模型建構(gòu)視域下“滑輪”教學的優(yōu)化策略

摘" "要：模型建構(gòu)是科學思維的要素之一，按模型建構(gòu)的一般路徑引導學生物理學習經(jīng)驗的生長成為擺在一線教師面前亟需解決的問題。以“滑輪”為例，通過做中學、創(chuàng)中學、玩中學、用中學等策略，讓學生自主體會杠桿模型的短板，建構(gòu)滑輪模型的雛形，遷移杠桿模型的要素，驗證滑輪模型的特點，促進物理學習經(jīng)驗的有效生長。

關(guān)鍵詞：模型建構(gòu)；經(jīng)驗生長；實驗創(chuàng)新；教學策略

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A " " 文章編號：1003-6148（2025）1-0008-4

《義務(wù)教育物理課程標準（2022年版）》提出，科學思維是重要的核心素養(yǎng)，模型建構(gòu)是科學思維的要素之一。模型建構(gòu)作為一種認知手段和思維方式，是學生根據(jù)研究問題和情境，在對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、理想過程、理想實驗和物理概念的過程。模型建構(gòu)有助于學生抓住事物的關(guān)鍵要素，加深對概念、過程和系統(tǒng)的理解，形成系統(tǒng)思維［1］。對初中階段的學生來說，模型建構(gòu)表現(xiàn)為能夠使用模型解釋物理現(xiàn)象和過程，闡明物理概念和原理，具有在真實情境中建構(gòu)模型的意識和能力等。顯然，利用模型建構(gòu)進行物理學習是物理教學的重要議題。

滑輪是重要的簡單機械，同樣也是典型的機械模型，讓學生在可視、可感的情境與實驗中自主建構(gòu)滑輪模型，能有效地幫助學生對其原有經(jīng)驗進行直接加工和改造，不斷充實、豐富以形成新經(jīng)驗，進而逐漸自主建構(gòu)新的認知結(jié)構(gòu)，促進深度思維的發(fā)生。

1" " 做中學，發(fā)現(xiàn)杠桿模型的短板

在初中各版本物理教材中，簡單機械部分均安排杠桿、滑輪等機械的學習，且都是從杠桿模型開始的，因為杠桿是最簡單的機械模型。為此，“滑輪”一課的引入可從具體任務(wù)出發(fā)，讓學生用已有經(jīng)驗解決實際問題。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)，學生因剛學完杠桿，其經(jīng)驗中只有杠桿這一工具，下意識地提出用杠桿提水。接著，教師進行演示，使用杠桿提水的總體目的是省力，此時當動力端移動了較大距離時，水桶卻上升了很小的距離，很難實現(xiàn)井中提水的任務(wù)。若改用費力杠桿來提水，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，學生置身于有價值的任務(wù)情境中，根據(jù)已有經(jīng)驗，試圖通過學以致用來解決實際問題，符合學生的認知規(guī)律，通過在問題解決過程中出現(xiàn)的新經(jīng)驗與前經(jīng)驗的沖突，引起學生對前經(jīng)驗的反思，激發(fā)其改造經(jīng)驗的渴望。將生活化的情境引入課堂或者利用生活環(huán)境資源開展教學，能夠讓學生體會到物理就在身邊，讓學生感受物理與科技、社會、自身之間的緊密聯(lián)系，這樣的設(shè)計符合“從生活走向物理，從物理走向社會”的物理課程理念［2］。

2" " 創(chuàng)中學，建構(gòu)滑輪模型的雛形

在提水這一實際問題中，杠桿不能有效完成任務(wù)，是因為一根杠桿只能提升有限高度，問題的核心就聚焦到如何實現(xiàn)連續(xù)向上提水。此時，學生的思維是跳躍的，也是極富創(chuàng)造力的，通過討論就有不少學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，就可以實現(xiàn)連續(xù)提升了。

實驗創(chuàng)新1：滑輪的初步構(gòu)型。

在贊許學生創(chuàng)意的基礎(chǔ)上，老師進行演示，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，就能實現(xiàn)把水桶提到應(yīng)有的高度了，如圖2所示。

討論：這個裝置的不足是什么？

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

師：如何改進？

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

師：想法很好！我們在杠桿兩邊分別安裝上一個半圓形的實心輪子，就可以把一個個直杠桿變成一個圓形的機械，實現(xiàn)連續(xù)轉(zhuǎn)動（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，通過自制教具化直為曲，揭開了滑輪的本質(zhì)，把知識的形成過程直接展開，實現(xiàn)了思維的可視化，建構(gòu)了滑輪的雛形，學生直觀地認識到滑輪是變形的杠桿。這樣的過程可以有效幫助學生對已有經(jīng)驗進行積極反思，從而生發(fā)出經(jīng)驗發(fā)展與不斷生長的力量，這種力量正凝結(jié)于生活當中，即生活的更新需要經(jīng)驗的力量，經(jīng)驗的生長也是生活的生長，亦是教育的生長［3］。

3" " 玩中學，遷移杠桿模型的要素

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

此時，歸納滑輪的兩種用法就水到渠成了，即軸固定不動的滑輪叫定滑輪，軸和物體一起運動的滑輪叫動滑輪。在明確了滑輪有兩種用法后，布置學生對兩種滑輪分別進行組裝并提升重物，初步感受兩者的使用差異。此時的任務(wù)變得具體且明確，學生能輕松地完成實驗且獲得如下的感性經(jīng)驗。

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

經(jīng)驗2：用動滑輪提升物體時，繩端只能豎直向上提升，且明顯感覺動力比物重要小一點。

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

模型解釋：繞過定滑輪的繩子一端施加了動力，另一端的物體提供了阻力，此時的支點在滑輪的軸上，動力臂和阻力臂都等于滑輪的半徑，說明定滑輪就是一個等臂杠桿（圖4）。

實驗創(chuàng)新2：理解動滑輪支點在固定繩端的接觸點。

在自由摸索中，學生還發(fā)現(xiàn)了新問題，即從使用的感覺來看，動滑輪是省力的。學生陷入了動滑輪是一個怎樣的杠桿的主動思考。為此，我們設(shè)計了以下實驗。

實驗：把一個圓筒滾上臺階，要求推力最小。

方案：沿過臺階接觸點的直徑位置施加垂直于直徑方向斜向上的動力推圓筒滾上臺階，因動力臂最長，所以推力最小。

分析：此時圓筒相當于什么？

生：一個圓形杠桿。

師：杠桿的支點和動力作用點分別在哪里？

生：支點在臺階的接觸點，動力作用點是圓筒的另一邊。

演示：推動圓筒上臺階（圖5）。

問：若是把圓筒沿著一堵墻滾上去，那么支點又在哪里？

繼續(xù)演示：推動圓筒在墻壁上滾動（圖6甲）。

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

這樣的實驗創(chuàng)新是卓有成效的，把抽象的知識和思維過程在不斷分解后的具體操作中得以顯化，難點在這樣層層剝開的過程性創(chuàng)新展示中迎刃而解。學生直觀地認識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。通過有效的實驗創(chuàng)新，讓學生經(jīng)歷了知識的形成過程，不僅是突破教學難點的需要，同樣會讓學生的經(jīng)驗在這樣的遷移中不斷生長。

4" " 用中學，驗證滑輪模型的特點

教學中沿著知識的發(fā)展脈絡(luò)，以實驗創(chuàng)新為手段去凈化情境，使核心問題變得更加聚焦。這就要求實驗創(chuàng)新要更加實用，更加瞄準本質(zhì)問題，讓實驗成為學生自主習得提升核心素養(yǎng)的重要手段。

在定滑輪的研究中，傳統(tǒng)實驗是使用彈簧測力計去測量研究，這里就不可避免地出現(xiàn)測力計向不同方向施力時，尤其是向下測量拉力時，由于自重等影響就需要多方向去校零才能較為準確地測量各個方向的拉力大小，這會沖淡本課的研究重點。常態(tài)教學中，教師一般會忽略這一問題，實測出具有明顯差異的數(shù)據(jù)會在教師的“技術(shù)處理”中淡化。本課教學中，根據(jù)問題研究的需要，我們引進力傳感器進行研究，有效回避了這一問題，把探究重點進一步指向核心問題。

實驗創(chuàng)新3：利用傳感器深入研究定滑輪的特點。

實驗：用定滑輪提升200 g的鉤碼，使用力傳感器精確測定定滑輪的施力情況，裝置如圖7所示。

學生開始實驗，得出數(shù)據(jù)如下：

從靜止拉動物體時，拉力變大，緩慢拉動時，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不能保持勻速運動。

問：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。

師：你認為原因是什么？

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，拉力的方向可以向下、斜向下、水平拉動，每個方向的拉力都是相同的。

師：請總結(jié)出定滑輪的特點。

生：定滑輪是一個等臂杠桿，它不省力，但可以改變力的方向。

學生從經(jīng)驗中學習，通過不斷深入的動手體驗，其主動的習得不斷豐富。讓學習者在面臨實際的疑難情境時，通過反省性思維來分析、思考問題，提出可能的解決方案，運用理智對各種假設(shè)進行推敲，用行動進行實際檢驗。這樣的習得是核心素養(yǎng)形成的必由之路。

實驗創(chuàng)新4：使用伺服電機深入探究動滑輪的特點。

如何克服手工拉動不能做到勻速這一問題呢？本課使用伺服電機對動滑輪的特點進行深入探究（圖9）。

實驗：組裝動滑輪提升一個200 g的鉤碼，用力傳感器連接于動滑輪的自由端，再用細線將力傳感器連接固定在一個伺服電機的轉(zhuǎn)軸上，實現(xiàn)勻速提升（圖9）。實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

結(jié)論：使用動滑輪能省力，但略大于鉤碼重力的一半。

學生在這樣的精準測量中，很快就能分析出其中的原因。一是因為動滑輪有重力，被同時提起了，二是還有繩重和摩擦。

此處的實驗改進，解決了勻速拉動的問題，實驗數(shù)據(jù)更精準，在真實有效的證據(jù)面前結(jié)論一目了然，因為真實直擊著學生的深層思維。學生置身于思維可視、過程顯化的創(chuàng)新情境中學習物理，不僅能幫助他們認識到知識的形成過程，其實證意識亦能同步得到有效培養(yǎng)。

教育的生長不是已經(jīng)完成了的生長，學生的未成熟性為經(jīng)驗的生長提供著可塑性［3］。在初中物理教學中，教師以真實生活情境作為教學研究的邏輯起點，以模型建構(gòu)為重要手段去設(shè)計教學活動，根據(jù)模型建構(gòu)的過程創(chuàng)設(shè)具體的、層層遞進的真實情境，讓學生置身這些連續(xù)情境中，真正實現(xiàn)“做中學”，在個體經(jīng)驗與情境發(fā)生碰撞和矛盾之中經(jīng)歷經(jīng)驗不斷改造并形成新經(jīng)驗，這些新經(jīng)驗又在解釋、應(yīng)用、實踐的過程中不斷檢驗，即在“用中學”中檢驗獲得的物理模型，才有可能真正促進學生學習經(jīng)驗的不斷生長。

參考文獻：

［1］中華人民共和國教育部.義務(wù)教育物理課程標準（2022年版）［S］.北京：北京師范大學出版社，2022.

［2］李春密.中學物理實驗教學研究［M］.北京：北京師范大學出版社，2018.

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

（欄目編輯" " 趙保鋼）