“滑輪”教學(xué)的三種結(jié)構(gòu)：?jiǎn)卧囊暯?/h1>
2019-05-08 03:33:24彭夷
物理教學(xué)探討 2019年3期 關(guān)鍵詞：課堂結(jié)構(gòu)滑輪
彭夷
摘? ?要：采用不同的教學(xué)方式、教學(xué)結(jié)構(gòu)及學(xué)習(xí)方式建構(gòu)同一知識(shí)點(diǎn)或規(guī)律，往往會(huì)產(chǎn)生迥異的教學(xué)效果。從單元的視角去審視這些效果，有利于教師從更宏觀的層面去把握課堂教學(xué)的本質(zhì)，有利于培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的單元意識(shí)，形成正確的物理觀念。
關(guān)鍵詞：滑輪;課堂結(jié)構(gòu);單元
中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-6148（2019）3-0034-3
圍繞某一知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)為核心來(lái)建構(gòu)學(xué)習(xí)單元，進(jìn)而讓學(xué)生參與到學(xué)習(xí)進(jìn)階的活動(dòng)中去，有利于培養(yǎng)學(xué)生的單元意識(shí)，形成正確的物理觀念，發(fā)展相關(guān)的物理素養(yǎng)。蘇科版初中物理教材中“簡(jiǎn)單機(jī)械和功”就是這樣一個(gè)以杠桿及其變形為核心要素的學(xué)習(xí)單元。本文以“滑輪”教學(xué)的三種結(jié)構(gòu)為例，具體闡述活動(dòng)中的單元思想。
滑輪的實(shí)質(zhì)就是杠桿，通過觀課與教學(xué)實(shí)踐，筆者注意到“滑輪”第一課時(shí)的教學(xué)通常可以采用三種邏輯結(jié)構(gòu)。而采用不同的課堂結(jié)構(gòu)，學(xué)生的學(xué)習(xí)效果也會(huì)有所不同。從杠桿這一核心知識(shí)來(lái)品評(píng)“滑輪”的教學(xué)，可以使教師加深對(duì)相關(guān)知識(shí)建構(gòu)的理解，探尋更適合學(xué)生認(rèn)知特點(diǎn)的教學(xué)方式。
1? ? 最長(zhǎng)力臂與最小力的教學(xué)實(shí)踐與生成
通常教師會(huì)安排三個(gè)課時(shí)來(lái)讓學(xué)生進(jìn)行“杠桿”的學(xué)習(xí)進(jìn)階：第一課時(shí)讓學(xué)生認(rèn)識(shí)杠桿，知道杠桿的五要素;第二課時(shí)讓學(xué)生通過探究得到杠桿平衡條件;第三課時(shí)通過對(duì)杠桿平衡條件的理論分析，解決杠桿在旋轉(zhuǎn)過程中力和力臂的變化問題以及最長(zhǎng)力臂與最小力的問題。如果課時(shí)充裕，可設(shè)計(jì)利用杠桿原理估測(cè)刻度尺的質(zhì)量、制作桿秤等來(lái)檢驗(yàn)學(xué)生相關(guān)知識(shí)與技能的掌握情況。
例如，在最長(zhǎng)力臂和最小力的教學(xué)活動(dòng)中，設(shè)置了這樣一個(gè)例題：畫出圖1中使杠桿AB在圖示位置靜止時(shí)所用最小力F的作用點(diǎn)和方向。
學(xué)生剛接觸這類題型時(shí)，思維往往是發(fā)散的，畫圖也呈現(xiàn)出各種不同的情況。此時(shí)，教師可以將學(xué)生的作圖情況拍下來(lái)，進(jìn)行編排后投影到屏幕之上。學(xué)生的作圖情況大致如下（圖2）：
讓學(xué)生辨析并說出哪一幅圖符合要求。
問題1：圖2甲是否符合要求？
學(xué)生：圖2甲中F的作用效果是使杠桿順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，與阻力的作用效果相同，杠桿無(wú)法平衡。
問題2：圖2乙和圖2丙哪種情況施加的力更??？
學(xué)生：圖2丙中的F更小，因?yàn)樗牧Ρ鄹L(zhǎng)。
問題3：圖2丙和圖2丁哪種情況施加的力最??？
學(xué)生：圖2丁中的F最小，因?yàn)樗牧Ρ圩铋L(zhǎng)。
由此得到，最長(zhǎng)的力臂所對(duì)應(yīng)的力最小。
2? ? 教學(xué)結(jié)構(gòu)一：從模型走向探究
這種課堂結(jié)構(gòu)延續(xù)了上一節(jié)課杠桿最長(zhǎng)力臂和最小力的問題，設(shè)計(jì)相關(guān)問題，讓學(xué)生在解決實(shí)際問題的同時(shí)回顧相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。以下是學(xué)科組內(nèi)某位老師的教學(xué)實(shí)例。
例題：不計(jì)機(jī)械自重及摩擦，請(qǐng)畫出杠桿在水平位置平衡時(shí)B點(diǎn)施加的最小力F（如圖3）。
歸納總結(jié)：圖3甲中l(wèi)1=l2，屬于等臂杠桿;B點(diǎn)下降的距離等于A點(diǎn)上升的高度。圖3乙中l(wèi)1=2l2，屬于省力杠桿;B點(diǎn)上升的距離等于A點(diǎn)上升高度的兩倍。
追問：圖3乙中，在B點(diǎn)施加力是否一定省力？
過渡：杠桿可以有各種不同的變形，如果將圖3甲、乙中的杠桿變成圓形，并在圓周開槽掛上細(xì)線，就變成了另一種簡(jiǎn)單機(jī)械——滑輪（如圖4）。
比較圖4中的丙圖和丁圖，它們有何異同？根據(jù)對(duì)圖3中杠桿甲和乙的分析，猜測(cè)滑輪工作時(shí)的特點(diǎn)。
進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并記錄數(shù)據(jù)，學(xué)生典型數(shù)據(jù)如表1、表2。
學(xué)生完成數(shù)據(jù)非常迅速，且數(shù)據(jù)靠近理論值，表明學(xué)生對(duì)理想情況下甲、乙兩種杠桿相關(guān)知識(shí)的認(rèn)識(shí)程度已較為深刻。但這種先入為主的思維往往會(huì)阻礙學(xué)生記錄真實(shí)的數(shù)據(jù)，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度起到負(fù)面效果。之后的教學(xué)中，教師還需對(duì)學(xué)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的評(píng)價(jià)或重新測(cè)量數(shù)據(jù)，降低了課堂效率。
在本堂課中，教學(xué)引入部分用了大約20分鐘，學(xué)生實(shí)驗(yàn)及結(jié)論分析用了大約25分鐘。這樣的教學(xué)結(jié)構(gòu)中，雖然學(xué)生更好地鞏固了最長(zhǎng)力臂和最小力的概念，也為“探究滑輪的特點(diǎn)”夯實(shí)了理論基礎(chǔ)，但是與其將這么大的精力放在理論分析上，不如放手給學(xué)生更多的探究時(shí)間去歸納、分析規(guī)律背后所隱藏的物理知識(shí)與物理模型，培養(yǎng)學(xué)生養(yǎng)成前后知識(shí)相互關(guān)聯(lián)的單元意識(shí)。
3? ? 教學(xué)結(jié)構(gòu)二：從生活走向物理，由探究建構(gòu)模型
這種課堂結(jié)構(gòu)基本按照教材的編排來(lái)開展教學(xué)。引入部分，讓學(xué)生注意觀察國(guó)旗旗桿的頂部裝置，讓學(xué)生說說這個(gè)裝置形狀有何特點(diǎn)，它的作用是什么。也可以設(shè)置一個(gè)樓上同學(xué)要利用這種裝置提升重物的情境（如圖5），采用兩種方法，讓學(xué)生說說這兩種方法在使用時(shí)有何異同。通過歸納總結(jié)得到動(dòng)滑輪和定滑輪的定義。同時(shí)引出探究活動(dòng)——“探究定滑輪和動(dòng)滑輪工作時(shí)的特點(diǎn)”。
分析與評(píng)價(jià)：學(xué)生在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)不會(huì)繞繩子的情況，需要教師適當(dāng)?shù)亟o予展示，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注是滑輪先固定還是繩子先固定。分析數(shù)據(jù)時(shí)也不能直接評(píng)判學(xué)生數(shù)據(jù)的對(duì)錯(cuò)。在使用彈簧測(cè)力計(jì)時(shí)強(qiáng)調(diào)先可采用對(duì)拉的方式來(lái)進(jìn)行校零。先確認(rèn)大部分學(xué)生的數(shù)據(jù)是否相近，再用圖4進(jìn)行理論分析。如圖4丙所示，定滑輪所模型化的杠桿中心在支點(diǎn)上，因此杠桿自身重力對(duì)杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)沒有影響，這是等臂杠桿，因此F=G。辨析在彈簧測(cè)力計(jì)靜止時(shí)讀數(shù)與勻速下拉的過程中讀數(shù)有何區(qū)別，哪種方式讀數(shù)偏大？讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時(shí)養(yǎng)成考慮摩擦力的意識(shí)。如圖4丁所示，動(dòng)滑輪所模型化的杠桿是一個(gè)動(dòng)力臂是阻力臂兩倍的省力杠桿（強(qiáng)調(diào)豎直向上拉時(shí)），因此F=■G。辨析G是指物體的重力還是滑輪與物體總的重力？讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中養(yǎng)成分析問題時(shí)考慮機(jī)械自重的意識(shí)。然后，再回歸到所測(cè)量的數(shù)據(jù)上，分析誤差的來(lái)源，最終在獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)論的同時(shí)，養(yǎng)成評(píng)估意識(shí)。這種建構(gòu)知識(shí)的方式能夠從生活走向物理，從探究走向模型，培養(yǎng)學(xué)生的物理模型意識(shí)，也培養(yǎng)了學(xué)生的評(píng)估意識(shí)。但從課堂觀察的結(jié)果來(lái)看，后半段的理論分析略顯沉悶，需要設(shè)計(jì)新的興趣點(diǎn)來(lái)激發(fā)學(xué)生的專注力。
4? ? 教學(xué)結(jié)構(gòu)三：理論建模與探究的交替運(yùn)用
通過課堂觀察發(fā)現(xiàn)，上述兩種教學(xué)結(jié)構(gòu)在實(shí)施過程中各有優(yōu)點(diǎn)及不足，那么如果將理論建模與探究進(jìn)行交替的運(yùn)用又會(huì)產(chǎn)生什么樣的教學(xué)效果呢？于是，筆者又嘗試了第三種教學(xué)結(jié)構(gòu)。引入環(huán)節(jié)與結(jié)構(gòu)二相同，采用如圖5所示的情境引出動(dòng)滑輪和定滑輪的定義。先探究定滑輪工作時(shí)的特點(diǎn)。強(qiáng)調(diào)了彈簧測(cè)力計(jì)的校零以及實(shí)驗(yàn)時(shí)的其他注意事項(xiàng)。得到學(xué)生典型數(shù)據(jù)如表5所示。
5? ? 結(jié)? ?語(yǔ)
從單元的視角來(lái)審視本堂課，不難發(fā)現(xiàn)滑輪教學(xué)的三種結(jié)構(gòu)都是杠桿這一核心概念建構(gòu)的延續(xù)，而滑輪第二課時(shí)中輪軸的教學(xué)也同樣可以模型化為杠桿。對(duì)滑輪相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)，也是對(duì)杠桿知識(shí)的鞏固與重新生成。對(duì)于學(xué)生，單元意識(shí)的養(yǎng)成就是養(yǎng)成一種前后知識(shí)相互聯(lián)系、知識(shí)聯(lián)系生活的習(xí)慣，對(duì)學(xué)生的后續(xù)發(fā)展會(huì)有較大的幫助。對(duì)于教師，在進(jìn)行教學(xué)活動(dòng)時(shí)，單元意識(shí)的養(yǎng)成更是自身對(duì)物理知識(shí)體系的再認(rèn)識(shí)，是教學(xué)能力提升的重要途徑之一。
（欄目編輯? ? 鄧? ?磊）
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彭夷
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滑輪的實(shí)質(zhì)就是杠桿，通過觀課與教學(xué)實(shí)踐，筆者注意到“滑輪”第一課時(shí)的教學(xué)通常可以采用三種邏輯結(jié)構(gòu)。而采用不同的課堂結(jié)構(gòu)，學(xué)生的學(xué)習(xí)效果也會(huì)有所不同。從杠桿這一核心知識(shí)來(lái)品評(píng)“滑輪”的教學(xué)，可以使教師加深對(duì)相關(guān)知識(shí)建構(gòu)的理解，探尋更適合學(xué)生認(rèn)知特點(diǎn)的教學(xué)方式。
1? ? 最長(zhǎng)力臂與最小力的教學(xué)實(shí)踐與生成
通常教師會(huì)安排三個(gè)課時(shí)來(lái)讓學(xué)生進(jìn)行“杠桿”的學(xué)習(xí)進(jìn)階：第一課時(shí)讓學(xué)生認(rèn)識(shí)杠桿，知道杠桿的五要素;第二課時(shí)讓學(xué)生通過探究得到杠桿平衡條件;第三課時(shí)通過對(duì)杠桿平衡條件的理論分析，解決杠桿在旋轉(zhuǎn)過程中力和力臂的變化問題以及最長(zhǎng)力臂與最小力的問題。如果課時(shí)充裕，可設(shè)計(jì)利用杠桿原理估測(cè)刻度尺的質(zhì)量、制作桿秤等來(lái)檢驗(yàn)學(xué)生相關(guān)知識(shí)與技能的掌握情況。
例如，在最長(zhǎng)力臂和最小力的教學(xué)活動(dòng)中，設(shè)置了這樣一個(gè)例題：畫出圖1中使杠桿AB在圖示位置靜止時(shí)所用最小力F的作用點(diǎn)和方向。
學(xué)生剛接觸這類題型時(shí)，思維往往是發(fā)散的，畫圖也呈現(xiàn)出各種不同的情況。此時(shí)，教師可以將學(xué)生的作圖情況拍下來(lái)，進(jìn)行編排后投影到屏幕之上。學(xué)生的作圖情況大致如下（圖2）：
讓學(xué)生辨析并說出哪一幅圖符合要求。
問題1：圖2甲是否符合要求？
學(xué)生：圖2甲中F的作用效果是使杠桿順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，與阻力的作用效果相同，杠桿無(wú)法平衡。
問題2：圖2乙和圖2丙哪種情況施加的力更??？
學(xué)生：圖2丙中的F更小，因?yàn)樗牧Ρ鄹L(zhǎng)。
問題3：圖2丙和圖2丁哪種情況施加的力最??？
學(xué)生：圖2丁中的F最小，因?yàn)樗牧Ρ圩铋L(zhǎng)。
由此得到，最長(zhǎng)的力臂所對(duì)應(yīng)的力最小。
2? ? 教學(xué)結(jié)構(gòu)一：從模型走向探究
這種課堂結(jié)構(gòu)延續(xù)了上一節(jié)課杠桿最長(zhǎng)力臂和最小力的問題，設(shè)計(jì)相關(guān)問題，讓學(xué)生在解決實(shí)際問題的同時(shí)回顧相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。以下是學(xué)科組內(nèi)某位老師的教學(xué)實(shí)例。
例題：不計(jì)機(jī)械自重及摩擦，請(qǐng)畫出杠桿在水平位置平衡時(shí)B點(diǎn)施加的最小力F（如圖3）。
歸納總結(jié)：圖3甲中l(wèi)1=l2，屬于等臂杠桿;B點(diǎn)下降的距離等于A點(diǎn)上升的高度。圖3乙中l(wèi)1=2l2，屬于省力杠桿;B點(diǎn)上升的距離等于A點(diǎn)上升高度的兩倍。
追問：圖3乙中，在B點(diǎn)施加力是否一定省力？
過渡：杠桿可以有各種不同的變形，如果將圖3甲、乙中的杠桿變成圓形，并在圓周開槽掛上細(xì)線，就變成了另一種簡(jiǎn)單機(jī)械——滑輪（如圖4）。
比較圖4中的丙圖和丁圖，它們有何異同？根據(jù)對(duì)圖3中杠桿甲和乙的分析，猜測(cè)滑輪工作時(shí)的特點(diǎn)。
進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并記錄數(shù)據(jù)，學(xué)生典型數(shù)據(jù)如表1、表2。
學(xué)生完成數(shù)據(jù)非常迅速，且數(shù)據(jù)靠近理論值，表明學(xué)生對(duì)理想情況下甲、乙兩種杠桿相關(guān)知識(shí)的認(rèn)識(shí)程度已較為深刻。但這種先入為主的思維往往會(huì)阻礙學(xué)生記錄真實(shí)的數(shù)據(jù)，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度起到負(fù)面效果。之后的教學(xué)中，教師還需對(duì)學(xué)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的評(píng)價(jià)或重新測(cè)量數(shù)據(jù)，降低了課堂效率。
在本堂課中，教學(xué)引入部分用了大約20分鐘，學(xué)生實(shí)驗(yàn)及結(jié)論分析用了大約25分鐘。這樣的教學(xué)結(jié)構(gòu)中，雖然學(xué)生更好地鞏固了最長(zhǎng)力臂和最小力的概念，也為“探究滑輪的特點(diǎn)”夯實(shí)了理論基礎(chǔ)，但是與其將這么大的精力放在理論分析上，不如放手給學(xué)生更多的探究時(shí)間去歸納、分析規(guī)律背后所隱藏的物理知識(shí)與物理模型，培養(yǎng)學(xué)生養(yǎng)成前后知識(shí)相互關(guān)聯(lián)的單元意識(shí)。
3? ? 教學(xué)結(jié)構(gòu)二：從生活走向物理，由探究建構(gòu)模型
這種課堂結(jié)構(gòu)基本按照教材的編排來(lái)開展教學(xué)。引入部分，讓學(xué)生注意觀察國(guó)旗旗桿的頂部裝置，讓學(xué)生說說這個(gè)裝置形狀有何特點(diǎn)，它的作用是什么。也可以設(shè)置一個(gè)樓上同學(xué)要利用這種裝置提升重物的情境（如圖5），采用兩種方法，讓學(xué)生說說這兩種方法在使用時(shí)有何異同。通過歸納總結(jié)得到動(dòng)滑輪和定滑輪的定義。同時(shí)引出探究活動(dòng)——“探究定滑輪和動(dòng)滑輪工作時(shí)的特點(diǎn)”。
分析與評(píng)價(jià)：學(xué)生在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)不會(huì)繞繩子的情況，需要教師適當(dāng)?shù)亟o予展示，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注是滑輪先固定還是繩子先固定。分析數(shù)據(jù)時(shí)也不能直接評(píng)判學(xué)生數(shù)據(jù)的對(duì)錯(cuò)。在使用彈簧測(cè)力計(jì)時(shí)強(qiáng)調(diào)先可采用對(duì)拉的方式來(lái)進(jìn)行校零。先確認(rèn)大部分學(xué)生的數(shù)據(jù)是否相近，再用圖4進(jìn)行理論分析。如圖4丙所示，定滑輪所模型化的杠桿中心在支點(diǎn)上，因此杠桿自身重力對(duì)杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)沒有影響，這是等臂杠桿，因此F=G。辨析在彈簧測(cè)力計(jì)靜止時(shí)讀數(shù)與勻速下拉的過程中讀數(shù)有何區(qū)別，哪種方式讀數(shù)偏大？讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時(shí)養(yǎng)成考慮摩擦力的意識(shí)。如圖4丁所示，動(dòng)滑輪所模型化的杠桿是一個(gè)動(dòng)力臂是阻力臂兩倍的省力杠桿（強(qiáng)調(diào)豎直向上拉時(shí)），因此F=■G。辨析G是指物體的重力還是滑輪與物體總的重力？讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中養(yǎng)成分析問題時(shí)考慮機(jī)械自重的意識(shí)。然后，再回歸到所測(cè)量的數(shù)據(jù)上，分析誤差的來(lái)源，最終在獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)論的同時(shí)，養(yǎng)成評(píng)估意識(shí)。這種建構(gòu)知識(shí)的方式能夠從生活走向物理，從探究走向模型，培養(yǎng)學(xué)生的物理模型意識(shí)，也培養(yǎng)了學(xué)生的評(píng)估意識(shí)。但從課堂觀察的結(jié)果來(lái)看，后半段的理論分析略顯沉悶，需要設(shè)計(jì)新的興趣點(diǎn)來(lái)激發(fā)學(xué)生的專注力。
4? ? 教學(xué)結(jié)構(gòu)三：理論建模與探究的交替運(yùn)用
通過課堂觀察發(fā)現(xiàn)，上述兩種教學(xué)結(jié)構(gòu)在實(shí)施過程中各有優(yōu)點(diǎn)及不足，那么如果將理論建模與探究進(jìn)行交替的運(yùn)用又會(huì)產(chǎn)生什么樣的教學(xué)效果呢？于是，筆者又嘗試了第三種教學(xué)結(jié)構(gòu)。引入環(huán)節(jié)與結(jié)構(gòu)二相同，采用如圖5所示的情境引出動(dòng)滑輪和定滑輪的定義。先探究定滑輪工作時(shí)的特點(diǎn)。強(qiáng)調(diào)了彈簧測(cè)力計(jì)的校零以及實(shí)驗(yàn)時(shí)的其他注意事項(xiàng)。得到學(xué)生典型數(shù)據(jù)如表5所示。
5? ? 結(jié)? ?語(yǔ)
從單元的視角來(lái)審視本堂課，不難發(fā)現(xiàn)滑輪教學(xué)的三種結(jié)構(gòu)都是杠桿這一核心概念建構(gòu)的延續(xù)，而滑輪第二課時(shí)中輪軸的教學(xué)也同樣可以模型化為杠桿。對(duì)滑輪相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)，也是對(duì)杠桿知識(shí)的鞏固與重新生成。對(duì)于學(xué)生，單元意識(shí)的養(yǎng)成就是養(yǎng)成一種前后知識(shí)相互聯(lián)系、知識(shí)聯(lián)系生活的習(xí)慣，對(duì)學(xué)生的后續(xù)發(fā)展會(huì)有較大的幫助。對(duì)于教師，在進(jìn)行教學(xué)活動(dòng)時(shí)，單元意識(shí)的養(yǎng)成更是自身對(duì)物理知識(shí)體系的再認(rèn)識(shí)，是教學(xué)能力提升的重要途徑之一。
（欄目編輯? ? 鄧? ?磊）
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