本文旨在以國中九年級理化上冊滑輪組單元，採用自製簡易滑輪組教具，增進學生理解定滑輪與動滑輪之概念。本活動設計亦兼顧環保概念進行實作活動，蒐集學校所廢棄的大量光碟片並採用吸盤製作滑輪，除了可吸附在黑板或白板上，方便師生具體操作之外，進一步培養學生藉由實作活動探索省力或費力、省時或費時、施力作功與重力位能等重要核心概念。此外，本文亦配合該自製滑輪組之教材教法設計形成性評量，賦予學生實作體驗或教師教學演示之後，提供教師檢視學生學習情形與澄清迷思概念。


圖1. 滑輪組公開授課 （攝於高雄市立陽明國中2021/12/10）
註1：提供各組不同的砝碼重量，檢視學生自製滑輪組、再比較「物重與施力」、並且探索「施力拉下的繩長與物體上升高度」之關係，如圖1所示。


圖2. 滑輪組演示（夢N三民家商場次2021/12/10）


圖3. 滑輪組概念講述
註2：根據註1中「施力所拉下的繩長與物體上升之變化量」，除了呈現「單位時間內」施力端與抗力端之繩長變化，推論「施力下拉速度」與「物體上升速度」進一步提供學生理解「省時或費時」的概念之外，可延伸推論「施力作功=施力大小F×拉下的繩長S」與「物體重力位能增加=mgh」之間的功能定理，如圖3所示。

 自製滑輪教具

一、準備教材
大光碟4片、小光碟2片、吸盤3個、2m棉線、雙面膠帶、氣球棒。

二、實作步驟 步驟1. 沿著小光碟片兩面圓周皆緊密地貼上雙面膠帶，如圖4所示。
步驟2. 將步驟1兩面貼膠帶的小光碟緊貼大光碟，如圖5與圖6所示。


圖4. 小光碟兩面貼膠帶


圖5. 緊貼大光碟


圖6. 小光碟兩面貼大光碟

步驟3. 以吸盤穿過步驟2之光碟組圓心，如圖7所示。
步驟4. 剪裁5cm短氣球棒穿過吸盤橫向兩孔，以固定步驟3的光碟組合，光碟滑輪組件之正面與側邊圖示，分別如圖8與圖9所示。
步驟5. 將棉線穿過另一吸盤兩孔，以氣球棒穿過固定，如圖10所示。


圖7.吸盤穿過光碟組


圖8.固定光碟組


圖9.側面圖


圖10.固定棉線與吸盤

步驟6. 以棉線繞光碟輪軸演示定滑輪與動滑輪，如圖11與圖12所示。
步驟7. 可在吸盤底部沾少許水，緊密吸附在粗糙的黑板，如圖13所示 。
註3：若因黑板過於粗糙而難以將吸盤緊密吸附時，可採用較為光滑、平整的白板代替。如此，吸盤不僅能牢固地吸附於白板上，亦可藉此呈現自製滑輪較具在教學演示時的穩定性與方便性。
步驟8. 自製滑輪組運用於教學演示具體情境，如圖14所示。


圖11. 定滑輪


圖12. 動滑輪


圖13. 滑輪組


圖14. 滑輪組教學演示
註4：若想取下滑輪組時，可將固定在吸盤上的橫桿「氣球棒」橫向拔出，接著就能取下「光碟組」，再輕輕從吸盤側端突起物向上拉，便能輕易地下架滑輪組了，無須用力拔取因吸盤緊貼黑板所產生的大氣壓力！

 教學前準備與形成性評量

筆者習慣將「定滑輪、動滑輪與滑輪組」視為三種功能各異的機械，根據其屬性配合教科書中所陳述的「改變施力方向、省力或費力、省時或費時、施力作功、物體的重力位能、物體的運動狀態」共六項核心概念，並以槓桿原理進行類比與推論，製作成雙項細目表，如下表1所示。

表1.各式滑輪的相關核心概念


根據本單元滑輪組探究教學活動後，筆者進一步設計本單元活動評量試題「滑輪單元形成性評量」，以提供教師重新檢視學生學習情況，如附件1所示；「滑輪單元形成性評量解答」如附件2所示。

 自製滑輪教具運用於教學演示與課室討論

筆者建議，可製作4套滑輪教具方便運用於教學與討論。參考以下教學步驟：

步驟1. 首先將自製「定滑輪」教具之吸盤牢固地壓在白板上。
步驟2. 兩端各吊掛「等重」裝水的寶特瓶，兩端是否呈現靜力平衡狀態，如圖15所示。
步驟3. 取下右端的寶特瓶，改用彈簧秤勾住右端繩索，以彈簧秤等速拉動繩索，待寶特瓶以及彈簧秤皆與地面維持水平時，觀察彈簧秤讀數。可藉此向學生提示應觀察的現象：

1.彈簧秤向下拉，寶特瓶會向上運動或向下運動？

2.彈簧秤向下拉10公分，寶特瓶會移動多少公分？

步驟4. 改採自製「動滑輪」教具之作為支點的吸盤牢固地壓在白板上。
步驟5. 左端吊掛裝有適量水的寶特瓶，右端施力向上拉繩子，直到呈現靜力平衡狀態。提示學生應觀察的現象：

1.彈簧秤向上拉，寶特瓶會向上運動或向下運動？

2.彈簧秤向上拉10公分，寶特瓶會移動多少公分？

步驟6. 右端可改用彈簧秤勾住右端繩索，以彈簧秤等速拉動繩索，觀察彈簧秤讀數。
步驟7. 根據上述步驟1與步驟4，試著將定滑輪與動滑輪組合成「滑輪組」，兩端各吊掛等重的裝有半滿水的寶特瓶，檢視兩端是否呈現靜力平衡狀態，如圖16與圖17所示。
步驟8. 上述步驟7若無法達成靜力平衡，可藉此向學生提問:「應如何操作，方能使滑輪組兩端再度達到靜力平衡？」


圖15. 定滑輪測試


圖16. 滑輪組掛重測試


圖17.滑輪拉力測試

步驟9. 右端可改用彈簧秤勾住右端繩索，以彈簧秤等速拉動繩索，觀察彈簧秤讀數。提示學生應觀察的現象：

1.彈簧秤向上拉，寶特瓶會向上運動或向下運動？

2.彈簧秤向上拉10公分，寶特瓶會移動多少公分？

步驟10. 可結合功能定理，介紹施力作功與物體（寶特瓶裝水）增加的重力位能，如圖18與圖19所示。提示學生應留意量化的數據：

1.彈簧秤等速向下拉10公分時，根據彈簧秤讀數，施力作功多少？

2.彈簧秤等速向下拉10公分時，物體增加重力位能多少？

3.施力作功大小，是否等於物體所增加的重力位能？

步驟11. 將三種滑輪「定滑輪、動滑輪、滑輪組」同時呈列出來，提供學生重新檢視、比較與彙整各類滑輪的相異處。

圖18. 施力與物體的高度變化


圖19. 施力作功與重力位能的變化

從上述一連串的各項滑輪教學演示中，教師藉由一邊操作自製滑輪，一邊透過適當的提示與提問，引導學生留意物體的運動狀態與力學能的變化，便能具體地呈現滑輪的運作機制、以及精熟蘊含於其中的核心概念。

 結語

108新課綱強調培養學生具備「科學素養」以及「探究實作活動」的能力。但是，九年級學生仍面臨隔年影響未來就讀高中或高職的國中教育會考，除了緊迫的學習進度之外，尚需複習七年級與八年級等眾多科目，身為自然科學領域的教師們如何在有限的課堂時間內，培養學生探究實作能力又兼顧學生重要的升學挑戰呢？我們是否能妥切地為學生設計合適的教材教法，促進學生理解即將應考的重要核心概念呢？

筆者任教於升學為主的大型學校，致力於發展既能體現教科書中重要又抽象、或較難理解的核心概念之相關的教材教法，希冀能兼顧科學原理的理解以及促進有效學習。藉由本文自製滑輪教具的教學實現拋磚引玉，期能提供科學同好們教學現場之參考。