轉變觀念，指明方向
——“重力方向”的實驗改進

駱永炳

（浙江省杭州市余杭區仁和中學，浙江 杭州）

“物體為什么要下落”是浙教版《科學》七年級下冊第二章的內容，它是科學課程中的重點。重力的學習在章節安排中起著承上啟下的作用，既是對前面章節“力的三要素”的鞏固和復習，又是為后面學習摩擦力、牛頓第一定律打下堅實的基礎。尤其對學習物體的受力分析，起著至關重要的作用。

力是一個看不見、摸不著的事物，需要借助力的作用效果來感受力的存在。因此學習力的知識對學生而言會感覺很困難。所以在重力的學習中，就需要通過實驗來幫助學生認識重力，了解重力的存在。實驗也就成為研究重力方向必不可少的教學方式和手段。同樣，選擇合適的實驗器材，成為探究重力方向的關鍵因素。

一、課堂教學，問題凸顯

為了上好這節課，我精心準備了課堂教學設計，并以教科書中的活動（書本P58頁圖2-51重力的方向）來進行實驗演示。

課堂教學：

“我們知道力包含三個要素：力的大小、力的方向、力的作用點。重力作為其中的一種力，也肯定存在重力的方向，那重力的方向會是怎樣的呢？”于是我參考書上的活動，將小球懸掛在鐵架臺的橫桿上，待小球靜止時，要求學生仔細觀察細線的位置（如圖1所示）。然后將鐵架臺傾斜一個角度，等小球靜止時，再次讓學生觀察細線的位置（如圖2所示）。

圖1

圖2

兩次活動對比之后，學生都能得到一個結論，即兩次活動中，細線的位置始終不變。

分析：在此活動中，由于細線質量很小，可忽略不計。小球在重力的作用下，使細線位置保持不變。由此可知，重力的方向應與細線所在的方向一致。

經過分析，有學生說，重力方向為“豎直向下”，也有學生說，重力方向為“垂直向下”。各有各的答案，那究竟誰的答案正確呢？

于是我對“豎直方向”與“垂直方向”作了分析：

“垂直方向”是指物體與接觸面垂直的方向，“豎直方向”是指物體與水平面垂直的方向。而活動中是以鐵架臺底座為參照，小球并沒有與鐵架臺的底座垂直，而是與水平地面垂直，即所謂的“豎直方向”。因此，我們說重力的方向為豎直向下。

通過講解分析，學生都表示認可。于是我出示習題，想了解一下學生的掌握情況。如圖所示，請作圖3、圖4中物體所受重力的示意圖。

圖3

圖4

結果在作斜面上的物體的重力方向時，學生普遍都畫錯，出現圖6中的情形。由此可知，學生對重力方向的判斷，掌握得并不好。那么問題到底出在哪里呢？

圖5

圖6

二、分析問題，查找原因

課堂中對重力方向進行了實驗演示，也對重力方向進行了分析說明，為什么學生依然搞不清楚重力方向呢？

課后，我也問了其他科學老師，發現他們也存在同樣的問題。于是我上網查閱相關資料，也與學生在課后進行了溝通交流。結合學生的實際情況，進行了課后反思，我認為可能原因有以下幾個方面：

1.學生對概念混淆

“豎直方向”這個詞在初中科學中是第一次出現，學生不明白怎樣的方向才是“豎直方向”。查閱資料可知，“豎直方向”是指與水平方向相對立的方向，即與水平面垂直的方向。而“垂直方向”是指物體與接觸面垂直的方向。學生對這兩個方向的定義不明確，無法正確區分“豎直方向”與“垂直方向”，其實兩個概念中都有“垂直”的意思，只是參照對象不同。從范圍上講，“垂直方向”更廣，包括其中的“豎直方向”，而“豎直方向”僅僅只針對“水平面”而言。因此，在接觸面與水平面的方向一致時，豎直方向就等同于垂直方向，所以學生就會誤認為豎直方向就是垂直方向。于是對于水平地面上的物體所受重力方向就容易判斷，而當物體放在斜面上時，就會搞混淆。

2.學生思維定式

學生意識中存在已有的前概念，導致學生做題時會出現思維定式，即停留在原有的認知結構中的概念。學生對“水平面”的認識，還停留在小學時對水平面的認識，即水平面就是水平地面或地平線。正由于這種思維在作怪，使得學生在分析重力方向時，總習慣性地把“地面”作為“水平面”，并以此為參照物判斷重力方向。愛因斯坦曾說過，教育的本質就是打破學生原有的認知觀念，并在此基礎上重新建立起新的認知觀念。因此，作為教師就需要指出學生原有的錯誤觀念，并要求轉變思維，重新正確認識事物，形成新的觀念。

3.實驗裝置中存在的問題

書本中的演示實驗，僅存在一個“接觸面”——鐵架臺的底座為參照。而缺乏一個合理的“水平面”作為參照物。于是學生在判斷重力方向時，就只能選擇旁邊的桌面或者地面，作為所謂的“水平面”為參照。因此，當所選擇的參照物——桌面不平整，或者地面為斜坡時，學生的判斷就會出錯，甚至成為學生判斷重力方向的障礙和陷阱。所以要使學生能通過實驗來認識重力方向，就需要建立起一個合理、規范的“水平面”。

三、改進實驗，解決問題

為了能解決這個問題，我也嘗試著該改進實驗裝置。我選擇桶裝飲用水的水桶作為實驗器材，在水桶中加入適量的水，并在水桶口位置固定一根細線，細線的另一端系住一個小球。通過這幾個簡單物品的組合，就形成演示重力方向的實驗器材（如圖7所示）。在這套實驗裝置中，我將桶內水的液面作為“水平面”，水桶的底面模擬地面。其中選擇水面作為“水平面”的意圖在于：水是液體，具有流動性，無論實驗裝置如何傾斜，等桶內的水保持靜止時，水面始終能保持水平，這樣就能在學生面前形成一個合理、規范的“水平面”作為參照，便于判斷重力的方向。

圖7

圖8

在實驗演示時，只要將水桶傾斜一個角度，如圖8所示，可以發現細線方向始終與水平面方向垂直。即小球受到的重力方向始終豎直向下，而且與“地面方向”并不垂直。通過這個直觀的演示，學生也更容易認識重力方向，也能很好地區分“豎直方向”與“垂直方向”。

之后我帶著自制的實驗器材，再次上了這個內容的課。通過課堂的反饋，絕大多數學生都能很好地理解重力的方向為豎直向下。教學效果顯著，學生也學得更輕松。

實驗裝置的局限與不足：

1.由于水桶本身的空間有限，水桶傾斜的角度也受到了限制，不能很好地演示任意情況下的重力方向。

2.實驗中水桶內水的量需要控制，同時由于水是無色透明的，作為演示實驗，后排的學生不能清楚地觀察到實驗現象。針對這個問題，可以將演示實驗改為學生實驗，用透明的玻璃瓶取代大水桶，再將水染上顏色。這樣實驗效果會更明顯。

四、教學反思與總結

通過實驗改進教學，讓我從中學到了許多，也領悟到教學中自身需要改進的地方。

對于科學中的概念和科學術語，在平時的教學中，需要向學生進行合理的解釋說明，并盡可能引用生活事例進行分析，幫助學生正確理解科學概念。

同時學生經過小學科學的學習，已經在腦海里形成一定的認知觀念。在進入初中學習過程中，他還會習慣性運用已有的認知觀念去認識新事物。這時候作為教師，在教學前就應該先了解學生已有的認知觀，并在此基礎上進行教學。引導學生打破已有的錯誤觀念，建立起科學合理的新思維、新觀念。這是教師的職責，也是教育的本質，只有不斷地去完善教學，提高自身能力，才能取得較大的成就，培養出優秀的人才！