一组有关滑轮“移植”应用的教学——兼谈如何进行科技制作教学,提升学生的创新素养

邢海根

(安徽省合肥市庐江第四中学,安徽 合肥 231500)

余文森教授认为:“核心素养是最基础、最具生长性的关键素养,就像房屋的地基,它决定房屋的高度．核心素养的形成具有关键期的特点,错过了关键期就很难弥补”．初中物理教学中,除不断开发创新实验教学,还要加强物理知识应用教学,开展应用物理知识进行科技创新制作的教学．本文以如何将滑轮“移植”到科技创新制作中的教学为例,谈谈如何提升学生的创新素养．

1 需求与组合移植法

需求是发明之母,世界上许多发明都是在需求时产生的,发明本身就是为了解决需要,发明也是解决问题的一种方案．

图1

当太阳能水箱内水上满了,水从溢水管中流出来,如果不及时关水,就会造成家中“水漫金山”,这一问题是许多“太阳能热水器家族”的烦恼,这就对一种自动关水太阳能热水器提出了需求．但到目前为止,仍有许多家庭的太阳热水器不能自动关水,需要增加自动关水装置．首先,我们思考当水箱内水上满了,会出现什么现象呢?当然是水从溢水管中溢出．现以一种水阀为例,模仿手柄向外上方拉起,给太阳能热水器上水;再将手柄向内下方压下,停止上水．如果溢出的水流入一只瓶中,而此瓶是用细线悬挂在上水阀的手柄上,将会出现什么现象呢?可以发现手柄向关闭的方向运动,但没有完全关闭．因为重力的方向竖直向下,从而拉力的方向也是竖直向下,不能将手柄进一步向内拉．那么怎样才能改变拉线提供拉力的方向呢?学生立即想到了定滑轮,必须在太阳能上水阀下方安装一个定滑轮．仅安装定滑轮,就能自动关水吗?还要哪些器材配合呢?学生们仔细思考发现:要一根细线悬挂一饮料瓶,要一根软管连接溢水管与饮料瓶,还要吸盘来固定定滑轮．学生们回家进行安装,如图1所示,是学生们组装的一种太阳能热水器自动关水装置,当水上满了,水便从溢水管中流出来,由软管送入饮料瓶内,饮料瓶上的细线通过定滑轮将手柄向竖直墙面方向拉过去,这时便停止上水．

2 联想与逆向思维移植法

一些学者曾把古希腊科学家亚里士多德的联想观点发展为联想的三种方法,即在空间或时间上接近的事物形成接近联想;有相似点的事物形成类似联想;有对立关系的事物形成对比联想．

在生活中,有时会遇到停水,这时就会联想到储水．怎样储水呢?同学们会想到水塔、水箱等容器．但这些装置是前人已经完成的制作,我们要联想新装置．另外,我们不能将水长期储存在一个容器中,等停水后再用,如果是很长时间才停水,水就变得不新鲜,人们也不敢饮用．如果我们找到这样的装置,每次从容器中用水,用后又自动将容器中水注满,这样就能在停水时起到提供新鲜水的作用．试设想在水龙头的下方安装一个容器,在容器的下方安装一个水龙头,每次用水时,总是从容器下放的水龙头放水．怎样实现下方的水龙头放水的同时,上面的水龙头自动打开,向容器内注水?不妨逆过来思考:从容器内放水,容器内水面下降,通过水面上某个装置,自动打开容器上的水龙头．当关闭容器下的水龙头,容器内的水面将会上升,又通过某个装置,自动将容器上方的水龙头关闭．怎样实现这一联动呢?我们又开始联想,假设将一物体悬挂在容器上的水龙头的手柄上,物体浸没在水中,这时细线对水龙头的拉力很小,随着容器中水的流出,物体排开水的体积变小,这时细线对手柄的拉力便增大,便能打开水龙头向容器内注水．但容器内水不向外流动,怎样提供一个斜向上的拉力关闭水龙头呢?这时有的同学联想到弹簧,但弹簧在水面上时间长了会生锈,这时想到利用定滑轮挂重物提供斜向上的拉力．画出原理图,如图2所示．再模拟制作出如图3所示的实物,打开水槽下的水龙头,开始放水,一会儿,水槽中的浮子失去浮力,拉力增大,水槽上方的水龙头自动打开．当不用水时,上方的水龙头还在向水槽中注水,浮子又浮起来,配重通过定滑轮将手柄关闭．这样水槽内始终保持满水状态,当突然停水时,水槽内的水仍是新鲜的水,可应急使用．

图2

3 扩用移植法

一种物件或产品,改变一下;或改造一下;或改装一下;或添加点什么就能有其他的用途．

图4

当遇到火灾与地震时,人们将有什么行为呢?人们会从楼上跑到楼下．但地震或火灾时,楼道与电梯往往会损坏,人无法下楼．常出现人们跳楼现象．而跳楼的结果是非死即伤．怎样从楼上跳下,人才不会伤亡呢?如果将一条绳索系在窗户上,你敢顺着绳索滑下吗?一旦人抓不住,可能就会摔伤．但如果有一个固定的装置,能支撑人的体重,该装置由绳索拉住,并且绳索能慢速释放,将人降到地面上就安全了．其实在建筑工地上,粉刷或擦玻璃的工人,他们用滑轮组将自己拉到楼上,也能将自己从楼上放下来,但他们是专业的．普通人能用这个装置吗?当人站在载人圈内,载人圈的四周支撑人体的双臂,此装置将人吊在空中,人的手要抓住绳子的自由端,要不断将绳子向上送,没有经过训练的人,很容易失手,造成伤亡．但如果将绳子系在载人圈上,当人下降后,再将下面的绳子取一段再系上,同时将上面的绳结松开,这也能保证人的安全,但这样太慢,在地震或火灾时,是要讲速度的,必须快速自如地下降．我们可能有这样的经验:将一根圆木棒水平支起,用绳子缠绕几道,在绳子一端挂一个很轻的物体,用手向上拉,很大的力都不能将物体拉上去,如果用一只手轻轻将物体向上托起,就能轻松地将物体拉上去．如果将绳子在载人圈上缠绕几圈,在绳子下端挂一个小的物体,人站在载人圈内,人将自己吊起,绳子的自由端可能不会向上滑动,这时人用一只手轻轻向上拉绳子下端的物体,人就能下降了,这样人不存在拉不住绳子,绳子脱手,从而坠落下来造成伤亡事故．只要两手交错,间歇向上拉动绳子,用拉动的快慢来控制下降的快慢,便能从高楼上安全下楼．学生按要求设计图纸,得出如图4所示的装置,并进行制作,最后制作出如图5所示的简易安全高楼逃生装置,在专业人员的保护下,开始实验,发现普通人坐在或站在载人圈内,一开始并不能下降,只有自己不断向上拉物体才能下降,由于人手举高的高度的限制,每次拉的距离受到限制,每次下滑的距离也受到限制,只有不断的向上拉,才能让自己下降,这样便保证了人下降时的安全,由于逃生的需要,人会拼命地拉,下降的速度也就变得很快,但人向上拉的速度有限,不可能像自由落体那样直接坠落下来．

图5

4 破旧移植法

破旧就是改变事物在头脑中的现有形象．打破思维定势,采用新思路与新方法．

简单机械在使用时,各有不同的优点,也表现出不同的缺陷．如羊角锤是用来敲打物体同时又可用来拔钉的．羊角锤拔钉时相当于省力杠杆．由于它的转动及受力面积不大,导致木块形变甚至部分损坏,钉子也弯了,不能再次使用．这是羊角锤拔钉时转动带来的缺陷．要使木块与钉子都不形变,只有从平动的省力机械中找新的拔钉方式．这时很容易想到滑轮组省力,而且物体运动时属于平动．

我们取平时用三股绳子提升重物的滑轮组,将下端重物改成钉子,用手拉动绳子的自由端发现,只能拔起很小的钉子,不能拔起较大的钉子．这时我们联想平时用手移动汽车上的雨刮器,很难移动,而打开雨刮器的电机,雨刮器移动就轻松自如了,说明了汽车上的电动机的动力很大．

图6

能否把汽车雨刮器用的电动机“移植”过来替代手动呢?先设计出滑轮组用电动机提升重物的示意图,如图6所示,当然,这里的重物变成钉子,必须将挂钩变成夹钉器,并将滑轮组固定在一个底座上．于是开始制作:取细钢丝代替绳索,用铁质滑轮代替塑料滑轮,并组装滑轮组．将汽车上雨刮器的电动机与蓄电池组合,并把细钢丝的自由端系在电动机转轴上,制成了如图7所示的拔钉器．再次实验,发现只要木块是固定的,用夹钉器夹住铁钉的钉帽,只要开动电动机,无论钉子多大,很快就拔了出来,而且钉子不会弯曲．

图7