[摘要]物理核心素养是中国学生科学素养的重要组成部分，实验教学是提升学生物理核心素养的关键途径。本文以人教版初中物理“简单机械”大单元为典范，通过构建生活场景、手制教具、开展科学探究等活动，引领学生构建力臂、滑轮、机械效率等物理概念，深入理解杠杆、滑轮、斜面之特性、应用及相互关联。结合现实问题，让学生领悟机械效率之重要，确立机械效率观念，并通过科学探究活动学习测量滑轮组、斜面之机械效率，促进学生物理观念、思维、探究精神及科学态度与责任感等核心素养的深度发展。

　　[关键词]简单机械,实验创新,核心素养

　　物理核心素养包括物理观念、科学思维、科学探究和科学态度与责任四部分，发展学生核心素养是培养学生未来学习和发展所需要的关键能力和必备品质。为促进学生核心素养的发展，在实际教学中应强调真实问题情境，改进实验装置，注重科学探究，从而激发学习者学习兴趣，培养良好的学习习惯，形成良好的科学探究意识和科学态度。

　　一、单元教学内容分析

　　本文以人教版初中物理八年级下册第十二章“简单机械”为例，该单元分为三节，依次是“杠杆”“滑轮”和“机械效率”，编写特点是由浅入深、逐步提升、层次感强、逻辑性强。本单元教学重点多，难度大，综合性强，侧重于培养学生理论联系实际的能力、培养学生物理观念、物理规律、物理思维、实践操作等核心素养能力。但是教学中也存在一些问题，譬如说，绝大部分教师并未深刻认知由浅入深这个特点，授课时仅简单地将本单元内容分为两部分，一是认识简单机械，含杠杆、滑轮、轮轴和斜面（认为杠杆与滑轮无直接关系），二是机械效率的测量和计算（时间冗长且繁杂），导致本单元的教学具有割裂、不完整的缺陷。

　　针对以上问题，本文将对“简单机械”进行大单元整体教学改进，主要围绕两部分开展：一是简单机械的分类，了解杠杆类简单机械和斜面类简单机械的特点；二是学习机械效率的相关知识，帮助学生更系统更深层次地认识简单机械。

　　二、单元学习过程设计

　　物理学科核心素养的培养难以一步到位，因此教学要注意循序渐进。本单元主要为实验课课型，学生的主要学习方法和能力是在实验探究的过程中被培养的。一线教师可通过导入贴近学生生活的实际案例、或利用身边的器材自制教具辅助完成一些实验，以达到创设生活情境、设计认知冲突、激发学生兴趣的教学目的。还可利用进阶式的教师演示实验和学生探究实验，发展学生的物理观念，促进建构物理模型的能力发展，提高科学探究能力，并能将这种探究的精神迁移到自己的生活中。

　　（一）探究“杠杆的平衡条件”实验的装置改进

　　《义务教育物理课程标准（2022年版）》指出，需知道简单机械；探究并了解杠杆的平衡条件。杠杆的五要素以及平衡条件是杠杆类简单机械的基础，因此“杠杆”在该单元教学中占据举足轻重的地位。其中自主建构力臂的概念是教学难点，探究“杠杆的平衡条件”实验是教学重点。但是教材中的实验却有诸多不足，如杠杆仅限于是一个直的硬棒；只有当杠杆水平平衡时才能直接读取力臂的大小；学生容易存在思维误区，总是认为力臂是支点到力的作用点的距离，而不是支点到力的作用线的距离。

　　针对以上问题，本文进行了教学改进。首先创设问题情境：将生活中的一根萝卜用细线悬挂至水平平衡，引导学生思考“用线水平分萝卜谁分得多”？利用天平称量两块胡萝卜，观察现象并思考为什么出现这种现象？然后选择和创新实验室教具。首先，准备如剪刀、钳子等生活中的杠杆及异形杠杆，帮助学生打破常规直杠杆，认识杠杆是一个可直可弯的硬棒。

　　其次，改进实验室用直杠杆，操作如下：在杠杆支点处固定一个直径20cm、带刻度线（间距为1cm）的可旋转的读数盘；选取水平平衡参考线；在读数盘左侧放置一个可移动的磁吸式挂钩；在支点处悬挂一个重物当作重垂线。重垂线有助于确定杠杆处于水平平衡位置（见图1）。利用弹簧测力计改变动力的方向，便于随时读出动力的大小。通常情况下，左侧细线悬挂钩码后，阻力方向为竖直方向。若将细线绕过侧边的磁吸式挂钩，便能实现改变阻力方向的目的。当动力、阻力确定后，旋转读数盘，使某一刻度线与力的作用线完全重合，然后利用平衡参考线便可直接读取力臂大小，使力臂可视化，从而帮助学生自主建构力臂的物理概念，即力臂的本质是支点到力的作用线的距离。同时该装置还可探究当杠杆处于非水平平衡时的平衡条件，使实验结果更具启发性。

　　最后利用该装置让学生经历基本的实验过程，引导学生通过实验体验和实验数据分析，找到力和力臂的反比关系，得出杠杆的平衡条件。

　　（二）探究滑轮与杠杆的关系

　　“滑轮”内容由“定滑轮和动滑轮”和“滑轮组”两部分构成。教学重点是探究定滑轮和动滑轮的特点，难点是滑轮组。但是许多教师教学时会直接开展滑轮内容，并未将滑轮概念与前节杠杆概念进行联系，容易导致学生概念间出现割裂现象，难以形成完整的框架体系。

　　为建立杠杆与滑轮的关系，可先创设问题情境：播放现实生活中一段中学生掉入水井的视频，并思考“用哪种工具把这位中学生救上来”？教师可引导学生利用前节所学的杠杆救助被困者。同时用有凹槽的废旧纸板自制杠杆演示救助过程。可以发现，一个杠杆提升物体的高度是有限制的。为打破该限制，教师可继续引导学生将多个杠杆组合，从而实现连续不断地提升重物的需求（见图2）。推理可得，无数个杠杆会组成一个有凹槽的圆盘，为了让圆盘转动更灵活，又给圆盘安装了轴，杠杆的支点就是轮的轴心，这就是滑轮。由此建立滑轮与杠杆的关系，滑轮是由无数个杠杆组成的变形杠杆。这也为后面探究定滑轮和动滑轮的实质作好了铺垫。

　　教师继续引导学生完成好研究定滑轮和动滑轮特点的实验，让学生亲自体验，找出特点与实质，加深对滑轮的认识，并为学习滑轮组做好知识储备。但在探究动滑轮的实质实验中有一个难点，就是找到动滑轮的支点位置。若学生有了滑轮是一种变形杠杆的前认知，即当动滑轮工作时，每次起作用的也是其中一个杠杆，此时利用该教具来演示单个杠杆的工作，学生便可清楚地观察到动滑轮的支点在靠近绳子固定端的一侧。通过杠杆的平衡条件分析后可知，动滑轮的实质是动力臂为阻力臂的2倍长的省力杠杆。

　　该自制创新教具不仅引导学生建构了滑轮是一种变形杠杆的物理观念，还建立了将定滑轮抽象成等臂杠杆、动滑轮抽象成省力杠杆的模型的科学方法。学生自主实验过程中也培养了提出问题、计划操作流程、取得证据、剖析信息、取得结论的科学思维能力。此外还可通过常见的实例使学生初步认识轮轴是可以连续转动的杠杆，以及斜面是一种不同于杠杆的斜面类简单机械。为呼应教学情境，可以开展消防员使用哪些机械工作的小课题，关注科学技术对人类生活和社会发展的影响，培养学生感知物理源于生活，也用于生活的物理理念。

　　（三）探究“测量滑轮组的机械效率”实验的装置改进

　　机械效率是衡量机械性能的重要指标，具有十分重要的现实意义。教学重点是机械效率概念，难点是测量滑轮组机械效率的实验。针对目前学生的科学探究分析能力，如何降低难度并加深对机械效率的理解，对于传统实验来说难度大，时间紧，直观性不够强。此外实验中还要求竖直向上匀速直线拉动绳子末端，实际上用手很难做到；同时需要使用刻度尺测量绳距和物距的倍数关系，这耗费时间并且麻烦。

　　针对教学重点，首先创设问题情境，用大且重的滑轮组吊起小水杯，让学生从力和能量的两个角度，分析其不合理性。然后让学生观察情境挂图，将重200N的沙子运上三楼，分析挂图中提供的每种方法中人分别需要做哪些功。接下来让学生讨论交流，类比事半功倍、事倍功半和投入产出等词语，充分理解有用功、额外功、总功的确切含义，然后进行机械效率的教学，让学生进一步理解功的原理。

　　针对教学难点，改进学生实验装置（见图3）。一是添加了一个低转速的电机，实现匀速拉动滑轮组；二是在板上提前画好等距线，便于直接读取物距和绳距，方便比较倍数关系；三是利用电子测力计直接显示拉力的大小，还可探究装置静止时的示数和匀速拉动时示数的区别，解决读数难的问题；四是通过旋转调速器旋钮改变电机的转速，改变绳端的速度，进而探究绳速和物速的关系。学生分组实验可以让学生在体验和实践过程中，强化几个重要概念的理解，并培养全面的独立操作能力，包括分析实验原理、组装实验装置、进行实验、收集证据、分析数据获取结论等。

　　（四）探究“斜面的机械效率与哪些因素有关”实验

　　斜面也是一种简单机械，我们也会探究斜面的机械效率。本实验思维难度较大，耗时较长，且不是教材所要求的学生分组实验，因而许多老师仅传授了知识点，却未开展课堂实验。

　　为了弥补课堂教学的不足，可采用家庭实验的方式，具体任务如下：请同学们自选生活中的器材，三选一完成以下任务，并以视频加语言说明的方式提交。请分别探究斜面的机械效率与斜面的粗糙程度、斜面倾角、物重的关系。收集作业后，教师可以在课上播放优秀视频和典型错误视频，并请同学们评估与交流。家庭实验可以给予学生更充裕的时间和更宽阔的空间，但学生自行实验中，难以保持严谨的科学态度，因此评估交流过程中教师要着重强调实验的严谨与思维逻辑的完善性，更大限度地培养学生乐于思考与实践、科学探究、分析问题和解决问题的能力，进而引导学生学会自主学习、学会合作、学会生活，为学生的终身发展奠定基础。

　　完成整个单元的学习后，相应布置拓展型作业，如查阅资料，了解简单机械对人类社会发展的作用，引导学生进行讨论与交流；通过了解我国古代水磨、水碓等机械，鼓励学生分享心得，达到集思广益的效果。

　　三、结语

　　在简单机械单元的教学中，概念抽象，难点多，探究实验多且复杂。在中考中又常与密度、浮力等知识综合考察，学生学起来很吃力，因此教学中教师应注意贴近学生生活创设情境，激发学生学习兴趣；并结合物理核心素养的物理观念、科学思维、科学探究和科学态度与责任的四个部分有步骤，层层地关注知识点的衔接性、直观性、简洁性、思维深层次性等需求；及时关注学生在课程中的反馈细节，并及时地调整授课内容和授课方法，以便学生更好地吸收和理解；实验教学中注重学生对于相关知识的认识度，逐步引导，由浅入深，切断碎片化教学，在教学中捕捉学生反馈，利用学生反馈，构建教师与学生之间及时且良性的教学反馈，潜移默化中培养学生的高阶的物理观念、科学思维、科学探究和科学态度，真正地提高学习者的物理核心素养。

　　参考文献：

　　[1]核心素养研究课题组．中国学生发展核心素养[J].中国教育学刊，2016(10):1-3.

　　[2]林海山.基于核心素养的初中物理大单元教学设计——以“浮力”为例[J].中学物理教学参考,2021(30):12-14.

　　[3]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.