物理與工程視角下簡(jiǎn)單機(jī)械章末復(fù)習(xí)

摘要：本文強(qiáng)調(diào)了課程綜合性和實(shí)踐性，建議教師積極開展主題化、項(xiàng)目式學(xué)習(xí)等綜合性的教學(xué)活動(dòng)，促進(jìn)學(xué)生舉一反三、融會(huì)貫通的能力，注重知識(shí)間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，促進(jìn)知識(shí)結(jié)構(gòu)化。本文在物理與工程視角下以“簡(jiǎn)單機(jī)械”章末復(fù)習(xí)為例，通過古人“深井采鹽的原理和改進(jìn)”的例子，將杠桿、滑輪、機(jī)械效率3個(gè)小節(jié)知識(shí)串聯(lián)，探索跨學(xué)科物理與工程單元主題教學(xué)復(fù)習(xí)，促進(jìn)知識(shí)的內(nèi)化提升與學(xué)生素養(yǎng)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：物理與工程；跨學(xué)科；簡(jiǎn)單機(jī)械

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡(jiǎn)稱為《課程標(biāo)準(zhǔn)》）中有物質(zhì)、運(yùn)動(dòng)和相互作用、能量、實(shí)驗(yàn)探究、跨學(xué)科實(shí)踐五個(gè)一級(jí)主題的課程內(nèi)容。［1］新增課程內(nèi)容“跨學(xué)科實(shí)踐”一級(jí)主題，要求內(nèi)容含物理學(xué)與日常生活、物理學(xué)與工程實(shí)踐、物理學(xué)與社會(huì)發(fā)展三個(gè)二級(jí)主題?！拔锢韺W(xué)與工程實(shí)踐”是跨學(xué)科實(shí)踐的重要內(nèi)容，物理與工程技術(shù)的發(fā)展對(duì)人類文明的發(fā)展進(jìn)步起重要作用。通過物理學(xué)與工程實(shí)踐跨學(xué)科主題實(shí)踐活動(dòng)，發(fā)展學(xué)生跨學(xué)科運(yùn)用知識(shí)分析和解決問題的綜合能力，培養(yǎng)學(xué)生積極認(rèn)真的學(xué)習(xí)態(tài)度和樂于實(shí)踐、敢于創(chuàng)新的精神。

1物理與工程

《課程標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)物理學(xué)與工程實(shí)踐的內(nèi)容要求為“5.2.1 了解我國(guó)古代的技術(shù)應(yīng)用案例，體會(huì)我國(guó)古代科技對(duì)人類文明發(fā)展的促進(jìn)作用”“5.2.2 調(diào)查物理學(xué)應(yīng)用于工程技術(shù)的案例，體會(huì)物理學(xué)對(duì)工程技術(shù)發(fā)展的促進(jìn)作用”“了解物理學(xué)在信息技術(shù)中的應(yīng)用”。［2］章節(jié)活動(dòng)建議學(xué)生查閱資料，了解人類利用機(jī)械的大致歷程，并與同學(xué)進(jìn)行交流，了解我國(guó)古代水磨、水碓等機(jī)械，寫一篇弘揚(yáng)中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化的調(diào)查報(bào)告。因此，按照《課程標(biāo)準(zhǔn)》的內(nèi)容要求，我們要通過對(duì)教材進(jìn)行深入的研讀、分析和整理，歸納出物理學(xué)與工程的相關(guān)素材，將素材整理為跨學(xué)科教學(xué)活動(dòng)的教學(xué)資源。

2物理與工程視角下簡(jiǎn)單機(jī)械章末復(fù)習(xí)——以“深井采鹽的原理和改進(jìn)”為例

2.1教材分析

課題來源于人教版初中物理八年級(jí)下冊(cè)第十二章“簡(jiǎn)單機(jī)械”，本章以簡(jiǎn)單機(jī)械知識(shí)為主線，讓學(xué)生綜合運(yùn)用已經(jīng)學(xué)過的簡(jiǎn)單機(jī)械相關(guān)概念來進(jìn)行梳理。［3］這是本章全部?jī)?nèi)容，側(cè)重讓學(xué)生了解影響機(jī)械效率的因素，知道和簡(jiǎn)單機(jī)械相關(guān)的生活現(xiàn)象，進(jìn)行簡(jiǎn)單機(jī)械的計(jì)算。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)的引領(lǐng)下，通過探究性學(xué)習(xí)和合作學(xué)習(xí)來學(xué)習(xí)知識(shí)。

簡(jiǎn)單機(jī)械的知識(shí)在生活中已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，是學(xué)習(xí)物理必須掌握的基礎(chǔ)知識(shí)。教師將其與生活緊密聯(lián)系，是物理教學(xué)中一項(xiàng)重要任務(wù)和內(nèi)容，也是物理核心素養(yǎng)重要體現(xiàn)。簡(jiǎn)單機(jī)械知識(shí)這一章內(nèi)容要求學(xué)生能通過杠桿平衡的公式進(jìn)行計(jì)算，用不同的公式對(duì)機(jī)械效率各個(gè)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行合理的辨析，運(yùn)用以前學(xué)習(xí)過的各個(gè)簡(jiǎn)單機(jī)械的相關(guān)知識(shí)作為鋪墊，從而為機(jī)械效率實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)打下良好的基礎(chǔ)。為了增加學(xué)生的生活知識(shí)、提高其應(yīng)用知識(shí)以及動(dòng)手能力，學(xué)好本章知識(shí)是非常必要的。

2.2學(xué)情分析

學(xué)生當(dāng)前的學(xué)習(xí)情況如表1所示。

2.3教學(xué)目標(biāo)

本文制定的教學(xué)目標(biāo)如表2所示。

2.4教學(xué)過程（活動(dòng)）

2.4.1第一環(huán)節(jié)：創(chuàng)設(shè)情境、導(dǎo)入新課

教學(xué)內(nèi)容：通過深井采鹽的視頻引入新課。

首先通過“生活中常見的物品——井鹽是如何開采的？”這一問題激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)給學(xué)生設(shè)置懸念，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行大膽猜想古人是如何進(jìn)行采鹽的。然后通過視頻引領(lǐng)學(xué)生走進(jìn)古人采鹽的世界，向?qū)W生介紹一種古代深井采鹽的方式——沖擊式頓鉆法。接下來的課程就以以此法開采的世界第一口人工開采超千米的深井——燊海井為例，讓學(xué)生觀看視頻了解燊海井并分析其中所涉及的物理知識(shí)。燊海井（又稱桑海井、燊海井古法制鹽遺址）位于四川省自貢市大安區(qū)大安街289號(hào)，占地面積3畝，井位海拔341.4m。燊海井開鑿于清代道光三年（1823年），鑿成于道光十五年（1835年），采用沖擊式頓鉆法進(jìn)行開掘。

鑿成時(shí)井深100142m，隨后幾經(jīng)加深達(dá)到現(xiàn)井深1100m，由碓房、大車房、汲鹵筒和灶房等構(gòu)成。燊海井是世界第一口人工開采超千米深井，

部分圖片如圖1所示。

設(shè)計(jì)意圖：引導(dǎo)學(xué)生掌握有效的學(xué)習(xí)方法，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

跨學(xué)科（物理與工程）：通過視頻，讓學(xué)生了解古代物理與工程的密切聯(lián)系。燊海井鉆深突破了一千米，創(chuàng)造了當(dāng)時(shí)世界深井之最，并且地面各種設(shè)施保存至今，不僅是中國(guó)優(yōu)秀科技文化遺產(chǎn)的重要組成部分，也是世界科技文化遺產(chǎn)中的一個(gè)重要的組成部分。燊海井的創(chuàng)建和遺存，為研究中國(guó)古代鉆探科技史及經(jīng)濟(jì)史提供了重要的實(shí)物資料，同時(shí)也為總結(jié)和研究世界鉆井史、礦業(yè)史和科技史提供了重要的實(shí)物和史料。

2.4.2第二環(huán)節(jié)：采鹽的流程分析，構(gòu)建簡(jiǎn)單機(jī)械的知識(shí)框架

教學(xué)內(nèi)容：介紹深井采鹽的四個(gè)步驟：鉆孔、汲鹵、輸鹵、煮鹵。

步驟1：鉆孔。

如圖2所示，碓架上的人踩動(dòng)銼頭，思考銼頭為何能在上下運(yùn)動(dòng)中打碎巖石？

學(xué)生活動(dòng)：通過觀看視頻，教師分析此過程所涉及的物理模型。在此過程中，錐板在人的重力的作用下圍繞支點(diǎn)上下運(yùn)動(dòng)，其本質(zhì)就是一個(gè)杠桿模型。為了搞清楚此杠桿的原理，需要溫習(xí)杠桿的相關(guān)知識(shí)，支點(diǎn)、動(dòng)力、阻力、動(dòng)力臂、阻力臂以及杠桿平衡的條件F1l1＝F2l2。接下來讓學(xué)生自主分析此過程的杠桿知識(shí)，畫出錐板的支點(diǎn)、動(dòng)力、動(dòng)力臂、阻力、阻力臂并分析錐板是如何保持平衡的。

強(qiáng)化練習(xí)：請(qǐng)作出如圖3所示的動(dòng)力臂和阻力臂。歸納總結(jié)作力臂的方法，①找支點(diǎn)；②確定動(dòng)力、阻力作用線；③從支點(diǎn)作動(dòng)力、阻力作用線的垂線；④標(biāo)垂足，畫力臂；⑤標(biāo)記動(dòng)力臂、阻力臂。

步驟2：汲鹵。

把栓有汲鹵桶的繩子一圈一圈纏繞到大車上，通過天車使用牛車便能輕松拉動(dòng)，如圖4所示。結(jié)合視頻討論分析，此裝置是如何汲鹵的？圖中紅色圈內(nèi)的部分有什么作用？畫出機(jī)械模型，簡(jiǎn)要分析。

學(xué)生活動(dòng)：通過功能分析，與我們所講的機(jī)械模型（見圖5）進(jìn)行匹配和歸納，左邊部分的作用是將豎直方向的繩子轉(zhuǎn)化為水平方向，根本作用就是改變力的方向，相當(dāng)于定滑輪。讓學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)和理論兩方面進(jìn)行探究定滑輪除了改變力的方向以外，能否省力。最終歸納出定滑輪是一個(gè)等臂杠桿，只能改變力的方向，不能省力。同樣，引導(dǎo)學(xué)生分析右邊部分的模型，右邊部分模型能夠省力，此部分相當(dāng)于是一個(gè)動(dòng)滑輪，省力但不能改變力的方向。結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn)，我們便發(fā)明了既能改變力的方向，又能省力的機(jī)械，這就是滑輪組。

步驟3：輸鹵

使用鹵水車將鹵水送到更高的鹵架上，用竹管運(yùn)輸?shù)皆罘?，如圖6所示。此裝置的原理是什么？它的優(yōu)點(diǎn)是什么？

學(xué)生活動(dòng)：觀察圖片，認(rèn)真分析可知，這些裝置都和連通器一樣。利用連通器輸送鹵水，既能節(jié)約能源還能減少鹵水在流動(dòng)過程中的蒸發(fā)損耗，直接把高處的鹵水輸送到較低位置，為下一步處理鹵水做準(zhǔn)備。

步驟4：煮鹵

把高濃度的鹵水輸送到大鍋里，進(jìn)行高溫蒸發(fā)。思考此裝置的作用是什么？

學(xué)生活動(dòng)：結(jié)合視頻，分析可知此裝置是利用深井中開采出來的天然氣對(duì)鹵水進(jìn)行加熱、蒸發(fā)、結(jié)晶，從而得到高純度的井鹽。

設(shè)計(jì)意圖：通過教師引導(dǎo)、學(xué)生主導(dǎo)的方式，借助古代深井采鹽的工程案例完成簡(jiǎn)單機(jī)械基本概念的復(fù)習(xí)。通過實(shí)物視頻展示，使學(xué)生的感受更為直觀和真實(shí)，同時(shí)讓學(xué)生感受到物理來源于生活，物理服務(wù)于生活的宗旨。

跨學(xué)科（物理與工程）：此環(huán)節(jié)涉及鉆孔、汲鹵、輸鹵、煮鹵四個(gè)步驟，每個(gè)步驟都蘊(yùn)含著豐富的物理學(xué)科知識(shí)。應(yīng)用物理知識(shí)解決生活生產(chǎn)中的工程技術(shù)問題，不僅能夠事半功倍，還體現(xiàn)了古人智慧和利用科學(xué)規(guī)律改變生活現(xiàn)狀的情景。

2.4.3第三環(huán)節(jié)：歸納分析，總結(jié)流程

教學(xué)內(nèi)容：引入實(shí)驗(yàn)，深入探討深井采鹽的問題，并為實(shí)驗(yàn)活動(dòng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，進(jìn)一步使學(xué)生們?cè)谏钪羞\(yùn)用物理，聯(lián)系生活實(shí)際，充分讓學(xué)生成為課堂復(fù)習(xí)的主角。

設(shè)計(jì)意圖：幫助學(xué)生通過觀察自行總結(jié)出深井采鹽的四個(gè)流程，培養(yǎng)學(xué)生的總結(jié)能力和概括能力。

跨學(xué)科（物理與工程）：通過實(shí)驗(yàn)深入探究杠桿平衡條件及其應(yīng)用，以及滑輪組在生活生產(chǎn)中的運(yùn)用。

2.4.4第四環(huán)節(jié)：挖掘問題、優(yōu)化流程

教學(xué)內(nèi)容：學(xué)習(xí)古人的智慧，使學(xué)生了解古人操作的緣由。在了解和分析古代采鹽流程后，對(duì)本流程中的一系列操作存在的問題提出意見并提出優(yōu)化措施。比如，如何提高此套裝置的效率？通過回憶機(jī)械效率與哪些因素有關(guān)，改變這些因素來提高機(jī)械效率。再例如，此套裝置如何才能更省力？讓學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行模擬，最終實(shí)驗(yàn)、討論、總結(jié)得出正確答案。使學(xué)生在快樂的游戲活動(dòng)中享受樂趣，同時(shí)悟出物理原理的精彩。通過小組合作探究和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生的思維能力和動(dòng)手能力。自我反思不足，激勵(lì)每一位學(xué)子努力前行，體驗(yàn)與思維開發(fā)并存，讓學(xué)生真正體驗(yàn)“做中學(xué)”。

設(shè)計(jì)意圖：讓學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)“做中學(xué)”，激發(fā)思維。學(xué)生真正體驗(yàn)“做中學(xué)”，不僅鞏固與簡(jiǎn)單機(jī)械相關(guān)的知識(shí)，更培養(yǎng)學(xué)生敢于質(zhì)疑的精神和發(fā)散性思維。做到“思維與表達(dá)并存，現(xiàn)象與原理同在”，體現(xiàn)應(yīng)用物理知識(shí)解決實(shí)際問題，達(dá)成和拓展教學(xué)的目標(biāo)。

跨學(xué)科（物理與工程）：探索機(jī)械的發(fā)展、使用以及改進(jìn)，了解其對(duì)改變?nèi)藗兩詈蜕鐣?huì)發(fā)展的重大影響。

2.4.5第五環(huán)節(jié)：布置作業(yè)

教學(xué)內(nèi)容：讓學(xué)生留心觀察生活，列舉出三個(gè)與簡(jiǎn)單機(jī)械相關(guān)的實(shí)例，并解釋其中的原因。真正讓物理從知識(shí)走向生活，課后作業(yè)成為本次課的延伸和拓展。

設(shè)計(jì)意圖：通過分析現(xiàn)實(shí)生活中的例子來鞏固簡(jiǎn)單機(jī)械相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)，讓學(xué)生將知識(shí)聯(lián)系生活，認(rèn)真觀察生活，讓知識(shí)得以延伸與鞏固。

跨學(xué)科（物理與工程）：設(shè)計(jì)制作桿秤或滑輪組的創(chuàng)新組合，各小組展示交流分享。

3教學(xué)反思

本節(jié)課基本的思路是用深井采鹽活動(dòng)做“引子”讓學(xué)生自主探究。教師應(yīng)重點(diǎn)引導(dǎo)學(xué)生打開他們的思路，使學(xué)生能大膽猜想，發(fā)散思維設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。對(duì)于學(xué)生的實(shí)驗(yàn)，教師要鼓勵(lì)和引導(dǎo)他們，使其想法盡量合理。但在探究過程中，教師要保持良好的引導(dǎo)，既不能失控，也不能出現(xiàn)包辦的現(xiàn)象。就實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象發(fā)問成為探究的更高層次。器材來源于隨處可見物品，課后也可以進(jìn)行，成為本次課的延伸和拓展。課程設(shè)計(jì)上，運(yùn)用問題解決模式，以學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)作為出發(fā)點(diǎn)，在教師所提出的循序漸進(jìn)的問題引導(dǎo)下，學(xué)生自主展開探究。只有這樣才能讓學(xué)生成為學(xué)習(xí)的主體，也能充分發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用。

本節(jié)課應(yīng)用多媒體技術(shù)和投屏輔助教學(xué)的功能，讓學(xué)生充分了解簡(jiǎn)單機(jī)械實(shí)驗(yàn)和計(jì)算等內(nèi)容。本節(jié)課設(shè)計(jì)幾個(gè)學(xué)生討論的環(huán)節(jié)，目的在于讓學(xué)生在交流中學(xué)習(xí)，讓別人的智慧啟發(fā)自己，從而進(jìn)行有效的合作學(xué)習(xí)。最后，通過“設(shè)計(jì)制作桿秤或滑輪組的創(chuàng)新組合”的運(yùn)用環(huán)節(jié)，讓學(xué)生利用自己已經(jīng)學(xué)習(xí)過的知識(shí)，結(jié)合新學(xué)習(xí)的知識(shí)來解決問題，并且能表述出來。這在知識(shí)學(xué)習(xí)過程中是非常必要，也是非常重要的。

參考文獻(xiàn)

［1］ ［2］中華人民共和國(guó)教育部.義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）［M］.北京：北京師范大學(xué)出版社，2022：8，35．

［3］ 人民教育出版社課程教材研究所課程研究開發(fā)中心義務(wù)教育教科書物理物理八年級(jí)下冊(cè)［M］.北京：人民教育出版社，2012：75-85．

**基金項(xiàng)目：本文系2023年貴州省教育科學(xué)規(guī)劃重點(diǎn)課題“基于‘PBL’教學(xué)法初中物理跨學(xué)科教學(xué)的實(shí)踐研究”（課題編號(hào)：2023A033）、2023年貴州省教育科學(xué)規(guī)劃一般課題“基于LACID理論的高中生物學(xué)跨學(xué)科學(xué)習(xí)活動(dòng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐研究”（課題編號(hào)：2023B127）、2023年畢節(jié)市教育科學(xué)規(guī)劃課題“科學(xué)教育‘加法’助推‘雙減’的實(shí)踐研究”（課題編號(hào)：2023B017）及2024年度貴州省民族地區(qū)專項(xiàng)課題“基于STEAM的初中物理科學(xué)探究素養(yǎng)培養(yǎng)的實(shí)踐研究”（課題編號(hào)：M24041）階段性研究成果。