以“物”说“理”促思维发展——以“滑轮”教学为例

贲可敬

(江苏省江阴市夏港中学，江苏 无锡 214442)

核心素养与学科素养呈现为整体与局部的关系，学科素养是核心素养在特定学科的具体化。由于当前课程实施中学科的相对独立性，提升学生核心素养必然要细化到学科核心素养的培育，只有抓住学科核心素养，聚焦学科教学，才能把握学科教育的本质。

物理学是以实验为基础的自然科学领域的一门基础学科，其学科的本质特征是通过实验探究，揭示物理规律，形成物理观念，提高学生的科学思维和科学探究能力，在此过程中养成科学态度和社会责任。现以“滑轮”教学为例，探讨开发课程资源、引导学生建构物理模型、发展科学思维的教学策略。

“从生活走向物理，从物理走向社会”是义务教育物理课程的基本理念之一，物理学科一个显著特点就是与生产和生活实际联系密切，生产生活中的器具、物件均可以成为物理教学的资源，尤其将一些不易见、平时又不便操作的器具引入教学，极易引起学生注意，激起学生兴趣，触发学生思维。

教学片段1：在“滑轮”一课中，在复习了杠杆等知识后，教师使用杠杆将重物提升到一定高度，向学生提问：生活中有没有其他设备也能提升重物？学生回忆起旗杆顶端的装置、起重机的吊钩等都可以提升重物。教师随即出示工业生产中使用的滑轮(图1)，边演示边介绍：周边有槽、能绕轴转动的装置叫滑轮，旗杆顶部和起重机吊钩的主要装置就是滑轮。当教师问及学生是否使用过滑轮时，极少数学生表示做升旗手时使用滑轮升起过国旗，再问学生：你们用滑轮提升过重的物体吗？学生中无人应答，老师随即取出支架、绳索、器材包装盒(图2)，问学生是否愿意将一箱物理器材从底楼搬运到二楼教室。学生非常惊讶：这是物理课吗？要上室外物理课吗？学生疑惑地问老师：“这是真的吗？”老师坚定地说：“是的！”学生兴奋地离开教室，一部分聚集在二楼走廊，还有一部分直奔底楼。当教师介绍完支架的作用后，二楼的学生在阳台外墙上固定好支架，并将滑轮的吊钩固定在支架的套环上，将绳索穿过滑轮，绳索的两头自然下垂到底楼。二楼的学生告知底楼的学生，将器材包装盒绑在绳索的一头，抓住绳索的另一头向下拉。底楼的学生按照提示，顺利地将器材包装盒拉到了二楼(图3)。就在学生意犹未尽之时，老师提出：是否有其他方案？底楼的一位学生略做思考提出了新的方案，这名学生告诉二楼的同伴，将绳索的一头固定在支架的套环上，另一头穿过滑轮，将器材包装盒挂在滑轮的吊钩上轻轻滑到底楼，由二楼的同学抓住绳索的另一头向上拉，也顺利完成了任务。学生依依不舍地离开底楼，回到了教室。老师向学生提出问题：采用两种方式都把器材盒提升到了二楼，滑轮工作时其轴心位置是否发生改变？判断的依据是什么？学生通过分组实验逐一模拟刚才室外的操作，在此基础上对滑轮进行分类。

图1

图2

图3

平时学生几乎接触不到支架、生产用滑轮、绳索、器材包装盒等，当这些器材出现在课堂中时已经让学生非常好奇，能走出教室亲自操作，学习场域发生了变化，使学生产生深度思维触动，升华了情感体验，对他们来说是一次难忘的学习经历。学生的注意力非常集中，学习兴趣被完全激发，教师提出的每一个问题都触动了学生思维。以这样的方式引入新课，足以让学生保持较长时间的良好学习情绪，学习动力明显增强，理性思维逐渐萌生。

在教学中许多物理概念和规律必须通过实验才能说明清楚，但传统的实验器材不一定能达到理想的效果。因此，需要教师根据教学需要对传统的实验器材进行改进或自制器具，教师通过对“物”的创新，引领学生“理”的发展。

教学片段2：在“滑轮”一课中，滑轮工作时的特点及实质是重点，滑轮组的绕法是难点。在探究滑轮工作的特点时，主要应用比较法。与直接用手提升重物相比，使用滑轮时施力方向是否改变？施力的大小是否改变？对施力方向采用定性研究的方法，通过实验观察一目了然；
对施力的大小要采用定量研究的方法，借助弹簧测力计进行多次实验(图4)，而且要补充介绍弹簧测力计测量方向向下的力时校零的方法。为同时研究是否省距离或者费距离，笔者自制了一块示教板(图5)，板上标记了很多间距相等且平行的横线，便于比较绳子自由端移动的距离与物体移动距离之间的关系。

图4

图5

由于滑轮与杠杆的实物差异较大，不能呈现动态的演变过程，在分析滑轮的实质时，学生的反应往往是茫然的。此时我们通过自制教具的演示，引发学生的思维逐步深入。具体来讲就是帮助学生确定支点的位置，理解滑轮的实质是变形杠杆。

教学片段3：在研究定滑轮的实质时，将三根相同的长木条叠放在一起，在其中心位置钻一个直径约为5 mm的圆孔，将直径略小的长螺钉穿过圆孔两侧，并用螺帽固定，但不能过紧，在每根木条的两侧挖4 mm×3 mm的槽，将细绳的一端固定在其中一根木条的一端，将三根木条依次均匀展开并将两侧的螺帽拧紧，将细绳卡在木条边缘的槽里，转动木条，顺势拉起钩码(图6)，相当于通过一个定滑轮提升重物。如图7所示，接着将三根木条合为一体，再通过细绳拉起重物，实则是通过一个杠杆在提升重物。轴的位置为支点，定滑轮实质是一个等臂杠杆，学生对此就容易理解了。

图6

图7

教学片段4：在研究动滑轮的实质时，笔者制作了一个可拆卸的圆盘(周边有槽)，其上、下两部分可拆卸。找一个支架，将细绳的一端固定在支架上，另一端穿过圆盘的槽，用手向上提住，在圆盘轴心处用绳吊住一个重物(图8)，先演示其作为动滑轮提升重物的过程，再将上、下两部分拆除(图9)，再次演示其作为杠杆提升重物的过程，学生不难发现：支点并不在轴心处，而是在轮子的边缘，即将上、下两部分拆除后，类似于在圆直径的边缘。动滑轮的实质是一个动力臂为两倍阻力臂的省力杠杆，学生对此一目了然。

图8

图9

模型是对物体、事件、系统、物体或事件间的关系等的表征，思维是一个内涵丰富且深刻的概念，其中的物理思维能力是在学习物理的过程中逐步形成的、并直接影响物理学习和物理问题解决的高级心理活动能力。[1]实验教学对培养学生的模型建构能力有着非常重要的作用，通过实验可使学生在脑海中留下直观、具体的形象，在此基础上建构物理模型，再利用模型去解释物理现象或者解决生活问题。[2]以“滑轮”教学为例，建构物理模型的过程如图10所示，在教学中可以采用这样的路径建构物理模型，为触动学生思维、引发学生思维提供“事实证据”，通过“演变过程”在学生脑海中形成“心智模型”，为拓展学生思维打好基础。

图10

物理学科核心素养是物理课程育人价值的集中体现，科学思维是其重要方面，是基于经验事实建构物理模型的抽象概括过程，是物理学习的关键能力。在教学中要通过实验引导学生认识到：物理学研究需要建构模型，在理解物理模型的基础上，会用模型分析、解决物理和生活问题。在建构、使用模型时，充分体会物理模型的重要作用，提高学生的科学思维能力。