从“工具和机械”的教学中谈科学课的整体建构
摘要：“教育科学出版社”六年级上册科学，第一单元第2、3、4、5小节，分别为杠杆的科学、杠杆类工具的研究和轮轴的秘密和滑轮。经过几年的教学，发现这几课关联很紧密，如果来一堂这样的整理课，对于杠杆类工具和轮轴的本质及其它们之间的联系会有一个整体性的思维建构。 关键词：简单机械、本质联系、融会贯通、整体建构
一、反思教学，整理思路
小学科学“教育科学出版社”六年级上册第一单元“工具和机械”，是常识和科学理论结合非常紧密的一个单元，几乎是从有人类开始，工具和机械就开始得以在生活中应用。石器时代的锋利石块是斜面在生活中应用；用树枝夹东西、用树干撬动石块是杠杆的应用；用藤条缠绕在大树拉扯东西是轮轴的应用。六年级开始学习这个单元，是科学学习的一个升华，课程的安排是从简单到复杂依次递进的模式，“杠杆类工具”在生活中应用，就是一个简单的引子，再通过三个小节深入浅出的发问、解决、应用，使得“杠杆的科学、杠杆类工具的研究以及轮轴的秘密”前因后果、整体关系展现在学生的知识体系当中。
这几节课，是从生活常识中得出一些抽象的理论来，再精准且熟练的反馈到生活实践当中去，实践和理论相结合从而提升学生的科学素养。以往的教学，我都是一节一节课的上完，然后在学完“轮轴的秘密”时加上一句“轮轴其实是一个变形的杠杆”，至于其中的本质联系，我是让学生们课后自己去思考，如果自己解决不了再来询问老师。但是几年下来，没有一个学生就此问题课后和老师进行过沟通。从而导致这几个知识点不够浑然一体，有待完善。因此，这个学期我特地将这几节课整理出一堂课，将它们之间的本质联系做一个梳理，不仅巩固了学生对单个知识点的习得，还建立了整体性的思维建构。
二、细分知识，抓住本质
“杠杆”因为阿基米德的那句“如果给我一个支点，我就能撑起整个地球”
的名言，被很多学生在六年级以前就知道的知识。但是要来细分知识的时候，就能看到学生是知其然而不知其所以然。
杠杆，其中的“重难点”就是能够准确的找到三个点：支点、用力点、阻力点。能够找到这三个点的工具，我们可以称之为“杠杆”。能够对比出阻力点和用力点分别到支点的距离，就能很好的掌握杠杆是否省力的情况，从而区分出“省力杠杆、费力杠杆和既不省力也不费力杠杆”，然后再利用杠杆类工具的实验器材和钩码，能进一步精确的知道什么样的杠杆更加省力或费力。再结合生活当中出现的各式各样的杠杆类工具，可以得到一些辅助性的知识，如杠杆的三个点可以不在同一条直线上，各自的位置可以各不相同等，可以根据生活需要，选择合适的杠杆（省力或者方便）。
轮轴，以水龙头这个最常见的物体作为参考，在新授课的时候教师用轮轴试验盒演示过轮轴作用的实验，学生也进行过分组实验。通过实验的分析，知道轮轴的省力情况是根据轮和轴的相对大小来决定的，其中重点强调了“单一变量”这个对比实验中需要恪守的条件，作用的力在轮上时：轴不变，轮越大越省力；轮不变，轴越小越省力。然后，通过是否有“圆的运动轨迹”，让学生来寻找和辨别生活中的一些工具是否为轮轴，如扳手、方向盘等，简单易懂。
滑轮，它的特点之一就是能否省力。在讲解动滑轮省力的时候，介于学生的知识基础，我是这么解释的——在动滑轮上是一左一右有两个绳子拉着的，就相当于一份重量平均分成了两份，其中一份只承受了二分之一的力，因此在作用力的一端自然就省力了。关于定滑轮不省力则是因为只有一端拴着，就得承受着全部的力，从而不省力。
其实，杠杆、轮轴、滑轮有着其本质的联系。那就是都能找到三个点，再对比彼此间的距离，都能够化为杠杆类的工具进行分析。
三、本质联系，融会贯通
下面四个图分别为轮轴、杠杆、动滑轮、定滑轮工作时的简图，
当将这四幅图进行分析时，就可以得到一个最本质的联系——杠杆原理，找出三个点再确定用力点和阻力点以及支点。
从图二最熟悉的杠杆开始，将a定为用力点，a为阻力点，o’为支点，且ao’=2o’b长，可以利用学习过的知识得出这是一个省力的杠杆。再用数学中学过的“代入法”，将图二作为一个整体代入图一中，我们立刻能够发现图一中的A、O、B分别与图二中的a、o’、b重合（大圆半径是小圆的两倍），作为轴的B点成了阻力点，此处悬挂两个钩码，在用力点的A处只需要用一个钩码就能使得轮轴左右平衡。从而得到图一和图二实际上是一个原理，论证的过程还可以用遮挡法，分别将轮轴上下半圆都遮挡一部分，就变成了一个杠杆尺实验。
为了加深学生对于杠杠和轮轴之间的本领联系的熟练程度，可以多找几组不同半径比的轮轴（轮：轴=3:1等），利用杠杠的知识轴上作为阻力点，快速计算出轮上达到平衡时钩码数的个数。
图三、图四分别为动滑轮和定滑轮的工作简图，当在图三滑轮上悬挂重物时，我们一般都是直接说动滑轮省力，一个动滑轮省一半的力，而几乎不分析为什么省一半的力，要么是课时安排紧没有时间讲，还有就是课程学习要求不高教师感觉没必要讲。
但是，只要将杠杆思考的思路放上来，其实很多学生能够很好理解。先找到
支点（支撑物体并且围绕转动的点），支点的定义理解很关键，找到它阻力点和用力点就很好找了。从图三可以看出滑轮上下移动时都会和左侧绳子有一个接触点（初中数学中说的切点），因此A就会支点，在B点用力上下拉动故为用力点，那么悬挂在O点正下方的物体就是阻力，O点就是阻力点。AB=2AO,
根
据杠杆原理，用力点到支点的距离大于阻力点到支点的距离且为2倍时，得出动滑轮省力且省一半的力。图四和图三分析过程一样，得出支点为o’，a、b分别位于直径ab两侧的圆上，因此左右距离一样，得出定滑轮既不省力也不费力。
四、把书读薄，整体建构
通过图示和文字推理，得出这几种简单机械是可以共用杠杆的知识来解释其工作原理。不仅清晰易懂，而且在知识之间的讲解中能够更好的促进学生们对于知识之间的内在联系，简单机械不是独立存在的，生活当中很多的知识和事情都不是独立存在的，要善于发现它们的内在联系。
教科版三到六年级的教科书，每册都是四个单元32个小节，看着似乎很多但实际进行一个整体的思考后，不仅每册可以凝聚到几个知识点，整个小学阶段都可以让很多个单元进行一个整体建构。以六年级下册为例，第一单元可以概括为“显微镜”，因为本单元前四小节讲的都是放大镜，它是为显微镜做基础的，后几节是讲使用显微镜去观察不同的微小物体。第二单元概括为“变化——有无新物质”，无论是前几节对于物质变化的现象阐述，到引出物理变化和化学变化的概念，再到最后几节利用变化的特点去区分生活中哪些变化是物理变化还是化学变化，都是围绕着“有无新物质”产生而展开的。而这个单元还可以和六年级上册“能量”单元进行整体建构，可以用能量转换的观点来辅助区分物理变化和化学变化。第三单元概括为“月球、太阳系、星空”由小及大，再联系五年级学过的地球知识，帮助理解月球和太阳系的知识等。
所以，小学阶段的科学教师，不仅要熟悉自己所教年级的知识体系，还要大致了解小学阶段各个年级的知识点，并且结合小学科学课程标准，对于相关知识要做到一个整体建构，把书读薄，把知识形成你中有我、我中有你的网状结构，充分拓展学生的整体思维。
2018.3.15
一堂“杠杆和轮轴等简单机械”整体建构的科学整理课 - 图文
