则静止.故实验1及实验2的分析见表4，并由此验证力的合成与分解法则.
设计意图：教师用实验的方式科学验证物理原理，培养学生的科学思维.首先通过演示吊桥教具的2个实验，从弹簧测力计得到实验值;然后从力的合成与分解角度，用建模分析帮助学生理解力的合成与分解并获得计算值;最后對比实验值及计算值，验证力的合成与分解法则.此外，还可对比杠杆原理的分析结果，开阔学生解决物理问题的思路，达到知识点的融会贯通及交叉.
5 总结与反思
笔者参考我国古代吊桥制作多功能性的吊桥教具，以课堂实验作为探究方法，并强调引导学生进行巩固反思，从而完成教具用于力的三要素、杠杆原理及力的合成与分解的教学设计，具有可观的教学价值.在教学环节中，教师通过直观的探究实验及演示实验，引导学生了解基本的物理概念;运用“控制变量实验”“建模力学分析”等科学研究方式分析力学现象，培养学生的科学思维和科学研究方法;利用简单易取、回收再利用价值高的物料进行教具制作，不仅方便可行，学生再模仿、创作的可实现性高，同时引导学生关注、爱护环境，提高学生的环保意识，符合“STSE”教育理念;引入富有历史底蕴的吊桥教具不仅增添物理课堂的魅力，达到培养核心素养的目的，也提高学生的历史认同、人文素养等综合素质，促进学生全面发展.
参考文献：
[1]中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准（2011年版）[M].北京：北京师范大学出版社，2012.
[2]罗镇姬.优化教学设计 关注科学思维 提升核心素养——以“大气压的测量”教学为例[J].中学物理，2020，38（16）：53-55.
（收稿日期：2021-02-13）
