模型建構(gòu)視域下“滑輪”教學(xué)的優(yōu)化策略

摘" "要：模型建構(gòu)是科學(xué)思維的要素之一，按模型建構(gòu)的一般路徑引導(dǎo)學(xué)生物理學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)的生長(zhǎng)成為擺在一線教師面前亟需解決的問(wèn)題。以“滑輪”為例，通過(guò)做中學(xué)、創(chuàng)中學(xué)、玩中學(xué)、用中學(xué)等策略，讓學(xué)生自主體會(huì)杠桿模型的短板，建構(gòu)滑輪模型的雛形，遷移杠桿模型的要素，驗(yàn)證滑輪模型的特點(diǎn)，促進(jìn)物理學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)的有效生長(zhǎng)。

關(guān)鍵詞：模型建構(gòu)；經(jīng)驗(yàn)生長(zhǎng)；實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新；教學(xué)策略

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A " " 文章編號(hào)：1003-6148（2025）1-0008-4

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》提出，科學(xué)思維是重要的核心素養(yǎng)，模型建構(gòu)是科學(xué)思維的要素之一。模型建構(gòu)作為一種認(rèn)知手段和思維方式，是學(xué)生根據(jù)研究問(wèn)題和情境，在對(duì)客觀事物抽象和概括的基礎(chǔ)上建構(gòu)易于研究的、能反映事物本質(zhì)特征和共同屬性的理想模型、理想過(guò)程、理想實(shí)驗(yàn)和物理概念的過(guò)程。模型建構(gòu)有助于學(xué)生抓住事物的關(guān)鍵要素，加深對(duì)概念、過(guò)程和系統(tǒng)的理解，形成系統(tǒng)思維［1］。對(duì)初中階段的學(xué)生來(lái)說(shuō)，模型建構(gòu)表現(xiàn)為能夠使用模型解釋物理現(xiàn)象和過(guò)程，闡明物理概念和原理，具有在真實(shí)情境中建構(gòu)模型的意識(shí)和能力等。顯然，利用模型建構(gòu)進(jìn)行物理學(xué)習(xí)是物理教學(xué)的重要議題。

滑輪是重要的簡(jiǎn)單機(jī)械，同樣也是典型的機(jī)械模型，讓學(xué)生在可視、可感的情境與實(shí)驗(yàn)中自主建構(gòu)滑輪模型，能有效地幫助學(xué)生對(duì)其原有經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行直接加工和改造，不斷充實(shí)、豐富以形成新經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)而逐漸自主建構(gòu)新的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，促進(jìn)深度思維的發(fā)生。

1" " 做中學(xué)，發(fā)現(xiàn)杠桿模型的短板

在初中各版本物理教材中，簡(jiǎn)單機(jī)械部分均安排杠桿、滑輪等機(jī)械的學(xué)習(xí)，且都是從杠桿模型開(kāi)始的，因?yàn)楦軛U是最簡(jiǎn)單的機(jī)械模型。為此，“滑輪”一課的引入可從具體任務(wù)出發(fā)，讓學(xué)生用已有經(jīng)驗(yàn)解決實(shí)際問(wèn)題。引入流程如圖1所示。

教師首先布置選擇合適的工具完成井中提水的任務(wù)，學(xué)生因剛學(xué)完杠桿，其經(jīng)驗(yàn)中只有杠桿這一工具，下意識(shí)地提出用杠桿提水。接著，教師進(jìn)行演示，使用杠桿提水的總體目的是省力，此時(shí)當(dāng)動(dòng)力端移動(dòng)了較大距離時(shí)，水桶卻上升了很小的距離，很難實(shí)現(xiàn)井中提水的任務(wù)。若改用費(fèi)力杠桿來(lái)提水，還不如人直接提水。杠桿在執(zhí)行這一任務(wù)中存在著明顯的短板。

此處，學(xué)生置身于有價(jià)值的任務(wù)情境中，根據(jù)已有經(jīng)驗(yàn)，試圖通過(guò)學(xué)以致用來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題，符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，通過(guò)在問(wèn)題解決過(guò)程中出現(xiàn)的新經(jīng)驗(yàn)與前經(jīng)驗(yàn)的沖突，引起學(xué)生對(duì)前經(jīng)驗(yàn)的反思，激發(fā)其改造經(jīng)驗(yàn)的渴望。將生活化的情境引入課堂或者利用生活環(huán)境資源開(kāi)展教學(xué)，能夠讓學(xué)生體會(huì)到物理就在身邊，讓學(xué)生感受物理與科技、社會(huì)、自身之間的緊密聯(lián)系，這樣的設(shè)計(jì)符合“從生活走向物理，從物理走向社會(huì)”的物理課程理念［2］。

2" " 創(chuàng)中學(xué)，建構(gòu)滑輪模型的雛形

在提水這一實(shí)際問(wèn)題中，杠桿不能有效完成任務(wù)，是因?yàn)橐桓軛U只能提升有限高度，問(wèn)題的核心就聚焦到如何實(shí)現(xiàn)連續(xù)向上提水。此時(shí)，學(xué)生的思維是跳躍的，也是極富創(chuàng)造力的，通過(guò)討論就有不少學(xué)生提出如果一根杠桿提升一定的高度后繼續(xù)有下一根杠桿去接力，就可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)提升了。

實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新1：滑輪的初步構(gòu)型。

在贊許學(xué)生創(chuàng)意的基礎(chǔ)上，老師進(jìn)行演示，如果用一根杠桿提到一定高度后，繼續(xù)有一根杠桿去接力提水，這樣就可以將水桶繼續(xù)提起一定的高度，如此接力，就能實(shí)現(xiàn)把水桶提到應(yīng)有的高度了，如圖2所示。

討論：這個(gè)裝置的不足是什么？

生：需要不斷地將水桶換到下一根杠桿上，同步改變施加的動(dòng)力到另一根杠桿上，太繁瑣。

師：如何改進(jìn)？

生：若是做成實(shí)心的輪子就可以連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，用繩子沿輪子周邊拉動(dòng)就能實(shí)現(xiàn)自由上升。

師：想法很好！我們?cè)诟軛U兩邊分別安裝上一個(gè)半圓形的實(shí)心輪子，就可以把一個(gè)個(gè)直杠桿變成一個(gè)圓形的機(jī)械，實(shí)現(xiàn)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)（圖3），從而可以自由提升繩子的高度。物理上把這樣的裝置叫做滑輪。

此處，通過(guò)自制教具化直為曲，揭開(kāi)了滑輪的本質(zhì)，把知識(shí)的形成過(guò)程直接展開(kāi)，實(shí)現(xiàn)了思維的可視化，建構(gòu)了滑輪的雛形，學(xué)生直觀地認(rèn)識(shí)到滑輪是變形的杠桿。這樣的過(guò)程可以有效幫助學(xué)生對(duì)已有經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行積極反思，從而生發(fā)出經(jīng)驗(yàn)發(fā)展與不斷生長(zhǎng)的力量，這種力量正凝結(jié)于生活當(dāng)中，即生活的更新需要經(jīng)驗(yàn)的力量，經(jīng)驗(yàn)的生長(zhǎng)也是生活的生長(zhǎng)，亦是教育的生長(zhǎng)［3］。

3" " 玩中學(xué)，遷移杠桿模型的要素

至此，學(xué)生得出滑輪初步模型，認(rèn)識(shí)到有了這樣的裝置可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)旋轉(zhuǎn)，完成提水的任務(wù)。但“怎么用”“有哪些用法”“各用法的特點(diǎn)及注意點(diǎn)”“優(yōu)點(diǎn)和不足”等，學(xué)生尚無(wú)深刻的認(rèn)識(shí)。此時(shí)，需給出足夠的時(shí)間放手讓學(xué)生去“玩”滑輪，學(xué)生主動(dòng)細(xì)致地觀察滑輪的構(gòu)造，嘗試使用滑輪提升重物，思考體會(huì)滑輪的使用方法。通過(guò)探索能自主發(fā)現(xiàn)滑輪的用法有兩種，一種是軸固定不動(dòng)；另一種是將繩子一端固定，另一端繞過(guò)滑輪，向上提升繩子，滑輪和物體一起向上運(yùn)動(dòng)。讓學(xué)生在這樣自由環(huán)境中的感悟恰恰是源自本心的主動(dòng)習(xí)得。

此時(shí)，歸納滑輪的兩種用法就水到渠成了，即軸固定不動(dòng)的滑輪叫定滑輪，軸和物體一起運(yùn)動(dòng)的滑輪叫動(dòng)滑輪。在明確了滑輪有兩種用法后，布置學(xué)生對(duì)兩種滑輪分別進(jìn)行組裝并提升重物，初步感受兩者的使用差異。此時(shí)的任務(wù)變得具體且明確，學(xué)生能輕松地完成實(shí)驗(yàn)且獲得如下的感性經(jīng)驗(yàn)。

經(jīng)驗(yàn)1：用定滑輪提升物體時(shí)，感覺(jué)力的大小差不多，但可以改變施力的方向。

經(jīng)驗(yàn)2：用動(dòng)滑輪提升物體時(shí)，繩端只能豎直向上提升，且明顯感覺(jué)動(dòng)力比物重要小一點(diǎn)。

小結(jié)：剛才通過(guò)多個(gè)等臂杠桿疊加置換獲得的滑輪，其實(shí)就是定滑輪，可見(jiàn)，定滑輪就是一個(gè)等臂杠桿的模型。請(qǐng)作圖分析、解釋你的結(jié)論。

模型解釋?zhuān)豪@過(guò)定滑輪的繩子一端施加了動(dòng)力，另一端的物體提供了阻力，此時(shí)的支點(diǎn)在滑輪的軸上，動(dòng)力臂和阻力臂都等于滑輪的半徑，說(shuō)明定滑輪就是一個(gè)等臂杠桿（圖4）。

實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新2：理解動(dòng)滑輪支點(diǎn)在固定繩端的接觸點(diǎn)。

在自由摸索中，學(xué)生還發(fā)現(xiàn)了新問(wèn)題，即從使用的感覺(jué)來(lái)看，動(dòng)滑輪是省力的。學(xué)生陷入了動(dòng)滑輪是一個(gè)怎樣的杠桿的主動(dòng)思考。為此，我們?cè)O(shè)計(jì)了以下實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)：把一個(gè)圓筒滾上臺(tái)階，要求推力最小。

方案：沿過(guò)臺(tái)階接觸點(diǎn)的直徑位置施加垂直于直徑方向斜向上的動(dòng)力推圓筒滾上臺(tái)階，因動(dòng)力臂最長(zhǎng)，所以推力最小。

分析：此時(shí)圓筒相當(dāng)于什么？

生：一個(gè)圓形杠桿。

師：杠桿的支點(diǎn)和動(dòng)力作用點(diǎn)分別在哪里？

生：支點(diǎn)在臺(tái)階的接觸點(diǎn)，動(dòng)力作用點(diǎn)是圓筒的另一邊。

演示：推動(dòng)圓筒上臺(tái)階（圖5）。

問(wèn)：若是把圓筒沿著一堵墻滾上去，那么支點(diǎn)又在哪里？

繼續(xù)演示：推動(dòng)圓筒在墻壁上滾動(dòng)（圖6甲）。

模型解釋?zhuān)簩W(xué)生在這樣的分解實(shí)驗(yàn)中恍然大悟，動(dòng)滑輪在上升時(shí)，如同沿墻壁向上滾動(dòng)的圓筒，其支點(diǎn)就在固定端繩子的接觸點(diǎn)。因此，動(dòng)滑輪的動(dòng)力臂是滑輪的直徑，而物體掛在中間的軸上，阻力臂是滑輪的半徑，即動(dòng)滑輪是一個(gè)動(dòng)力臂等于阻力臂2倍的杠桿（圖6乙）。所以，使用動(dòng)滑輪提升物體時(shí)，施加的力明顯感覺(jué)小于物重。

這樣的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新是卓有成效的，把抽象的知識(shí)和思維過(guò)程在不斷分解后的具體操作中得以顯化，難點(diǎn)在這樣層層剝開(kāi)的過(guò)程性創(chuàng)新展示中迎刃而解。學(xué)生直觀地認(rèn)識(shí)到兩種用法的滑輪本質(zhì)上都是變形的杠桿，只是兩種滑輪中的杠桿模型要素稍有不同而已。通過(guò)有效的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新，讓學(xué)生經(jīng)歷了知識(shí)的形成過(guò)程，不僅是突破教學(xué)難點(diǎn)的需要，同樣會(huì)讓學(xué)生的經(jīng)驗(yàn)在這樣的遷移中不斷生長(zhǎng)。

4" " 用中學(xué)，驗(yàn)證滑輪模型的特點(diǎn)

教學(xué)中沿著知識(shí)的發(fā)展脈絡(luò)，以實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新為手段去凈化情境，使核心問(wèn)題變得更加聚焦。這就要求實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新要更加實(shí)用，更加瞄準(zhǔn)本質(zhì)問(wèn)題，讓實(shí)驗(yàn)成為學(xué)生自主習(xí)得提升核心素養(yǎng)的重要手段。

在定滑輪的研究中，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)是使用彈簧測(cè)力計(jì)去測(cè)量研究，這里就不可避免地出現(xiàn)測(cè)力計(jì)向不同方向施力時(shí)，尤其是向下測(cè)量拉力時(shí)，由于自重等影響就需要多方向去校零才能較為準(zhǔn)確地測(cè)量各個(gè)方向的拉力大小，這會(huì)沖淡本課的研究重點(diǎn)。常態(tài)教學(xué)中，教師一般會(huì)忽略這一問(wèn)題，實(shí)測(cè)出具有明顯差異的數(shù)據(jù)會(huì)在教師的“技術(shù)處理”中淡化。本課教學(xué)中，根據(jù)問(wèn)題研究的需要，我們引進(jìn)力傳感器進(jìn)行研究，有效回避了這一問(wèn)題，把探究重點(diǎn)進(jìn)一步指向核心問(wèn)題。

實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新3：利用傳感器深入研究定滑輪的特點(diǎn)。

實(shí)驗(yàn)：用定滑輪提升200 g的鉤碼，使用力傳感器精確測(cè)定定滑輪的施力情況，裝置如圖7所示。

學(xué)生開(kāi)始實(shí)驗(yàn)，得出數(shù)據(jù)如下：

從靜止拉動(dòng)物體時(shí)，拉力變大，緩慢拉動(dòng)時(shí)，拉力在2.05 N～2.20 N之間變化（圖8）。

分析：數(shù)據(jù)不穩(wěn)定的原因是什么？

生：應(yīng)該是我們的手工拉動(dòng)不能保持勻速運(yùn)動(dòng)。

問(wèn)：你還有什么發(fā)現(xiàn)？

生：我們發(fā)現(xiàn)拉力比鉤碼重力要略大一點(diǎn)。

師：你認(rèn)為原因是什么？

生：應(yīng)該還有摩擦和繩重。

師：你們還有什么發(fā)現(xiàn)？

生：我們還發(fā)現(xiàn)，用定滑輪提升重物時(shí)，拉力的方向可以向下、斜向下、水平拉動(dòng)，每個(gè)方向的拉力都是相同的。

師：請(qǐng)總結(jié)出定滑輪的特點(diǎn)。

生：定滑輪是一個(gè)等臂杠桿，它不省力，但可以改變力的方向。

學(xué)生從經(jīng)驗(yàn)中學(xué)習(xí)，通過(guò)不斷深入的動(dòng)手體驗(yàn)，其主動(dòng)的習(xí)得不斷豐富。讓學(xué)習(xí)者在面臨實(shí)際的疑難情境時(shí)，通過(guò)反省性思維來(lái)分析、思考問(wèn)題，提出可能的解決方案，運(yùn)用理智對(duì)各種假設(shè)進(jìn)行推敲，用行動(dòng)進(jìn)行實(shí)際檢驗(yàn)。這樣的習(xí)得是核心素養(yǎng)形成的必由之路。

實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新4：使用伺服電機(jī)深入探究動(dòng)滑輪的特點(diǎn)。

如何克服手工拉動(dòng)不能做到勻速這一問(wèn)題呢？本課使用伺服電機(jī)對(duì)動(dòng)滑輪的特點(diǎn)進(jìn)行深入探究（圖9）。

實(shí)驗(yàn)：組裝動(dòng)滑輪提升一個(gè)200 g的鉤碼，用力傳感器連接于動(dòng)滑輪的自由端，再用細(xì)線將力傳感器連接固定在一個(gè)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上，實(shí)現(xiàn)勻速提升（圖9）。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

結(jié)論：使用動(dòng)滑輪能省力，但略大于鉤碼重力的一半。

學(xué)生在這樣的精準(zhǔn)測(cè)量中，很快就能分析出其中的原因。一是因?yàn)閯?dòng)滑輪有重力，被同時(shí)提起了，二是還有繩重和摩擦。

此處的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)，解決了勻速拉動(dòng)的問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更精準(zhǔn)，在真實(shí)有效的證據(jù)面前結(jié)論一目了然，因?yàn)檎鎸?shí)直擊著學(xué)生的深層思維。學(xué)生置身于思維可視、過(guò)程顯化的創(chuàng)新情境中學(xué)習(xí)物理，不僅能幫助他們認(rèn)識(shí)到知識(shí)的形成過(guò)程，其實(shí)證意識(shí)亦能同步得到有效培養(yǎng)。

教育的生長(zhǎng)不是已經(jīng)完成了的生長(zhǎng)，學(xué)生的未成熟性為經(jīng)驗(yàn)的生長(zhǎng)提供著可塑性［3］。在初中物理教學(xué)中，教師以真實(shí)生活情境作為教學(xué)研究的邏輯起點(diǎn)，以模型建構(gòu)為重要手段去設(shè)計(jì)教學(xué)活動(dòng)，根據(jù)模型建構(gòu)的過(guò)程創(chuàng)設(shè)具體的、層層遞進(jìn)的真實(shí)情境，讓學(xué)生置身這些連續(xù)情境中，真正實(shí)現(xiàn)“做中學(xué)”，在個(gè)體經(jīng)驗(yàn)與情境發(fā)生碰撞和矛盾之中經(jīng)歷經(jīng)驗(yàn)不斷改造并形成新經(jīng)驗(yàn)，這些新經(jīng)驗(yàn)又在解釋、應(yīng)用、實(shí)踐的過(guò)程中不斷檢驗(yàn)，即在“用中學(xué)”中檢驗(yàn)獲得的物理模型，才有可能真正促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)的不斷生長(zhǎng)。

參考文獻(xiàn)：

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［2］李春密.中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究［M］.北京：北京師范大學(xué)出版社，2018.

［3］張梅.教育是經(jīng)驗(yàn)的改造——杜威教育哲學(xué)淺析［J］.出國(guó)與就業(yè)（就業(yè)版），2010（4）：98-99.

（欄目編輯" " 趙保鋼）