面向中學(xué)生的汽車雨刷器工作原理科普課程教學(xué)設(shè)計(jì)

張重慶 劉宇杰

摘? ?要：在學(xué)生具備有一定數(shù)學(xué)和物理知識(shí)的前提下，本課程面向中學(xué)生，通過引導(dǎo)學(xué)生對(duì)生活中常見物品——汽車雨刷器的工作原理進(jìn)行探究，拓寬學(xué)生的思維能力和想象能力?；诖?，我們?cè)O(shè)計(jì)了汽車雨刷器工作原理的科普課程，以生活中常見的汽車雨刷器進(jìn)行教學(xué)，通過學(xué)生的動(dòng)手測(cè)量來探究雨刷器的工作原理——汽車雨刷器是由鉸鏈四連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)運(yùn)動(dòng)的。

關(guān)鍵詞：科普課程? 探究性學(xué)習(xí)? 雨刷器? 鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)

中圖分類號(hào)：G622.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2020）01（b）-0199-02

汽車現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)入了平常百姓的生活中，雨刷器是汽車的重要組成部分。本次科普課程將主要通過引導(dǎo)學(xué)生動(dòng)手測(cè)量來探究鉸鏈四連桿機(jī)構(gòu)的工作原理和工作條件，從而對(duì)汽車雨刮器的結(jié)構(gòu)有深刻的了解。

1? 教學(xué)目標(biāo)

1.1 學(xué)生物理觀念

知道什么是鉸鏈四桿機(jī)構(gòu);知道鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的組成和運(yùn)動(dòng)特點(diǎn);知道鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)三種形式的判定;了解鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)有曲柄的條件;知道汽車雨刷器中鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的應(yīng)用。

1.2 學(xué)生科學(xué)思維

會(huì)舉一反三，能夠列舉出生活中其他關(guān)于鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的應(yīng)用;會(huì)逆向思維，知道鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)反推機(jī)構(gòu)類型。

1.3 學(xué)生科學(xué)探究能力

對(duì)于研究的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)，能夠提出問題，獲得數(shù)據(jù)，主動(dòng)思考，積極討論。

1.4 學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與科學(xué)責(zé)任

通過此次探究性學(xué)習(xí)能夠懂得對(duì)生活中的規(guī)律的認(rèn)識(shí)不僅僅是要“會(huì)看”，更是需要通過自己的動(dòng)手和積極的思考才能獲取知識(shí)，激發(fā)學(xué)生對(duì)于數(shù)學(xué)和物理的興趣和熱愛。

2? 教學(xué)分析

2.1 教學(xué)內(nèi)容

鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)原本為大學(xué)本科機(jī)械類學(xué)生專業(yè)知識(shí)，在此進(jìn)行了簡(jiǎn)化，通過學(xué)生自己動(dòng)手測(cè)量和進(jìn)行數(shù)據(jù)的探究發(fā)現(xiàn)規(guī)律，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和探究問題的能力。本節(jié)課的知識(shí)體系如圖1所示。

2.2 教學(xué)重難

重點(diǎn)：（1）鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的三種形式的判定;（2）鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)有曲柄的條件;

難點(diǎn)：鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)有曲柄的條件。

2.3 學(xué)生分析

本次教學(xué)面向的是中學(xué)生。對(duì)于初中生來說已經(jīng)具備了一些基本的幾何知識(shí)和代數(shù)知識(shí)，對(duì)于高中生來說他們的動(dòng)手能力、分析問題能力和歸納實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象有了進(jìn)一步的增強(qiáng)，這些為本次課的教學(xué)奠定了基礎(chǔ)。

2.4 教學(xué)用具

汽車雨刮器機(jī)構(gòu)3套，曲柄連桿機(jī)構(gòu)3組，雙曲柄機(jī)構(gòu)3組，雙搖桿機(jī)構(gòu)3組，直尺3把（高中生可以改為游標(biāo)卡尺），鉛筆3支，橡皮3塊，A4紙若干。

2.5 突發(fā)情況處理

雨刮器機(jī)構(gòu)含有尖銳端，易劃傷學(xué)生，為此提前準(zhǔn)備碘伏、棉簽、創(chuàng)可貼和紗布，用于學(xué)生劃傷后的現(xiàn)場(chǎng)處置。

3? 教學(xué)任務(wù)

3.1 任務(wù)1：情境引入，學(xué)生討論雨刷器的工作原理

首先展示出汽車雨刮器的圖片，引導(dǎo)學(xué)生猜想汽車雨刮器的工作原理。對(duì)于積極回答的學(xué)生給予獎(jiǎng)勵(lì)。

3.2 任務(wù)2：公布答案，介紹鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的組成和運(yùn)動(dòng)

在學(xué)生進(jìn)行激烈討論之后引出答案：汽車雨刮器是由所謂的“鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)”所帶動(dòng)的。展示一個(gè)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的模型，如圖2所示。其中，有一根桿固定不動(dòng)（以a桿為例），叫做“機(jī)架”，“機(jī)架”對(duì)面的那根桿稱為“連桿”（c桿），連接“機(jī)架”和“連桿”的剩下兩根桿叫做“連架桿”（b桿和d桿）。各個(gè)桿之間由“鉸鏈”連接（圖中圓點(diǎn)），我們可以把它理解為螺釘和螺母的組合，各桿可以繞著“鉸鏈”旋轉(zhuǎn)，所以被稱作“鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)”。

3.3 任務(wù)3：學(xué)生動(dòng)手，測(cè)量三組教具的桿長(zhǎng)并探究規(guī)律

將學(xué)生分為三組，每組3～6人。每小組下發(fā)曲柄連桿機(jī)構(gòu)、雙曲柄機(jī)構(gòu)、雙搖桿機(jī)構(gòu)各一個(gè)（如圖3所示）;尺子（高中生為游標(biāo)卡尺）、橡皮、鉛筆各一個(gè)、紙張若干。在8min的時(shí)間內(nèi)，學(xué)生測(cè)量三個(gè)機(jī)構(gòu)十二根桿的長(zhǎng)度，并記錄在表1中。學(xué)生還需轉(zhuǎn)動(dòng)這些桿件發(fā)現(xiàn)其中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

測(cè)量結(jié)束后，讓學(xué)生匯報(bào)自己的測(cè)量結(jié)果，并試著發(fā)現(xiàn)各桿長(zhǎng)之間的規(guī)律。

在匯報(bào)結(jié)束后講授平面鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的規(guī)律：

最短桿+最長(zhǎng)桿≥剩余兩桿之和

此公式即為可以構(gòu)成鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的條件。

我們進(jìn)一步探究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)最短桿為連桿時(shí)，也即固定桿對(duì)面的那根桿，為雙搖桿機(jī)構(gòu)，即所有桿不能畫圓形。

當(dāng)最短桿為固定不動(dòng)時(shí)，為雙曲柄機(jī)構(gòu)，即連接機(jī)架的兩根桿可以畫出完整的圓形。

除了以上兩種情況，為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，即與機(jī)架相連的一根桿可以畫出完整圓形，另一根不能畫出完整的圓形。

3.4 任務(wù)四：學(xué)生再次動(dòng)手，驗(yàn)證規(guī)律

學(xué)生對(duì)之前講授的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算和檢驗(yàn)，加深記憶。

3.5 任務(wù)五：汽車雨刷器中的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)與其他應(yīng)用

拿出汽車雨刷器模型，如圖4所示，實(shí)際上是由兩個(gè)曲柄連桿機(jī)構(gòu)組成。讓學(xué)生繼續(xù)測(cè)量左右兩側(cè)的各個(gè)“桿長(zhǎng)”（若學(xué)生沒有發(fā)現(xiàn)固定桿的話給予適當(dāng)提示），記錄在紙上。并驗(yàn)證之前所講的結(jié)論。要特別提示學(xué)生在操作的過程中注意安全！測(cè)量結(jié)束后，學(xué)生匯報(bào)自己的測(cè)量結(jié)果與所驗(yàn)證的結(jié)論。

操作結(jié)束后，教師對(duì)學(xué)生的最終測(cè)量做出總結(jié)，并參照?qǐng)D4進(jìn)行講解。雨刮器由電動(dòng)機(jī)、減速系統(tǒng)和四連桿系統(tǒng)組成。電動(dòng)機(jī)由汽車蓄電池供電，為雨刮器提供動(dòng)力。由于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速特別快，所以需要減速機(jī)構(gòu)降低轉(zhuǎn)速。核心機(jī)構(gòu)就是四桿機(jī)構(gòu)，經(jīng)過測(cè)量發(fā)現(xiàn)雨刷器是一個(gè)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，通過曲柄的往復(fù)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)搖桿做周期運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而將前擋風(fēng)玻璃上的水滴刮除干凈。

進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生思考：什么地方還運(yùn)用了鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)？如雷達(dá)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)等。

3.6 任務(wù)六：課后作業(yè)

（1）嘗試向自己的父母解釋汽車雨刮器的工作原理;

（2）嘗試發(fā)現(xiàn)生活中更多運(yùn)用鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的地方。

4? 課堂小結(jié)

本節(jié)課通過學(xué)生動(dòng)手測(cè)量四連桿機(jī)構(gòu)各桿的桿長(zhǎng)，不僅發(fā)現(xiàn)了四連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，還了解了四桿機(jī)構(gòu)的三種形態(tài)。通過實(shí)例——汽車中的四桿機(jī)構(gòu)的應(yīng)用，驗(yàn)證了之前的結(jié)論，也學(xué)習(xí)了汽車雨刮器的工作原理。此外，通過動(dòng)手實(shí)踐和積極思考，提升了學(xué)生動(dòng)手能力、協(xié)作能力和探究問題的能力。

5? 教學(xué)反思

5.1 把課堂留給學(xué)生

教師在教學(xué)活動(dòng)中起主導(dǎo)作用，而學(xué)生才是教學(xué)活動(dòng)中的主體。本節(jié)課程一半的時(shí)間學(xué)生用來動(dòng)手測(cè)量和自主思考，在此過程中教師引導(dǎo)學(xué)生、啟發(fā)學(xué)生，而不是把答案直接“端給學(xué)生”，體現(xiàn)了“做中學(xué)”。

5.2 精心設(shè)計(jì)課題問題

選取了鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中幾個(gè)核心但是難度又不是特別大的問題，適合中學(xué)生年齡特征和認(rèn)知水平特點(diǎn)。學(xué)生通過測(cè)量、計(jì)算、歸納、思考，發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題，培養(yǎng)學(xué)生的基本素養(yǎng)。

5.3 多學(xué)科滲透

汽車雨刷器工作原理教學(xué)過程中涉及了物理學(xué)、數(shù)學(xué)等學(xué)科知識(shí)?？鐚W(xué)科的學(xué)習(xí)加深了各個(gè)學(xué)科的知識(shí)體系，提升學(xué)生的數(shù)學(xué)、物理等學(xué)科學(xué)習(xí)能力和探究學(xué)習(xí)的能力。

科普的目的不僅僅是教會(huì)公眾科學(xué)知識(shí)，更要弘揚(yáng)科學(xué)精神、傳播科學(xué)思想、倡導(dǎo)科學(xué)方法。作為科普工作者，我們要在科學(xué)傳播的各個(gè)環(huán)節(jié)中促進(jìn)公民科學(xué)素養(yǎng)的提升，開創(chuàng)中國(guó)科普事業(yè)嶄新未來。

參考文獻(xiàn)

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