模型建构视域下“滑轮”教学的优化策略

摘" "要：模型建构是科学思维的要素之一，按模型建构的一般路径引导学生物理学习经验的生长成为摆在一线教师面前亟需解决的问题。以“滑轮”为例，通过做中学、创中学、玩中学、用中学等策略，让学生自主体会杠杆模型的短板，建构滑轮模型的雏形，迁移杠杆模型的要素，验证滑轮模型的特点，促进物理学习经验的有效生长。

关键词：模型建构；经验生长；实验创新；教学策略

中图分类号：G633.7 文献标识码：A " " 文章编号：1003-6148（2025）1-0008-4

《义务教育物理课程标准（2022年版）》提出，科学思维是重要的核心素养，模型建构是科学思维的要素之一。模型建构作为一种认知手段和思维方式，是学生根据研究问题和情境，在对客观事物抽象和概括的基础上建构易于研究的、能反映事物本质特征和共同属性的理想模型、理想过程、理想实验和物理概念的过程。模型建构有助于学生抓住事物的关键要素，加深对概念、过程和系统的理解，形成系统思维［1］。对初中阶段的学生来说，模型建构表现为能够使用模型解释物理现象和过程，阐明物理概念和原理，具有在真实情境中建构模型的意识和能力等。显然，利用模型建构进行物理学习是物理教学的重要议题。

滑轮是重要的简单机械，同样也是典型的机械模型，让学生在可视、可感的情境与实验中自主建构滑轮模型，能有效地帮助学生对其原有经验进行直接加工和改造，不断充实、丰富以形成新经验，进而逐渐自主建构新的认知结构，促进深度思维的发生。

1" " 做中学，发现杠杆模型的短板

在初中各版本物理教材中，简单机械部分均安排杠杆、滑轮等机械的学习，且都是从杠杆模型开始的，因为杠杆是最简单的机械模型。为此，“滑轮”一课的引入可从具体任务出发，让学生用已有经验解决实际问题。引入流程如图1所示。

教师首先布置选择合适的工具完成井中提水的任务，学生因刚学完杠杆，其经验中只有杠杆这一工具，下意识地提出用杠杆提水。接着，教师进行演示，使用杠杆提水的总体目的是省力，此时当动力端移动了较大距离时，水桶却上升了很小的距离，很难实现井中提水的任务。若改用费力杠杆来提水，还不如人直接提水。杠杆在执行这一任务中存在着明显的短板。

此处，学生置身于有价值的任务情境中，根据已有经验，试图通过学以致用来解决实际问题，符合学生的认知规律，通过在问题解决过程中出现的新经验与前经验的冲突，引起学生对前经验的反思，激发其改造经验的渴望。将生活化的情境引入课堂或者利用生活环境资源开展教学，能够让学生体会到物理就在身边，让学生感受物理与科技、社会、自身之间的紧密联系，这样的设计符合“从生活走向物理，从物理走向社会”的物理课程理念［2］。

2" " 创中学，建构滑轮模型的雏形

在提水这一实际问题中，杠杆不能有效完成任务，是因为一根杠杆只能提升有限高度，问题的核心就聚焦到如何实现连续向上提水。此时，学生的思维是跳跃的，也是极富创造力的，通过讨论就有不少学生提出如果一根杠杆提升一定的高度后继续有下一根杠杆去接力，就可以实现连续提升了。

实验创新1：滑轮的初步构型。

在赞许学生创意的基础上，老师进行演示，如果用一根杠杆提到一定高度后，继续有一根杠杆去接力提水，这样就可以将水桶继续提起一定的高度，如此接力，就能实现把水桶提到应有的高度了，如图2所示。

讨论：这个装置的不足是什么？

生：需要不断地将水桶换到下一根杠杆上，同步改变施加的动力到另一根杠杆上，太繁琐。

师：如何改进？

生：若是做成实心的轮子就可以连续转动，用绳子沿轮子周边拉动就能实现自由上升。

师：想法很好！我们在杠杆两边分别安装上一个半圆形的实心轮子，就可以把一个个直杠杆变成一个圆形的机械，实现连续转动（图3），从而可以自由提升绳子的高度。物理上把这样的装置叫做滑轮。

此处，通过自制教具化直为曲，揭开了滑轮的本质，把知识的形成过程直接展开，实现了思维的可视化，建构了滑轮的雏形，学生直观地认识到滑轮是变形的杠杆。这样的过程可以有效帮助学生对已有经验进行积极反思，从而生发出经验发展与不断生长的力量，这种力量正凝结于生活当中，即生活的更新需要经验的力量，经验的生长也是生活的生长，亦是教育的生长［3］。

3" " 玩中学，迁移杠杆模型的要素

至此，学生得出滑轮初步模型，认识到有了这样的装置可以实现连续旋转，完成提水的任务。但“怎么用”“有哪些用法”“各用法的特点及注意点”“优点和不足”等，学生尚无深刻的认识。此时，需给出足够的时间放手让学生去“玩”滑轮，学生主动细致地观察滑轮的构造，尝试使用滑轮提升重物，思考体会滑轮的使用方法。通过探索能自主发现滑轮的用法有两种，一种是轴固定不动；另一种是将绳子一端固定，另一端绕过滑轮，向上提升绳子，滑轮和物体一起向上运动。让学生在这样自由环境中的感悟恰恰是源自本心的主动习得。

此时，归纳滑轮的两种用法就水到渠成了，即轴固定不动的滑轮叫定滑轮，轴和物体一起运动的滑轮叫动滑轮。在明确了滑轮有两种用法后，布置学生对两种滑轮分别进行组装并提升重物，初步感受两者的使用差异。此时的任务变得具体且明确，学生能轻松地完成实验且获得如下的感性经验。

经验1：用定滑轮提升物体时，感觉力的大小差不多，但可以改变施力的方向。

经验2：用动滑轮提升物体时，绳端只能竖直向上提升，且明显感觉动力比物重要小一点。

小结：刚才通过多个等臂杠杆叠加置换获得的滑轮，其实就是定滑轮，可见，定滑轮就是一个等臂杠杆的模型。请作图分析、解释你的结论。

模型解释：绕过定滑轮的绳子一端施加了动力，另一端的物体提供了阻力，此时的支点在滑轮的轴上，动力臂和阻力臂都等于滑轮的半径，说明定滑轮就是一个等臂杠杆（图4）。

实验创新2：理解动滑轮支点在固定绳端的接触点。

在自由摸索中，学生还发现了新问题，即从使用的感觉来看，动滑轮是省力的。学生陷入了动滑轮是一个怎样的杠杆的主动思考。为此，我们设计了以下实验。

实验：把一个圆筒滚上台阶，要求推力最小。

方案：沿过台阶接触点的直径位置施加垂直于直径方向斜向上的动力推圆筒滚上台阶，因动力臂最长，所以推力最小。

分析：此时圆筒相当于什么？

生：一个圆形杠杆。

师：杠杆的支点和动力作用点分别在哪里？

生：支点在台阶的接触点，动力作用点是圆筒的另一边。

演示：推动圆筒上台阶（图5）。

问：若是把圆筒沿着一堵墙滚上去，那么支点又在哪里？

继续演示：推动圆筒在墙壁上滚动（图6甲）。

模型解释：学生在这样的分解实验中恍然大悟，动滑轮在上升时，如同沿墙壁向上滚动的圆筒，其支点就在固定端绳子的接触点。因此，动滑轮的动力臂是滑轮的直径，而物体挂在中间的轴上，阻力臂是滑轮的半径，即动滑轮是一个动力臂等于阻力臂2倍的杠杆（图6乙）。所以，使用动滑轮提升物体时，施加的力明显感觉小于物重。

这样的实验创新是卓有成效的，把抽象的知识和思维过程在不断分解后的具体操作中得以显化，难点在这样层层剥开的过程性创新展示中迎刃而解。学生直观地认识到两种用法的滑轮本质上都是变形的杠杆，只是两种滑轮中的杠杆模型要素稍有不同而已。通过有效的实验创新，让学生经历了知识的形成过程，不仅是突破教学难点的需要，同样会让学生的经验在这样的迁移中不断生长。

4" " 用中学，验证滑轮模型的特点

教学中沿着知识的发展脉络，以实验创新为手段去净化情境，使核心问题变得更加聚焦。这就要求实验创新要更加实用，更加瞄准本质问题，让实验成为学生自主习得提升核心素养的重要手段。

在定滑轮的研究中，传统实验是使用弹簧测力计去测量研究，这里就不可避免地出现测力计向不同方向施力时，尤其是向下测量拉力时，由于自重等影响就需要多方向去校零才能较为准确地测量各个方向的拉力大小，这会冲淡本课的研究重点。常态教学中，教师一般会忽略这一问题，实测出具有明显差异的数据会在教师的“技术处理”中淡化。本课教学中，根据问题研究的需要，我们引进力传感器进行研究，有效回避了这一问题，把探究重点进一步指向核心问题。

实验创新3：利用传感器深入研究定滑轮的特点。

实验：用定滑轮提升200 g的钩码，使用力传感器精确测定定滑轮的施力情况，装置如图7所示。

学生开始实验，得出数据如下：

从静止拉动物体时，拉力变大，缓慢拉动时，拉力在2.05 N～2.20 N之间变化（图8）。

分析：数据不稳定的原因是什么？

生：应该是我们的手工拉动不能保持匀速运动。

问：你还有什么发现？

生：我们发现拉力比钩码重力要略大一点。

师：你认为原因是什么？

生：应该还有摩擦和绳重。

师：你们还有什么发现？

生：我们还发现，用定滑轮提升重物时，拉力的方向可以向下、斜向下、水平拉动，每个方向的拉力都是相同的。

师：请总结出定滑轮的特点。

生：定滑轮是一个等臂杠杆，它不省力，但可以改变力的方向。

学生从经验中学习，通过不断深入的动手体验，其主动的习得不断丰富。让学习者在面临实际的疑难情境时，通过反省性思维来分析、思考问题，提出可能的解决方案，运用理智对各种假设进行推敲，用行动进行实际检验。这样的习得是核心素养形成的必由之路。

实验创新4：使用伺服电机深入探究动滑轮的特点。

如何克服手工拉动不能做到匀速这一问题呢？本课使用伺服电机对动滑轮的特点进行深入探究（图9）。

实验：组装动滑轮提升一个200 g的钩码，用力传感器连接于动滑轮的自由端，再用细线将力传感器连接固定在一个伺服电机的转轴上，实现匀速提升（图9）。实验数据如表1所示。

结论：使用动滑轮能省力，但略大于钩码重力的一半。

学生在这样的精准测量中，很快就能分析出其中的原因。一是因为动滑轮有重力，被同时提起了，二是还有绳重和摩擦。

此处的实验改进，解决了匀速拉动的问题，实验数据更精准，在真实有效的证据面前结论一目了然，因为真实直击着学生的深层思维。学生置身于思维可视、过程显化的创新情境中学习物理，不仅能帮助他们认识到知识的形成过程，其实证意识亦能同步得到有效培养。

教育的生长不是已经完成了的生长，学生的未成熟性为经验的生长提供着可塑性［3］。在初中物理教学中，教师以真实生活情境作为教学研究的逻辑起点，以模型建构为重要手段去设计教学活动，根据模型建构的过程创设具体的、层层递进的真实情境，让学生置身这些连续情境中，真正实现“做中学”，在个体经验与情境发生碰撞和矛盾之中经历经验不断改造并形成新经验，这些新经验又在解释、应用、实践的过程中不断检验，即在“用中学”中检验获得的物理模型，才有可能真正促进学生学习经验的不断生长。

参考文献：

［1］中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准（2022年版）［S］.北京：北京师范大学出版社，2022.

［2］李春密.中学物理实验教学研究［M］.北京：北京师范大学出版社，2018.

［3］张梅.教育是经验的改造——杜威教育哲学浅析［J］.出国与就业（就业版），2010（4）：98-99.

（栏目编辑" " 赵保钢）