張重慶 劉宇杰

摘? ?要：在學生具備有一定數(shù)學和物理知識的前提下，本課程面向中學生，通過引導學生對生活中常見物品——汽車雨刷器的工作原理進行探究，拓寬學生的思維能力和想象能力?；诖?，我們設計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行教學，通過學生的動手測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構(gòu)帶動運動的。

關鍵詞：科普課程? 探究性學習? 雨刷器? 鉸鏈四桿機構(gòu)

中圖分類號：G622.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）01（b）-0199-02

汽車現(xiàn)在已經(jīng)進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學生動手測量來探究鉸鏈四連桿機構(gòu)的工作原理和工作條件，從而對汽車雨刮器的結(jié)構(gòu)有深刻的了解。

1? 教學目標

1.1 學生物理觀念

知道什么是鉸鏈四桿機構(gòu);知道鉸鏈四桿機構(gòu)的組成和運動特點;知道鉸鏈四桿機構(gòu)三種形式的判定;了解鉸鏈四桿機構(gòu)有曲柄的條件;知道汽車雨刷器中鉸鏈四桿機構(gòu)的應用。

1.2 學生科學思維

會舉一反三，能夠列舉出生活中其他關于鉸鏈四桿機構(gòu)的應用;會逆向思維，知道鉸鏈四桿機構(gòu)的運動特點反推機構(gòu)類型。

1.3 學生科學探究能力

對于研究的鉸鏈四桿機構(gòu)，能夠提出問題，獲得數(shù)據(jù)，主動思考，積極討論。

1.4 學生的科學態(tài)度與科學責任

通過此次探究性學習能夠懂得對生活中的規(guī)律的認識不僅僅是要“會看”，更是需要通過自己的動手和積極的思考才能獲取知識，激發(fā)學生對于數(shù)學和物理的興趣和熱愛。

2? 教學分析

2.1 教學內(nèi)容

鉸鏈四桿機構(gòu)原本為大學本科機械類學生專業(yè)知識，在此進行了簡化，通過學生自己動手測量和進行數(shù)據(jù)的探究發(fā)現(xiàn)規(guī)律，培養(yǎng)學生的動手能力和探究問題的能力。本節(jié)課的知識體系如圖1所示。

2.2 教學重難

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

難點：鉸鏈四桿機構(gòu)有曲柄的條件。

2.3 學生分析

本次教學面向的是中學生。對于初中生來說已經(jīng)具備了一些基本的幾何知識和代數(shù)知識，對于高中生來說他們的動手能力、分析問題能力和歸納實驗現(xiàn)象有了進一步的增強，這些為本次課的教學奠定了基礎。

2.4 教學用具

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

2.5 突發(fā)情況處理

雨刮器機構(gòu)含有尖銳端，易劃傷學生，為此提前準備碘伏、棉簽、創(chuàng)可貼和紗布，用于學生劃傷后的現(xiàn)場處置。

3? 教學任務

3.1 任務1：情境引入，學生討論雨刷器的工作原理

首先展示出汽車雨刮器的圖片，引導學生猜想汽車雨刮器的工作原理。對于積極回答的學生給予獎勵。

3.2 任務2：公布答案，介紹鉸鏈四桿機構(gòu)的組成和運動

在學生進行激烈討論之后引出答案：汽車雨刮器是由所謂的“鉸鏈四桿機構(gòu)”所帶動的。展示一個鉸鏈四桿機構(gòu)的模型，如圖2所示。其中，有一根桿固定不動（以a桿為例），叫做“機架”，“機架”對面的那根桿稱為“連桿”（c桿），連接“機架”和“連桿”的剩下兩根桿叫做“連架桿”（b桿和d桿）。各個桿之間由“鉸鏈”連接（圖中圓點），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“鉸鏈四桿機構(gòu)”。

3.3 任務3：學生動手，測量三組教具的桿長并探究規(guī)律

將學生分為三組，每組3～6人。每小組下發(fā)曲柄連桿機構(gòu)、雙曲柄機構(gòu)、雙搖桿機構(gòu)各一個（如圖3所示）;尺子（高中生為游標卡尺）、橡皮、鉛筆各一個、紙張若干。在8min的時間內(nèi)，學生測量三個機構(gòu)十二根桿的長度，并記錄在表1中。學生還需轉(zhuǎn)動這些桿件發(fā)現(xiàn)其中的運動規(guī)律。

測量結(jié)束后，讓學生匯報自己的測量結(jié)果，并試著發(fā)現(xiàn)各桿長之間的規(guī)律。

在匯報結(jié)束后講授平面鉸鏈四桿機構(gòu)的規(guī)律：

最短桿+最長桿≥剩余兩桿之和

此公式即為可以構(gòu)成鉸鏈四桿機構(gòu)的條件。

我們進一步探究發(fā)現(xiàn)，當最短桿為連桿時，也即固定桿對面的那根桿，為雙搖桿機構(gòu)，即所有桿不能畫圓形。

當最短桿為固定不動時，為雙曲柄機構(gòu)，即連接機架的兩根桿可以畫出完整的圓形。

除了以上兩種情況，為曲柄搖桿機構(gòu)，即與機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 任務四：學生再次動手，驗證規(guī)律

學生對之前講授的知識點進行計算和檢驗，加深記憶。

3.5 任務五：汽車雨刷器中的鉸鏈四桿機構(gòu)與其他應用

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

操作結(jié)束后，教師對學生的最終測量做出總結(jié)，并參照圖4進行講解。雨刮器由電動機、減速系統(tǒng)和四連桿系統(tǒng)組成。電動機由汽車蓄電池供電，為雨刮器提供動力。由于電動機轉(zhuǎn)速特別快，所以需要減速機構(gòu)降低轉(zhuǎn)速。核心機構(gòu)就是四桿機構(gòu)，經(jīng)過測量發(fā)現(xiàn)雨刷器是一個曲柄搖桿機構(gòu)，通過曲柄的往復旋轉(zhuǎn)帶動搖桿做周期運動，進而將前擋風玻璃上的水滴刮除干凈。

進一步引導學生思考：什么地方還運用了鉸鏈四桿機構(gòu)？如雷達運動機構(gòu)、汽車發(fā)動機等。

3.6 任務六：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)生活中更多運用鉸鏈四桿機構(gòu)的地方。

4? 課堂小結(jié)

本節(jié)課通過學生動手測量四連桿機構(gòu)各桿的桿長，不僅發(fā)現(xiàn)了四連桿機構(gòu)的運動規(guī)律，還了解了四桿機構(gòu)的三種形態(tài)。通過實例——汽車中的四桿機構(gòu)的應用，驗證了之前的結(jié)論，也學習了汽車雨刮器的工作原理。此外，通過動手實踐和積極思考，提升了學生動手能力、協(xié)作能力和探究問題的能力。

5? 教學反思

5.1 把課堂留給學生

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

5.2 精心設計課題問題

選取了鉸鏈四桿機構(gòu)中幾個核心但是難度又不是特別大的問題，適合中學生年齡特征和認知水平特點。學生通過測量、計算、歸納、思考，發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題，培養(yǎng)學生的基本素養(yǎng)。

5.3 多學科滲透

汽車雨刷器工作原理教學過程中涉及了物理學、數(shù)學等學科知識。跨學科的學習加深了各個學科的知識體系，提升學生的數(shù)學、物理等學科學習能力和探究學習的能力。

科普的目的不僅僅是教會公眾科學知識，更要弘揚科學精神、傳播科學思想、倡導科學方法。作為科普工作者，我們要在科學傳播的各個環(huán)節(jié)中促進公民科學素養(yǎng)的提升，開創(chuàng)中國科普事業(yè)嶄新未來。

參考文獻

[1] 西北工業(yè)大學機械原理與機械零件教研室. 機械原理[M].8版.北京：高等教育出版社，2013.

[2] 劉紅艷.“雙曲線標準方程”的教學設計[J].高中數(shù)學教與學，2018（22）：25-28.

[3] 王挺.堅守科普初心開創(chuàng)嶄新未來[N].科技日報，2019-09-09（001）.