一組有關滑輪“移植”應用的教學
——兼談如何進行科技制作教學,提升學生的創新素養

邢海根

(安徽省合肥市廬江第四中學,安徽 合肥 231500)

余文森教授認為:“核心素養是最基礎、最具生長性的關鍵素養,就像房屋的地基,它決定房屋的高度．核心素養的形成具有關鍵期的特點,錯過了關鍵期就很難彌補”．初中物理教學中,除不斷開發創新實驗教學,還要加強物理知識應用教學,開展應用物理知識進行科技創新制作的教學．本文以如何將滑輪“移植”到科技創新制作中的教學為例,談談如何提升學生的創新素養．

1 需求與組合移植法

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

圖1

當太陽能水箱內水上滿了,水從溢水管中流出來,如果不及時關水,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水,需要增加自動關水裝置．首先,我們思考當水箱內水上滿了,會出現什么現象呢?當然是水從溢水管中溢出．現以一種水閥為例,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,而此瓶是用細線懸掛在上水閥的手柄上,將會出現什么現象呢?可以發現手柄向關閉的方向運動,但沒有完全關閉．因為重力的方向豎直向下,從而拉力的方向也是豎直向下,不能將手柄進一步向內拉．那么怎樣才能改變拉線提供拉力的方向呢?學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,就能自動關水嗎?還要哪些器材配合呢?學生們仔細思考發現:要一根細線懸掛一飲料瓶,要一根軟管連接溢水管與飲料瓶,還要吸盤來固定定滑輪．學生們回家進行安裝,如圖1所示,是學生們組裝的一種太陽能熱水器自動關水裝置,當水上滿了,水便從溢水管中流出來,由軟管送入飲料瓶內,飲料瓶上的細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 聯想與逆向思維移植法

一些學者曾把古希臘科學家亞里士多德的聯想觀點發展為聯想的三種方法,即在空間或時間上接近的事物形成接近聯想;有相似點的事物形成類似聯想;有對立關系的事物形成對比聯想．

在生活中,有時會遇到停水,這時就會聯想到儲水．怎樣儲水呢?同學們會想到水塔、水箱等容器．但這些裝置是前人已經完成的制作,我們要聯想新裝置．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．怎樣實現下方的水龍頭放水的同時,上面的水龍頭自動打開,向容器內注水?不妨逆過來思考:從容器內放水,容器內水面下降,通過水面上某個裝置,自動打開容器上的水龍頭．當關閉容器下的水龍頭,容器內的水面將會上升,又通過某個裝置,自動將容器上方的水龍頭關閉．怎樣實現這一聯動呢?我們又開始聯想,假設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,這時細線對手柄的拉力便增大,便能打開水龍頭向容器內注水．但容器內水不向外流動,怎樣提供一個斜向上的拉力關閉水龍頭呢?這時有的同學聯想到彈簧,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閉．這樣水槽內始終保持滿水狀態,當突然停水時,水槽內的水仍是新鮮的水,可應急使用．

圖2

3 擴用移植法

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

圖4

當遇到火災與地震時,人們將有什么行為呢?人們會從樓上跑到樓下．但地震或火災時,樓道與電梯往往會損壞,人無法下樓．常出現人們跳樓現象．而跳樓的結果是非死即傷．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,但他們是專業的．普通人能用這個裝置嗎?當人站在載人圈內,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,沒有經過訓練的人,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,同時將上面的繩結松開,這也能保證人的安全,但這樣太慢,在地震或火災時,是要講速度的,必須快速自如地下降．我們可能有這樣的經驗: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,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．學生按要求設計圖紙,得出如圖4所示的裝置,并進行制作,最后制作出如圖5所示的簡易安全高樓逃生裝置,在專業人員的保護下,開始實驗,發現普通人坐在或站在載人圈內,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有形象．打破思維定勢,采用新思路與新方法．

簡單機械在使用時,各有不同的優點,也表現出不同的缺陷．如羊角錘是用來敲打物體同時又可用來拔釘的．羊角錘拔釘時相當于省力杠桿．由于它的轉動及受力面積不大,導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,而且物體運動時屬于平動．

我們取平時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現,只能拔起很小的釘子,不能拔起較大的釘子．這時我們聯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,雨刮器移動就輕松自如了,說明了汽車上的電動機的動力很大．

圖6

能否把汽車雨刮器用的電動機“移植”過來替代手動呢?先設計出滑輪組用電動機提升重物的示意圖,如圖6所示,當然,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:取細鋼絲代替繩索,用鐵質滑輪代替塑料滑輪,并組裝滑輪組．將汽車上雨刮器的電動機與蓄電池組合,并把細鋼絲的自由端系在電動機轉軸上,制成了如圖7所示的拔釘器．再次實驗,發現只要木塊是固定的,用夾釘器夾住鐵釘的釘帽,只要開動電動機,無論釘子多大,很快就拔了出來,而且釘子不會彎曲．

圖7