“滑轮”教学的三种结构：单元的视角

彭夷

摘   要：采用不同的教学方式、教学结构及学习方式建构同一知识点或规律，往往会产生迥异的教学效果。从单元的视角去审视这些效果，有利于教师从更宏观的层面去把握课堂教学的本质，有利于培养学生学习过程中的单元意识，形成正确的物理观念。

关键词：滑轮;课堂结构;单元

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2019）3-0034-3

围绕某一知识点的学习为核心来建构学习单元，进而让学生参与到学习进阶的活动中去，有利于培养学生的单元意识，形成正确的物理观念，发展相关的物理素养。苏科版初中物理教材中“简单机械和功”就是这样一个以杠杆及其变形为核心要素的学习单元。本文以“滑轮”教学的三种结构为例，具体阐述活动中的单元思想。

滑轮的实质就是杠杆，通过观课与教学实践，笔者注意到“滑轮”第一课时的教学通常可以采用三种逻辑结构。而采用不同的课堂结构，学生的学习效果也会有所不同。从杠杆这一核心知识来品评“滑轮”的教学，可以使教师加深对相关知识建构的理解，探寻更适合学生认知特点的教学方式。

1    最长力臂与最小力的教学实践与生成

通常教师会安排三个课时来让学生进行“杠杆”的学习进阶：第一课时让学生认识杠杆，知道杠杆的五要素;第二课时让学生通过探究得到杠杆平衡条件;第三课时通过对杠杆平衡条件的理论分析，解决杠杆在旋转过程中力和力臂的变化问题以及最长力臂与最小力的问题。如果课时充裕，可设计利用杠杆原理估测刻度尺的质量、制作杆秤等来检验学生相关知识与技能的掌握情况。

例如，在最长力臂和最小力的教学活动中，设置了这样一个例题：画出图1中使杠杆AB在图示位置静止时所用最小力F的作用点和方向。

学生刚接触这类题型时，思维往往是发散的，画图也呈现出各种不同的情况。此时，教师可以将学生的作图情况拍下来，进行编排后投影到屏幕之上。学生的作图情况大致如下（图2）：

让学生辨析并说出哪一幅图符合要求。

问题1：图2甲是否符合要求？

学生：图2甲中F的作用效果是使杠杆顺时针转动，与阻力的作用效果相同，杠杆无法平衡。

问题2：图2乙和图2丙哪种情况施加的力更小？

学生：图2丙中的F更小，因为它的力臂更长。

问题3：图2丙和图2丁哪种情况施加的力最小？

学生：图2丁中的F最小，因为它的力臂最长。

由此得到，最长的力臂所对应的力最小。

2    教学结构一：从模型走向探究

这种课堂结构延续了上一节课杠杆最长力臂和最小力的问题，设计相关问题，让学生在解决实际问题的同时回顾相关知识点。以下是学科组内某位老师的教学实例。

例题：不计机械自重及摩擦，请画出杠杆在水平位置平衡时B点施加的最小力F（如图3）。

归纳总结：图3甲中l1=l2，属于等臂杠杆;B点下降的距离等于A点上升的高度。圖3乙中l1=2l2，属于省力杠杆;B点上升的距离等于A点上升高度的两倍。

追问：图3乙中，在B点施加力是否一定省力？

过渡：杠杆可以有各种不同的变形，如果将图3甲、乙中的杠杆变成圆形，并在圆周开槽挂上细线，就变成了另一种简单机械——滑轮（如图4）。

比较图4中的丙图和丁图，它们有何异同？根据对图3中杠杆甲和乙的分析，猜测滑轮工作时的特点。

进行实验并记录数据，学生典型数据如表1、表2。

学生完成数据非常迅速，且数据靠近理论值，表明学生对理想情况下甲、乙两种杠杆相关知识的认识程度已较为深刻。但这种先入为主的思维往往会阻碍学生记录真实的数据，对于培养学生实事求是的科学态度起到负面效果。之后的教学中，教师还需对学生的数据进行相应的评价或重新测量数据，降低了课堂效率。

在本堂课中，教学引入部分用了大约20分钟，学生实验及结论分析用了大约25分钟。这样的教学结构中，虽然学生更好地巩固了最长力臂和最小力的概念，也为“探究滑轮的特点”夯实了理论基础，但是与其将这么大的精力放在理论分析上，不如放手给学生更多的探究时间去归纳、分析规律背后所隐藏的物理知识与物理模型，培养学生养成前后知识相互关联的单元意识。

3    教学结构二：从生活走向物理，由探究建构模型

这种课堂结构基本按照教材的编排来开展教学。引入部分，让学生注意观察国旗旗杆的顶部装置，让学生说说这个装置形状有何特点，它的作用是什么。也可以设置一个楼上同学要利用这种装置提升重物的情境（如图5），采用两种方法，让学生说说这两种方法在使用时有何异同。通过归纳总结得到动滑轮和定滑轮的定义。同时引出探究活动——“探究定滑轮和动滑轮工作时的特点”。

分析与评价：学生在进行实验时，往往会出现不会绕绳子的情况，需要教师适当地给予展示，引导学生关注是滑轮先固定还是绳子先固定。分析数据时也不能直接评判学生数据的对错。在使用弹簧测力计时强调先可采用对拉的方式来进行校零。先确认大部分学生的数据是否相近，再用图4进行理论分析。如图4丙所示，定滑轮所模型化的杠杆中心在支点上，因此杠杆自身重力对杠杆转动没有影响，这是等臂杠杆，因此F=G。辨析在弹簧测力计静止时读数与匀速下拉的过程中读数有何区别，哪种方式读数偏大？让学生在实验时养成考虑摩擦力的意识。如图4丁所示，动滑轮所模型化的杠杆是一个动力臂是阻力臂两倍的省力杠杆（强调竖直向上拉时），因此F=■G。辨析G是指物体的重力还是滑轮与物体总的重力？让学生在实验中养成分析问题时考虑机械自重的意识。然后，再回归到所测量的数据上，分析误差的来源，最终在获得实验结论的同时，养成评估意识。这种建构知识的方式能够从生活走向物理，从探究走向模型，培养学生的物理模型意识，也培养了学生的评估意识。但从课堂观察的结果来看，后半段的理论分析略显沉闷，需要设计新的兴趣点来激发学生的专注力。

4    教学结构三：理论建模与探究的交替运用

通过课堂观察发现，上述两种教学结构在实施过程中各有优点及不足，那么如果将理论建模与探究进行交替的运用又会产生什么样的教学效果呢？于是，笔者又尝试了第三种教学结构。引入环节与结构二相同，采用如图5所示的情境引出动滑轮和定滑轮的定义。先探究定滑轮工作时的特点。强调了弹簧测力计的校零以及实验时的其他注意事项。得到学生典型数据如表5所示。

5    结   语

从单元的视角来审视本堂课，不难发现滑轮教学的三种结构都是杠杆这一核心概念建构的延续，而滑轮第二课时中轮轴的教学也同样可以模型化为杠杆。对滑轮相关知识的学习，也是对杠杆知识的巩固与重新生成。对于学生，单元意识的养成就是养成一种前后知识相互联系、知识联系生活的习惯，对学生的后续发展会有较大的帮助。对于教师，在进行教学活动时，单元意识的养成更是自身对物理知识体系的再认识，是教学能力提升的重要途径之一。

（栏目编辑    邓   磊）