面向中学生的汽车雨刷器工作原理科普课程教学设计
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作者:张重庆 刘宇杰
摘 要：在学生具备有一定数学和物理知识的前提下，本课程面向中学生，通过引导学生对生活中常见物品——汽车雨刷器的工作原理进行探究，拓宽学生的思维能力和想象能力。基于此，我们设计了汽车雨刷器工作原理的科普课程，以生活中常见的汽车雨刷器进行教学，通过学生的动手测量来探究雨刷器的工作原理——汽车雨刷器是由铰链四连杆机构带动运动的。
关键词：科普课程 探究性学习 雨刷器 铰链四杆机构
中图分类号：G622.3 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2020）01（b）-0199-02
汽车现在已经进入了平常百姓的生活中，雨刷器是汽车的重要组成部分。本次科普课程将主要通过引导学生动手测量来探究铰链四连杆机构的工作原理和工作条件，从而对汽车雨刮器的结构有深刻的了解。
1 教学目标
1.1 学生物理观念
知道什么是铰链四杆机构;知道铰链四杆机构的组成和运动特点;知道铰链四杆机构三种形式的判定;了解铰链四杆机构有曲柄的条件;知道汽车雨刷器中铰链四杆机构的应用。
1.2 学生科学思维
会举一反三，能够列举出生活中其他关于铰链四杆机构的应用;会逆向思维，知道铰链四杆机构的运动特点反推机构类型。
1.3 学生科学探究能力
对于研究的铰链四杆机构，能够提出问题，获得数据，主动思考，积极讨论。
1.4 学生的科学态度与科学责任
通过此次探究性学习能够懂得对生活中的规律的认识不仅仅是要“会看”，更是需要通过自己的动手和积极的思考才能获取知识，激发学生对于数学和物理的兴趣和热爱。
2 教学分析
2.1 教学内容
铰链四杆机构原本为大学本科机械类学生专业知识，在此进行了简化，通过学生自己动手测量和进行数据的探究发现规律，培养学生的动手能力和探究问题的能力。本节课的知识体系如图1所示。
2.2 教学重难
重点：（1）铰链四杆机构的三种形式的判定;（2）铰链四杆机构有曲柄的条件;
难点：铰链四杆机构有曲柄的条件。
2.3 学生分析
本次教学面向的是中学生。对于初中生来说已经具备了一些基本的几何知识和代数知识，对于高中生来说他们的动手能力、分析问题能力和归纳实验现象有了进一步的增强，这些为本次课的教学奠定了基础。
2.4 教学用具
汽车雨刮器机构3套，曲柄连杆机构3组，双曲柄机构3组，双摇杆机构3组，直尺3把（高中生可以改为游标卡尺），铅笔3支，橡皮3块，A4纸若干。
2.5 突发情况处理
雨刮器机构含有尖锐端，易划伤学生，为此提前准备碘伏、棉签、创可贴和纱布，用于学生划伤后的现场处置。
3 教学任务
3.1 任务1：情境引入，学生讨论雨刷器的工作原理
首先展示出汽车雨刮器的图片，引导学生猜想汽车雨刮器的工作原理。对于积极回答的学生给予奖励。
3.2 任务2：公布答案，介绍铰链四杆机构的组成和运动
在学生进行激烈讨论之后引出答案：汽车雨刮器是由所谓的“铰链四杆机构”所带动的。展示一个铰链四杆机构的模型，如图2所示。其中，有一根杆固定不动（以a杆为例），叫做“机架”，“机架”对面的那根杆称为“连杆”（c杆），连接“机架”和“连杆”的剩下两根杆叫做“连架杆”（b杆和d杆）。各个杆之间由“铰链”连接（图中圆点），我们可以把它理解为螺钉和螺母的组合，各杆可以绕着“铰链”旋转，所以被称作“铰链四杆机构”。
3.3 任务3：学生动手，测量三组教具的杆长并探究规律
将学生分为三组，每组3～6人。每小组下发曲柄连杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构各一个（如图3所示）;尺子（高中生为游标卡尺）、橡皮、铅笔各一个、纸张若干。在8min的时间内，学生测量三个机构十二根杆的长度，并记录在表1中。学生还需转动这些杆件发现其中的运动规律。
测量结束后，让学生汇报自己的测量结果，并试着发现各杆长之间的规律。
在汇报结束后讲授平面铰链四杆机构的规律：
最短杆+最长杆≥剩余两杆之和
此公式即为可以构成铰链四杆机构的条件。
我们进一步探究发现，当最短杆为连杆时，也即固定杆对面的那根杆，为双摇杆机构，即所有杆不能画圆形。
当最短杆为固定不动时，为双曲柄机构，即连接机架的两根杆可以画出完整的圆形。
除了以上两种情况，为曲柄摇杆机构，即与机架相连的一根杆可以画出完整圆形，另一根不能画出完整的圆形。
3.4 任务四：学生再次动手，验证规律
学生对之前讲授的知识点进行计算和检验，加深记忆。
3.5 任务五：汽车雨刷器中的铰链四杆机构与其他应用
拿出汽车雨刷器模型，如图4所示，实际上是由两个曲柄连杆机构组成。讓学生继续测量左右两侧的各个“杆长”（若学生没有发现固定杆的话给予适当提示），记录在纸上。并验证之前所讲的结论。要特别提示学生在操作的过程中注意安全！测量结束后，学生汇报自己的测量结果与所验证的结论。 操作结束后，教师对学生的最终测量做出总结，并参照图4进行讲解。雨刮器由电动机、减速系统和四连杆系统组成。电动机由汽车蓄电池供电，为雨刮器提供动力。由于电动机转速特别快，所以需要减速机构降低转速。核心机构就是四杆机构，经过测量发现雨刷器是一个曲柄摇杆机构，通过曲柄的往复旋转带动摇杆做周期运动，进而将前挡风玻璃上的水滴刮除干净。
进一步引导学生思考：什么地方还运用了铰链四杆机构？如雷达运动机构、汽车发动机等。
3.6 任务六：课后作业
（1）尝试向自己的父母解释汽车雨刮器的工作原理;
（2）尝试发现生活中更多运用铰链四杆机构的地方。
4 课堂小结
本节课通过学生动手测量四连杆机构各杆的杆长，不仅发现了四连杆机构的运动规律，还了解了四杆机构的三种形态。通过实例——汽车中的四杆机构的应用，验证了之前的结论，也学习了汽车雨刮器的工作原理。此外，通过动手实践和积极思考，提升了学生动手能力、协作能力和探究问题的能力。
5 教学反思
5.1 把课堂留给学生
教师在教学活动中起主导作用，而学生才是教学活动中的主体。本节课程一半的时间学生用来动手测量和自主思考，在此过程中教师引导学生、启发学生，而不是把答案直接“端给学生”，体现了“做中学”。
5.2 精心设计课题问题
选取了铰链四杆机构中几个核心但是难度又不是特别大的问题，适合中学生年龄特征和认知水平特点。学生通过测量、计算、归纳、思考，发现问题、分析问题、解决问题，培养学生的基本素养。
5.3 多学科渗透
汽车雨刷器工作原理教学过程中涉及了物理学、数学等学科知识。跨学科的学习加深了各个学科的知识体系，提升学生的数学、物理等学科学习能力和探究学习的能力。
科普的目的不仅仅是教会公众科学知识，更要弘扬科学精神、传播科学思想、倡导科学方法。作为科普工作者，我们要在科学传播的各个环节中促进公民科学素养的提升，开创中国科普事业崭新未来。
参考文献
[1] 西北工业大学机械原理与机械零件教研室. 机械原理[M].8版.北京：高等教育出版社，2013.
[2] 刘红艳.“双曲线标准方程”的教学设计[J].高中数学教与学，2018（22）：25-28.
[3] 王挺.堅守科普初心开创崭新未来[N].科技日报，2019-09-09（001）.
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