一組有關(guān)滑輪“移植”應(yīng)用的教學(xué)
——兼談如何進(jìn)行科技制作教學(xué),提升學(xué)生的創(chuàng)新素養(yǎng)

邢海根

(安徽省合肥市廬江第四中學(xué),安徽 合肥 231500)

余文森教授認(rèn)為:“核心素養(yǎng)是最基礎(chǔ)、最具生長性的關(guān)鍵素養(yǎng),就像房屋的地基,它決定房屋的高度．核心素養(yǎng)的形成具有關(guān)鍵期的特點(diǎn),錯過了關(guān)鍵期就很難彌補(bǔ)”．初中物理教學(xué)中,除不斷開發(fā)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué),還要加強(qiáng)物理知識應(yīng)用教學(xué),開展應(yīng)用物理知識進(jìn)行科技創(chuàng)新制作的教學(xué)．本文以如何將滑輪“移植”到科技創(chuàng)新制作中的教學(xué)為例,談?wù)勅绾翁嵘龑W(xué)生的創(chuàng)新素養(yǎng)．

1 需求與組合移植法

需求是發(fā)明之母,世界上許多發(fā)明都是在需求時產(chǎn)生的,發(fā)明本身就是為了解決需要,發(fā)明也是解決問題的一種方案．

圖1

當(dāng)太陽能水箱內(nèi)水上滿了,水從溢水管中流出來,如果不及時關(guān)水,就會造成家中“水漫金山”,這一問題是許多“太陽能熱水器家族”的煩惱,這就對一種自動關(guān)水太陽能熱水器提出了需求．但到目前為止,仍有許多家庭的太陽熱水器不能自動關(guān)水,需要增加自動關(guān)水裝置．首先,我們思考當(dāng)水箱內(nèi)水上滿了,會出現(xiàn)什么現(xiàn)象呢?當(dāng)然是水從溢水管中溢出．現(xiàn)以一種水閥為例,模仿手柄向外上方拉起,給太陽能熱水器上水;再將手柄向內(nèi)下方壓下,停止上水．如果溢出的水流入一只瓶中,而此瓶是用細(xì)線懸掛在上水閥的手柄上,將會出現(xiàn)什么現(xiàn)象呢?可以發(fā)現(xiàn)手柄向關(guān)閉的方向運(yùn)動,但沒有完全關(guān)閉．因?yàn)橹亓Φ姆较蜇Q直向下,從而拉力的方向也是豎直向下,不能將手柄進(jìn)一步向內(nèi)拉．那么怎樣才能改變拉線提供拉力的方向呢?學(xué)生立即想到了定滑輪,必須在太陽能上水閥下方安裝一個定滑輪．僅安裝定滑輪,就能自動關(guān)水嗎?還要哪些器材配合呢?學(xué)生們仔細(xì)思考發(fā)現(xiàn):要一根細(xì)線懸掛一飲料瓶,要一根軟管連接溢水管與飲料瓶,還要吸盤來固定定滑輪．學(xué)生們回家進(jìn)行安裝,如圖1所示,是學(xué)生們組裝的一種太陽能熱水器自動關(guān)水裝置,當(dāng)水上滿了,水便從溢水管中流出來,由軟管送入飲料瓶內(nèi),飲料瓶上的細(xì)線通過定滑輪將手柄向豎直墻面方向拉過去,這時便停止上水．

2 聯(lián)想與逆向思維移植法

一些學(xué)者曾把古希臘科學(xué)家亞里士多德的聯(lián)想觀點(diǎn)發(fā)展為聯(lián)想的三種方法,即在空間或時間上接近的事物形成接近聯(lián)想;有相似點(diǎn)的事物形成類似聯(lián)想;有對立關(guān)系的事物形成對比聯(lián)想．

在生活中,有時會遇到停水,這時就會聯(lián)想到儲水．怎樣儲水呢?同學(xué)們會想到水塔、水箱等容器．但這些裝置是前人已經(jīng)完成的制作,我們要聯(lián)想新裝置．另外,我們不能將水長期儲存在一個容器中,等停水后再用,如果是很長時間才停水,水就變得不新鮮,人們也不敢飲用．如果我們找到這樣的裝置,每次從容器中用水,用后又自動將容器中水注滿,這樣就能在停水時起到提供新鮮水的作用．試設(shè)想在水龍頭的下方安裝一個容器,在容器的下方安裝一個水龍頭,每次用水時,總是從容器下放的水龍頭放水．怎樣實(shí)現(xiàn)下方的水龍頭放水的同時,上面的水龍頭自動打開,向容器內(nèi)注水?不妨逆過來思考:從容器內(nèi)放水,容器內(nèi)水面下降,通過水面上某個裝置,自動打開容器上的水龍頭．當(dāng)關(guān)閉容器下的水龍頭,容器內(nèi)的水面將會上升,又通過某個裝置,自動將容器上方的水龍頭關(guān)閉．怎樣實(shí)現(xiàn)這一聯(lián)動呢?我們又開始聯(lián)想,假設(shè)將一物體懸掛在容器上的水龍頭的手柄上,物體浸沒在水中,這時細(xì)線對水龍頭的拉力很小,隨著容器中水的流出,物體排開水的體積變小,這時細(xì)線對手柄的拉力便增大,便能打開水龍頭向容器內(nèi)注水．但容器內(nèi)水不向外流動,怎樣提供一個斜向上的拉力關(guān)閉水龍頭呢?這時有的同學(xué)聯(lián)想到彈簧,但彈簧在水面上時間長了會生銹,這時想到利用定滑輪掛重物提供斜向上的拉力．畫出原理圖,如圖2所示．再模擬制作出如圖3所示的實(shí)物,打開水槽下的水龍頭,開始放水,一會兒,水槽中的浮子失去浮力,拉力增大,水槽上方的水龍頭自動打開．當(dāng)不用水時,上方的水龍頭還在向水槽中注水,浮子又浮起來,配重通過定滑輪將手柄關(guān)閉．這樣水槽內(nèi)始終保持滿水狀態(tài),當(dāng)突然停水時,水槽內(nèi)的水仍是新鮮的水,可應(yīng)急使用．

圖2

3 擴(kuò)用移植法

一種物件或產(chǎn)品,改變一下;或改造一下;或改裝一下;或添加點(diǎn)什么就能有其他的用途．

圖4

當(dāng)遇到火災(zāi)與地震時,人們將有什么行為呢?人們會從樓上跑到樓下．但地震或火災(zāi)時,樓道與電梯往往會損壞,人無法下樓．常出現(xiàn)人們跳樓現(xiàn)象．而跳樓的結(jié)果是非死即傷．怎樣從樓上跳下,人才不會傷亡呢?如果將一條繩索系在窗戶上,你敢順著繩索滑下嗎?一旦人抓不住,可能就會摔傷．但如果有一個固定的裝置,能支撐人的體重,該裝置由繩索拉住,并且繩索能慢速釋放,將人降到地面上就安全了．其實(shí)在建筑工地上,粉刷或擦玻璃的工人,他們用滑輪組將自己拉到樓上,也能將自己從樓上放下來,但他們是專業(yè)的．普通人能用這個裝置嗎?當(dāng)人站在載人圈內(nèi),載人圈的四周支撐人體的雙臂,此裝置將人吊在空中,人的手要抓住繩子的自由端,要不斷將繩子向上送,沒有經(jīng)過訓(xùn)練的人,很容易失手,造成傷亡．但如果將繩子系在載人圈上,當(dāng)人下降后,再將下面的繩子取一段再系上,同時將上面的繩結(jié)松開,這也能保證人的安全,但這樣太慢,在地震或火災(zāi)時,是要講速度的,必須快速自如地下降．我們可能有這樣的經(jīng)驗(yàn):將一根圓木棒水平支起,用繩子纏繞幾道,在繩子一端掛一個很輕的物體,用手向上拉,很大的力都不能將物體拉上去,如果用一只手輕輕將物體向上托起,就能輕松地將物體拉上去．如果將繩子在載人圈上纏繞幾圈,在繩子下端掛一個小的物體,人站在載人圈內(nèi),人將自己吊起,繩子的自由端可能不會向上滑動,這時人用一只手輕輕向上拉繩子下端的物體,人就能下降了,這樣人不存在拉不住繩子,繩子脫手,從而墜落下來造成傷亡事故．只要兩手交錯,間歇向上拉動繩子,用拉動的快慢來控制下降的快慢,便能從高樓上安全下樓．學(xué)生按要求設(shè)計圖紙,得出如圖4所示的裝置,并進(jìn)行制作,最后制作出如圖5所示的簡易安全高樓逃生裝置,在專業(yè)人員的保護(hù)下,開始實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)普通人坐在或站在載人圈內(nèi),一開始并不能下降,只有自己不斷向上拉物體才能下降,由于人手舉高的高度的限制,每次拉的距離受到限制,每次下滑的距離也受到限制,只有不斷的向上拉,才能讓自己下降,這樣便保證了人下降時的安全,由于逃生的需要,人會拼命地拉,下降的速度也就變得很快,但人向上拉的速度有限,不可能像自由落體那樣直接墜落下來．

圖5

4 破舊移植法

破舊就是改變事物在頭腦中的現(xiàn)有形象．打破思維定勢,采用新思路與新方法．

簡單機(jī)械在使用時,各有不同的優(yōu)點(diǎn),也表現(xiàn)出不同的缺陷．如羊角錘是用來敲打物體同時又可用來拔釘?shù)模蚪清N拔釘時相當(dāng)于省力杠桿．由于它的轉(zhuǎn)動及受力面積不大,導(dǎo)致木塊形變甚至部分損壞,釘子也彎了,不能再次使用．這是羊角錘拔釘時轉(zhuǎn)動帶來的缺陷．要使木塊與釘子都不形變,只有從平動的省力機(jī)械中找新的拔釘方式．這時很容易想到滑輪組省力,而且物體運(yùn)動時屬于平動．

我們?nèi)∑綍r用三股繩子提升重物的滑輪組,將下端重物改成釘子,用手拉動繩子的自由端發(fā)現(xiàn),只能拔起很小的釘子,不能拔起較大的釘子．這時我們聯(lián)想平時用手移動汽車上的雨刮器,很難移動,而打開雨刮器的電機(jī),雨刮器移動就輕松自如了,說明了汽車上的電動機(jī)的動力很大．

圖6

能否把汽車雨刮器用的電動機(jī)“移植”過來替代手動呢?先設(shè)計出滑輪組用電動機(jī)提升重物的示意圖,如圖6所示,當(dāng)然,這里的重物變成釘子,必須將掛鉤變成夾釘器,并將滑輪組固定在一個底座上．于是開始制作:取細(xì)鋼絲代替繩索,用鐵質(zhì)滑輪代替塑料滑輪,并組裝滑輪組．將汽車上雨刮器的電動機(jī)與蓄電池組合,并把細(xì)鋼絲的自由端系在電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上,制成了如圖7所示的拔釘器．再次實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)只要木塊是固定的,用夾釘器夾住鐵釘?shù)尼斆?只要開動電動機(jī),無論釘子多大,很快就拔了出來,而且釘子不會彎曲．

圖7