“滑轮”是苏教版小学科学五年级下册第4单元“简单机械”第3课“升旗的方法”一课的内容。该内容在《义务教育科学课程标准（2022年版）》中从属于“能的转化与能量守恒”核心概念下“4.1能的形式、转移与转化”这一学习内容，其中5~6年级学段的内容要求是“知道简单机械（杠杆、滑轮、轮轴、斜面）及其在生产生活中的应用”
［1］。
在日常生产生活中，“滑轮”常应用在起重机和旗杆顶上，学生因无法近距离观察和接触，对“滑轮”的认识并不多。可通过自制“探究学具——起重机模型”来帮助学生开展分组探究实验，让学生在操作“起重机模型”吊起“重物”的真实情境中，主动建构“滑轮”的相关概念。
1 教学具的构成及应用情境
本教学具分为“探究学具——起重机模型”和“概念联系演示教具”两部分，前者应用于学生分组实验，帮助学生通过探究实践，发现定滑轮和动滑轮的不同作用；后者应用于教师演示实验，帮助部分学生发现“新授概念——滑轮”与“已知概念——杠杆”的联系，提升其科学探究的兴趣，教师可以视具体学情选择性使用。
2 教学具的制作材料与方法
2.1 探究学具——起重机模型
（1） 制作材料。动力装置材料（3 V直流电机减速箱、直径为65 mm的小车轮、直径为80 mm的光盘2张、502胶水、木块、电工胶带、细线、钩子等）、控制装置（3 V线控盒）、铁架台连接部件（孔径为10 mm的法兰盘）、木质横梁（500 mm×24 mm×12 mm）、铁架台、滑轮、钩码、夹子等。
（2） 制作方法。
图2为木质横梁俯视图和主视图，单位是mm。将木质横梁右端按
图2中标注的参数加工，其中2个孔的直径是4 mm，以便需要时安装定滑轮。将法兰盘（
图2中以黑色图案标记）用螺丝钉固定在距木质横梁左端150 mm处，以便需要时和铁架台顶端固定。在小车轮两侧分别用502胶水固定一张光盘组成绕线轴，将2 m长的细线一端固定在绕线轴上，另一端系上钩子，将绕线轴的圆心套在减速箱的轴上组装成“动力装置”（位于
图1左上角圆形部分）。将“动力装置”用电工胶带固定于木质横梁左端，可垫厚度适当的木块来调整合适位置。将线控盒（位于
图1中左下部分）的2根导线分别与直流电机的2个金属触点连接，在线控盒内装入2节5号电池即可使用。
2.2 概念联系演示教具
（1） 制作材料。KT板、双面胶、透明胶带、细线、图钉若干、钩码、铁架台等。
（2） 制作方法。用KT板制作6根相同大小的短板和1个圆形短板连接部件。如
图3-a所示，每2根短板通过双面胶固定在圆形连接部件时可连接组成1根杠杆。如
图3-b所示，6根短板共可组成3根杠杆。用KT板和双面胶制作1个框架，将图钉的尾部用透明胶带固定在框架的一端，钉尖朝外，用于和上面的杠杆或下面的圆盘连接。如
图3-c所示，用KT板制作一个圆盘，在圆盘边缘磨出凹槽，将框架钉尖插入圆盘的圆心，组合成一个滑轮。
3 基于本教学具的实验设计与意图阐释
3.1 环节一：创设真实情境，让学生在真实体验中提出问题
（1） 学生在分别体验徒手向上提升重物、借助动滑轮提升重物、借助定滑轮提升重物3种不同方法的基础上提出问题：两种滑轮是否省力？
（2） 通过讨论呈现学生关于“省力”的误解：学生在利用定滑轮将绳子往下拉来提升重物时，因为可以利用自己的体重，或者拉的姿势等原因，所以容易产生“方便用力”的感觉，进而导致将“方便用力”误解为“省力”，很明显，“方便用力”和“简单机械”中所要探讨的“省力”不是一回事。
（3） 通过交流讨论帮助学生明确省力的意思：（人的拉力）动力＜阻力（货物重力）。
（4） 通过讨论产生对本学具的需求：能否通过大小固定的拉力来代替大小变化的人的拉力，从而排除干扰，让证据更有说服力。
（5） 引出、介绍能提供固定拉力的“起重机模型”，实现需求。
意图阐释：在本环节中，学生通过提升重物的直接体验，获得来自感官的直接信息，而“感官是知识的坚实基础，通过感官，我们从事物本身形成关于事物的最确切的概念；如果我们设想的任何事物与实际事物不同，我们能够检验事物本身以矫正错误”
［2］。于是接下来呈现学生关于“省力”的误解，进而聚焦这种误解并展开探讨，有利于帮助学生矫正错误，进而指向概念理解。这也说明“识别潜在的误解有助于更好地认识我们自己的理解，鉴别不可避免的理解障碍”
［3］。
3.2 环节二：学生探究活动——通过“起重机模型”模拟3种拉法
（1） 如
图4所示，学生合作组装滑轮，分别测量直接拉、借助动滑轮拉、借助定滑轮拉这3种情况下拉起钩码的最大个数并记录。
（2） 学生分析数据，得出结论，汇报交流自己的发现。
（3） 在以上对比、体悟之后，学生总结“滑轮”相关概念：位置固定的那个滑轮叫定滑轮，定滑轮不省力，能改变力的方向；另外那个带着重物移动的滑轮叫动滑轮，动滑轮省力，不改变力的方向。
意图阐释：在本环节中，学生通过本学具“动力装置”提供的大小固定的拉力来模拟人的最大拉力，对定滑轮和动滑轮的作用展开探究，最终发现大小为3个钩码重力的拉力，借助定滑轮还是只能拉起3个钩码，而借助动滑轮最多能拉起6个钩码。学生在直观的、震撼的体验中，理解“滑轮”相关概念：定滑轮不省力，能改变力的方向；动滑轮省力，不改变力的方向。这样的探究实践整合了启发式、探究式、互动式和体验式等多种教与学方式的基本要求，有助于学生深度学习和理解。
3.3 环节三（拓展）：评估学生对“滑轮”相关概念的理解程度
（1） 创设新的情境：教师松开如
图5-a所示的上、下两个固定夹子，如
图5-b所示，将木质横梁横过来，固定在铁架台的最上边，并给学生提供新的与之前不完全一样的滑轮，给出“表现性任务：利用所给材料，吊起3个或者更多的钩码”。
（2） 学生探究，教师进行观察、测量、评估。
意图阐释：杜威指出，学校中的大多数活动时间过于短暂，不容许把活动彻底展开，也不容许把一项活动引导到另一项活动，而做不到这一点，良好的反省思维习惯就不能得到发展
［4］。在利用本学具所创设的新情境下，可以将活动进一步展开。“逆向设计告诉我们，要根据收集的评估证据来思考单元或课程，而不是简单地根据要讲的内容或是一系列学习活动来思考单元或课程。这种方法鼓励教师和课程设计者在设计特定的单元和课程前，先要像‘评估员一样思考’，思考如何确定学生是否已经达到了预期的理解”
［3］。据此，教师可借助本学具，通过本环节的“表现性任务”观察、测量、评估学生对“滑轮”概念的理解程度和迁移能力，一方面评估学生学习目标的达成度，另一方面给学生提供一个在新情境中解决问题的机会，给他们的创新思维提供展示的平台。
3.4 环节四（选择性开展）：借助“演示教具”启发学生发现“滑轮”和“杠杆”的联系
（1） 判断使用背景：是否有学生提出如“为什么定滑轮不省力”“为什么动滑轮省力，而且省一半的力”这样的问题，或根据具体学情选择是否使用。
（2） 如有必要，教师可借助“概念联系演示教具”演示，帮助学生发现“新授概念——滑轮”与“已知概念——杠杆”的联系。
①教师通过一步步演示：在1根杠杆无法连续提升重物的时候，多加几根杠杆，如加到3根杠杆时可以实现连续提升，最后加满杠杆之后就等同于定滑轮，启发学生发现定滑轮与等臂杠杆的联系，进而用等臂杠杆解释定滑轮不省力的本质原因。
②如
图6所示，教师通过演示：重物挂在动滑轮上，相当于挂在省力杠杆的中间位置，启发学生发现“动滑轮”与“省力杠杆”的联系，进而用“省力杠杆”解释“定滑轮”省力而且省一半力的本质原因。
意图阐释：“科学探究兴趣一般分为4个层次：直觉兴趣、操作兴趣、因果兴趣、理论兴趣”
［5］。在教学中提出“为什么定滑轮不省力”“动滑轮省力，而且省一半的力”这样问题的五年级学生，显然已经不满足于“玩”“起重机模型”的操作兴趣，而是在追求更高层次的因果兴趣。此时，教师有必要借助“概念联系演示教具”，帮助这些学生发现“新授概念——滑轮”与“已知概念——杠杆”的联系，帮助其追求本质理解，满足其因果兴趣，进而促进学生科学核心素养特别是其科学思维的发展。
4 教学具优点
（1） 创设的实验富有趣味性：学生借助本学具开展科学探究实验，在“玩”“起重机模型”吊起“重物”的真实情境中，主动建构“滑轮”相关概念，比教材实验原型更有趣。
（2） 采集的实验数据准确：学生利用“起重机模型”吊起的最大钩码数均为整数，有利于学生得出结论。在教材实验原型探究定滑轮的实验中，需要将弹簧测力计倒过来使用，且很难调零，导致学生测得的数据不准确。
（3） 呈现的实验现象直观：在探究动滑轮实验中，学生看到最大能吊起3个钩码的动力装置，借助动滑轮能吊起6个钩码，直观、震撼而富有启发性。
（4） 提供评估证据：利用本学具，教师可以在创设的新情境下，通过“表现性任务”来观察、测量、评估学生对“滑轮”相关概念的理解程度和迁移能力。
（5） 作为思维支架：借助“滑轮概念演示教具”，帮助部分学生发现“新授概念——滑轮”与“已知概念——杠杆”之间的联系，追求本质理解。
（6） 便于普及推广：本教学具制作方法不难，大多只需将各种材料进行组装；材料成本低廉，一个“起重机模型”的成本约为15元，并且能重复使用。
江苏省教育科学规划课题“工程思维视域下小学科学学科实践的全域推进研究”(C/2023/03/04)
福建省教育科学规划2024年常规课题“科学家精神融入小学科学教育的实践研究”(FJJKXX24-052)
京公网安备11010202008535号
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