آموزش گشتاور نیرو از مفاهیمی است که بسیاری از دانش‌آموزان در درک آن مشکل دارند. اما می‌توان قبل از آموزش این مبحث از تجربه‌هایی که کودکان خارج از محیط کلاس کسب کرده‌اند استفاده کرد. به این ترتیب که قبل از شروع درس، از دانش‌آموزان بپرسید آیا تا به حال با الاکلنگ بازی کرده‌اید؟ معمولاً اغلب کودکان تجربه بازی با الاکلنگ را دارند. از آن‌ها بپرسید چه موقع یکی از بچه‌ها در پایین الاکلنگ قرار می‌گیرد و دیگری در بالا؟ چه موقع الاکلنگ می‌تواند به تعادل برسد؟ اگر شما با خواهر یا برادر کوچک‌ترتان الاکلنگ بازی کنید، چه اتفاقی می‌افتد؟ معمولاً کودکان از طریق تجربه دریافته‌اند که وزن نقش بسیار مهمی در تعادل الاکلنگ دارد. به طوری که اگر یکی از کودکان سبک باشد و دیگری سنگین، ممکن است کودک سبک‌تر، به علت فشار نیرویی که به یک سمت از الاکلنگ وارد می‌شود، سقوط کند. در حین بحث و گفت‌وگو در مورد نقش وزن در تعادل الاکلنگ، به آن‌ها خاطر نشان کنید اگر اختلاف وزن آن‌ها با طرف مقابل در الاکلنگ زیاد باشد، باید بسیار محتاط باشند.
شکل ۱
پس از این گفت‌وگو می‌توانید از دانش‌آموزان بخواهید با وسایلی ساده مانند چوب و خط‌کش الاکلنگ بسازند و با آن بازی کنند. از دانش‌آموزان بپرسید فکر می‌کنید چه زمانی الاکلنگ به حالت تعادل می‌رسد؟ اغلب دانش‌آموزان به عامل وزن اشاره می‌کنند. از آن‌ها بپرسید آیا امکان دارد که دو جسم با وزن مختلف در روی الاکلنگ قرار گیرند و تعادل در دو سر الاکلنگ ایجاد شود؟ پس از آنکه دانش‌آموزان آزمایش‌های مختلف را انجام دادند، به آن‌ها آموزش دهید با برنامه شبیه‌ساز گشتاور کار کنند.
شکل ۲
برنامه‌های شبیه‌ساز به دانش‌آموزان امکان می‌دهند آزمایش‌های متنوعی را انجام دهند و مفهوم فیزیکی گشتاور در ذهن آن‌ها ساخته شود. در ادامه، یکی از برنامه‌های شبیه‌سازسایت فت را شرح می‌دهیم. در شماره‌های قبل سایت فت معرفی و یکی از برنامه‌های شبیه‌ساز آن شرح داده شد. برای یادآوری خلاصه‌ای از آن را می‌آوریم.
سایت فت حاوی نرم افزارهای شبیه ساز در علوم تجربی و ریاضی است که کاربران می‌توانند آن‌ها را به صورت رایگان دانلود کنند. نشانی آن چنین است: https://phet.colorado.edu/fa/simulations/category/physics
البته ابتدا باید در این سایت ثبت‌نام کرد. برای ثبت‌نام روی گزینه register در بالای صفحه کلیک کنید. پس از ثبت نام، برای وارد شدن به سایت کافی است نشانی ایمیل و رمز ورودتان را وارد کنید (شکل ۳).
یکی از مزایای سایت فت قابلیت تبدیل محتوای آن به زبان فارسی است. لذا دانش‌آموزان و معلمان ایرانی می‌توانند به راحتی از برنامه‌های آن استفاده کنند. برای آنکه محتوای برنامه را به زبان فارسی تبدیل کنید، کافی است در پایین صفحه، گزینه «Choose One» را انتخاب و روی Persian کلیک کنید (شکل ۴).
پس از آنکه زبان سایت فارسی شد، روی برنامه «قانون گشتاورها» کلیک کنید (شکل ۵).
برای اجرای برخی از برنامه‌های شبیه ساز سایت فت لازم است قبلاً برنامه جاوا۲ یا فلش پلیر۳ روی سیستم شما نصب شده باشد، ولی برای اجرای برنامه «قانون گشتاورها» نیاز به برنامه‌های جاوا یا فلش پلیر ندارید. محیط این برنامه از سه بخش (مقدماتی، آزمایشگاه گشتاور و بازی) تشکیل شده است (شکل ۶).
در قسمت مقدماتی، دانش‌آموزان می‌توانند وزنه‌های مختلف را روی الاکلنگ قرار دهند و نتیجه را مشاهده کنند. ابتدا به دانش‌آموزان بگویید روی قسمت «مقدماتی» کلیک کنند. سپس از آن‌ها بخواهید در یک طرف الاکلنگ وزنه ۵ کیلوگرمی و در طرف دیگر وزنه ۱۰ کیلوگرمی قرار دهند. از آن‌ها بپرسید چه اتفاقی می‌افتد؟ چرا؟ (شکل ۷). دانش‌آموزان به راحتی پاسخ این سؤال را خواهند داد. حال از آن‌ها بپرسید، آیا امکان دارد یک طرف الاکلنگ جسم ۱۰ کیلو گرمی قرار دهیم و در طرف دیگر جسمی ۵ کیلوگرمی، اما الاکلنگ به حالت تعادل قرار گیرد؟ از آن‌ها بخواهید خط‌کش را فعال کنند و مکان اجسام را تغییر دهند. پس از چند بار جابه‌جاکردن اجسام، در می‌یابند اگر جسم سنگین‌تر به محل اتکا نزدیک شود، الاکلنگ به حالت تعادل می‌ایستد (شکل ۸).
حال به دانش‌آموزان بگویید، عواملی را که موجب گشتن جسم به دور محور می‌شوند، گشتاور نیرو می‌نامند. تا این مرحله، دانش‌آموزان متوجه شده‌اند عواملی که موجب گشتن الاکلنگ می‌شوند وزن و مکان قرار گرفتن جسم در الاکلنگ هستند. برای آنکه در این زمینه تجربه‌های بیشتری به‌دست آورند، از آن‌ها بخواهید روی بخش «آزمایشگاه گشتاور» کلیک کنند (شکل ۶). در این قسمت، اشیا و تصویرهای متنوع‌تری قرار دارد (مانند وزنه‌های مختلف، تصویر پدر و پسر و مادر و دختر). برای مثال، از دانش‌آموزان بخواهید در یک طرف الاکلنگ پدر ۸۰ کیلویی را قرار دهند و در طرف دیگر پسر ۲۰ کیلویی را بنشانند. چه اتفاقی می‌افتد؟ واضح است که الاکلنگ در طرفی که پسر نشسته است به بالا گردش می‌کند. از دانش‌آموزان بخواهید مکان پدر و پسر را طوری تنظیم کنند که الاکلنگ به حال تعادل بایستد. دانش‌آموزان بعد از چند بار جابه‌جایی پدر و پسر روی الاکلنگ، نقطه تعادل را پیدا می‌کنند. برای مثال، اگر پدر ۸۰ کیلوگرمی درنیم سانتی‌متری تکیه‌گاه قرار گیرد و پسر ۲۰ کیلوگرمی در ۲ سانتی‌متری تکیه‌گاه نشسته باشد، الاکلنگ به حال تعادل می‌ایستد (شکل ۱۰).
از دانش‌آموزان بپرسید آیا می‌توانند محل نشستن پدر و پسر را روی الاکلنگ طوری تنظیم کنند که پدر سبک‌تر به نظر برسد؟! (شکل ۱۱).
پس از آنکه دانش‌آموزان با اجسام مختلف کار کردند، از آن‌ها بخواهید قانونی برای به تعادل درآوردن الاکلنگ ارائه دهند. معمولاً دانش‌آموزان پس از کار با اجسامی با وزن‌ها و مکان‌های مختلف روی الاکلنگ، در می‌یابند که برای به تعادل رساندن الاکلنگ، باید حاصل ضرب وزن اجسام در فاصله آن‌ها تا تکیه‌گاه مساوی شود. برای مثال، اگر پدر ۸۰ کیلوگرمی در فاصله نیم سانتی‌متری از تکیه‌گاه قرار گیرد، حاصل ضرب وزن وی در فاصله او تا تکیه گاه الاکلنگ برابر می‌شود با: ۴۰=۸۰ × ۵/۰ حال در طرف دیگر الاکلنگ، اگر پسر ۲۰ کیلوگرمی در فاصله ۲ سانتی‌متری قرار گیرد، حاصل ضرب وزن وی تا فاصله‌اش از تکیه‌گاه الاکلنگ برابر می‌شود با ۴۰=۲۰ × ۲.
چون مقدار حاصل ضرب وزن جسم در فاصله آن تا تکیه‌گاه در هر طرف برابر با ۴۰ شده است، لذا الاکلنگ به حالت تعادل می‌ایستد.
پس از آنکه دانش‌آموزان به اندازه کافی روی بخش آزمایشگاه گشتاور کار کردند، می‌توانید از آن‌ها بخواهید وارد مرحله بازی شوند (شکل ۶). در این قسمت، مسائل پیچیده‌تری مطرح می‌شوند. برای مثال، دانش‌آموزان می‌توانند در هر طرف اشیای گوناگون را قرار دهند و فاصله هر یک را تا تکیه‌گاه الاکلنگ طوری تنظیم کنند که به حال تعادل برسد. یا یک طرف الاکلنگ سنگین تر از طرف دیگر شود. این قسمت طوری طراحی شده است که برنامه به دانش‌آموزان بازخورد می‌دهد و در صورت لزوم پاسخ آن‌ها را اصلاح می‌کند.
به این ترتیب، دانش‌آموزان ضمن بازی و کار با وزنه‌ها، قوانین مربوط به گشتاور نیرو را خودشان می‌سازند. توجه کنید اگر قبل از آنکه به دانش‌آموزان فرصتی برای تجربه کردن مفاهیم آموزشی بدهیم، ذهن آن‌ها را درگیر فرمول‌های پیچیده کنیم، نه تنها سردرگمی و اضطراب آن‌ها را سبب می‌شویم، بلکه علاقه و انگیزه آن‌ها را برای مطالعه بیشتر و تعمیق یادگیری نابود می‌کنیم.
جمع‌بندی
یکی از چالش‌هایی که معلمان در تدریس علوم تجربی با آن مواجه هستند، نبود امکانات برای انجام آزمایش‌های علمی است. انجام بسیاری از آزمایش‌های درس علوم به هزینه و فضای آزمایشگاه نیاز دارد. از طرف دیگر، بدون انجام آزمایش، دانش‌آموزان نمی‌توانند به یادگیری عمیق و ساخت دانش دست یابند. استفاده از برنامه‌های شبیه ساز می‌تواند این مشکل را تا حد زیادی حل کند. شبیه‌سازها علاوه بر کاهش هزینه‌ها، از خطرات انجام آزمایش نیز می‌کاهند. مفهوم گشتاور نیرو از جمله مفاهیمی است که دانش‌آموزان در فهم آن با مشکل مواجه می‌شوند. استفاده از برنامه شبیه‌ساز راهی است تا به جای آنکه معلم به طور مستقیم فرمول‌ها و قوانین علمی مربوط به گشتاور نیرو را در اختیار دانش‌آموز قرار دهد، به آن‌ها کمک کند خود به قوانین گشتاورها پی ببرند.
پی‌نوشت‌‌ها
1. Phet
2.Java
3. Flash Player
منابع
1. Balanced torques: https://www.brightstorm.com/science/physics/circular-motion-and-rotational-mechanics/balanced-torques.
2. https://phet.colorado.edu/fa/simulations/category/physics