巧設情境 讓學生主宰課堂

張寧波

【教材分析】

《機械效率》是蘇科版物理教材第十一章第五節的內容，是繼功、功率之后另一個非常重要的物理概念.教材在之前已經安排了有關于各種簡單機械和功的內容學習，《機械效率》是在此基礎上的進一步延伸，也可以說是對這些內容的綜合分析和實際應用，體現了物理知識最終要服務于生產和生活的理念.

教學目標

1.通過生活中的實例，知道有用功、總功、額外功及它們之間的關系，并會辨析使用機械時的有用功、額外功和總功.

2.理解機械效率的概念.知道機械效率的計算公式，會計算動滑輪的機械效率.

3.知道機械效率的物理意義，知道實際的機械效率不可能是100%.

4.知道提高機械效率的實際意義和方法，有合理改進機械、提高效率的意識.

教學重難點1.教學重點：

（1）知道有用功、總功、額外功及它們之間的關系，能分析生活實例中的三種功.

（2）理解機械效率的概念.知道機械效率的計算公式，會計算動滑輪的機械效率.

2.教學難點：機械效率的物理意義及提高機械效率的實際意義和方法.

【學情分析】

學生在本節前學習了滑輪、杠桿、斜面等一些簡單機械，知道這些機械使用過程中的特點，為本節內容的學習做好了鋪墊.學生還學習了功的概念，會分析力做功，知道機械功的概念和計算方法，也了解了功的原理，這些都為學習機械效率奠定了知識基礎.

另一方面，雖然工作、生活、學習中“效率”一詞經常被提及，但學生對效率概念的理解是模糊的，非理性的.而且由于機械效率概念涉及到“總功”、“有用功”、“額外功”等概念，而功的概念本身又比較抽象，因而要區分并理解這些概念，對初中生來說，有一定的難度.要能輕松自如地解決有關機械效率的問題，關鍵是真正弄清有關概念，并能正確地加以區分，所以本教學設計以及實際教學中在有用功、額外功、總功的概念理解上花的時間比較多.

【教學過程】

1 問題情境

情境1：小明家新買了一套二樓的房子，裝修的時候工人要把沙子運到樓上.今天我們在教室里模擬一下，有兩堆同樣重的沙子，分別裝在一個輕質塑料桶和一個較重的鐵桶里.有哪位同學愿意上來嘗試把這兩桶沙子提到桌面上嗎？

學生上來搬運沙子.

師：能談談你兩次搬沙子的感受嗎？

生1：鐵桶很重、很費勁.

（此處設計意圖為創設情境，從生活中的實際問題引入課題，激發學生學習動機，同時活躍了課堂氣氛.）

問題1：在搬沙子的過程中，該同學前后兩次對沙子做的功和實際做的功一樣多嗎？為什么？

生2：對沙子做的功一樣多，因為沙子重和被提升高度都相同.實際做的功不一樣多，因為還要對桶做功.

情境2：PPT展示圖片：同學背書包上樓

師：同學背書包上樓的過程中實際做的功和對書包做的功一樣多嗎？

生3：不一樣.同學還要克服自身重力做功.

（通過搬沙子和背書包上樓兩個情景，分析搬運過程中所做的功，學生感受到實際做的功和對物體做的功不一樣多，進而引入有用功、額外功、總功的概念）

2 建構教學

2.1 有用功、額外功、總功

師：剛才的兩個實例中我們的目的分別是把沙子和書包搬到高處，因此對沙子、書包做的功就叫做有用功.但在提沙子的同時，我們還不得不對桶或者人做功，但這個功又不是我們需要的，我們就把對桶做的功叫做額外功.而我們實際做的功就叫做總功.（板書：一、有用功（W有用）、額外功（W額）、總功（W總））那么總功與有用功、額外功之間有什么關系？

生4：W總=W有用+W額

問題2：生活中有很多需要把物體搬運到高處的情景，請大家分析一下，有用功和額外功分別是對誰做的功？總功是哪個力做的功？為什么？

情境3：物理老師用器材籃把實驗器材提上樓.

情境4：校園里，工人使用定滑輪把池塘底的淤泥提到岸上.

情境5：建筑工地上，工人使用動滑輪提升沙子到某一高度.

生5：老師提實驗器材上樓時，對實驗器材做的功是有用功，對器材籃和自己做的功是額外功.

生6：工人使用定滑輪把池塘底的淤泥提到岸上時，對淤泥做的功是有用功，對推車和克服摩擦做的功是額外功.拉力做的功是總功.

生7：工人使用動滑輪提升沙子到某一高度時，對沙子做的功是有用功，對動滑輪、口袋和克服摩擦做的功是額外功.拉力做功是總功.

（此處再提供三個學生能看到的、貼近生活的真實情境，通過分析這些具體實例，明確使用定滑輪、動滑輪等機械提升物體時所做的有用功、額外功及總功分別是什么）

問題3：如果我們使用動滑輪把重為G的物體提高h高度，作用在繩子自由端的拉力為F，繩端移動的距離為s，請問有用功和總功分別怎么表示？

生8：W有用=Gh W總=Fs

（此處讓學生用公式表示有用功、總功，使學生的認識從定性逐漸過渡到定量，更加深入，為下面的學習做好鋪墊）

情境6：有兩種動滑輪，一個很大很重，一個較小較輕.如果使用它們分別提升1N的鉤碼升高相同的高度，你選擇哪一個？可以上來試試.

（此處再次創設情境，用兩輕重對比鮮明的動滑輪提升相同的重物給學生選擇，強烈的對比給學生視覺上的沖擊，激發學生的興趣和好奇心.）

師：從有用功、額外功和總功的角度來說，你為什么選擇這個輕的？

生9：因為提升相同的重物到相同的高度，有用功是一樣的.但提升輕的物體所做的額外功較少，總功較少.

師：謝謝你.你剛才體驗過了，但其他同學沒有體驗到，怎樣向大家證實你的感覺是否可靠的？

生9：可以做實驗測出有用功和總功，然后進行比較.

（學生通過體驗選擇了輕的物體，再引導到用實證測量的方式分別測出有用功、總功進行比較）

問題4：要測出有用功和總功需要測哪些物理量呢？用什么測量工具？

次數鉤碼重G/N鉤碼上升高度h/m拉力F/NF移動的距離s/m有用功W有用/J總功W總/J

11

21

生10：要測物重G和物體上升的高度h，拉力F和繩端移動的距離s；需要的測量工具有：彈簧測力計、刻度尺.

師：老師已經在直尺上每隔10cm做了標記，繩子的自由端和物體的上端也做了標記.請大家注意觀察彈簧測力計的示數，同時記下h和s（老師演示、分別測量兩個滑輪提升物體時的 W有用、W總，學生觀察、記錄數據，共同完成表格）

師：現在我們有了實驗數據，一起來分析數據看看剛才那位同學的感覺是否可靠？

（學生計算后發現確實有用功相同，輕的總功更少.也就是有用功占總功的比值越大的越好.至此，機械效率的概念已經呼之欲出了）

師：有用功相同時，總功越小的滑輪越好.也就是有用功占總功的比值越大的越好.那么，在物理學中，我們就用機械效率這個指標來反映出機械這種做功性能的好壞.

2.2 機械效率

師：在物理學中，把有用功與總功的比值定義為機械效率.（板書：二、機械效率1.定義：有用功和總功的比值；2.公式： η=W有W總×100%）

問題5：機械效率有單位嗎？某機械工作時的機械效率為80%的物理意義是什么？

生11：機械效率沒有單位，因為有用功和總功的單位都是J，可以約掉.

生12：表示該機械工作時，有用功占總功的80%.（板書：3.物理意義）

師：請你算一算，剛才兩個動滑輪提升鉤碼時的機械效率.（板書：第一次實驗效率的計算過程）現在我們回過頭來看看剛才的選擇，其實就是選了一個什么樣的機械？

生13：選了機械效率高的.

2.3 提高機械效率的方法

師：看來我們生活中的很多選擇背后都是有著它的科學依據的.有用功相同時，額外功越少，或者總功越少的機械效率就越高.大家有沒有發現一種提高機械效率的方法？

（此處設計的意圖是把物理知識與生活結合起來，讓學生感受到物理是有用的.）

生14：減少額外功.

師：有哪些具體的辦法？

生15：減小動滑輪自重，或者減小摩擦.

師：如果同一個機械，即額外功一定，還有沒有其他的辦法可以提高機械效率？

生16：減小物體的質量.

（公開課的時候在此出現了一個意想不到的情況，學生回答減小物體的質量可以提高機械效率，這個答案之前從沒有遇到，也完全沒有預設，筆者冷靜下來后，想到用實驗來驗證這一猜想.）

師：我們一起再用實驗驗證一下這個辦法行不行吧.（教師實驗演示，使用較小較輕的動滑輪，物重減小到0.5N，分別測出W有用、W總，學生觀察實驗、記錄數據、計算后進行比較.）

（再次通過實驗測量機械效率，強化效率的計算同時用實驗數據驗證猜想）

生17：同一個滑輪組，被提升的物重越小，機械效率越低.

師：怎么樣做可以提高動滑輪的機械效率？

生17：增加被提升的物體重.

（板書：三、提高機械效率的方法：1.減少額外功；2.增大有用功）

師：剛才我們提到，要搬沙子除了可以使用動滑輪，還可以使用其他的簡單機械，下面我們一起看看這位牛人用了什么機械？（視頻：如此提沙子）

（此處設計活躍氣氛，將課堂氣氛推向高潮）

師：定滑輪可以提升重物，但這位牛人的做法既不安全也不科學，大家不要模仿.使用定滑輪時的機械效率有多高？請大家根據這些數據計算一下.

3 鞏固練習（略）

4 回顧反思

本節課從生活實例出發，通過身邊一些具體生動的做功實例，讓學生感受到人在使用機械做功時實際做的功總是大于直接對物體做的功.通過用兩個質量反差很大的動滑輪提升同樣的重物的情景給學生強烈的視覺沖擊，同時引發學生的思考.使學生初步形成了“有用功相同，總功（額外功）越少越好”的這樣一種感性認識，再通過實證測量的方式證實這一猜想，從感性認識上升到理性認識，并且水到渠成地引入了機械效率的概念.在此基礎上提出了提高機械效率的方法，體現了從生活到物理，從物理到社會的理念.

4.1 物理概念的教學要充分創設情境

利用生活實例，使學生的認識從感性上升到理性機械效率的概念非常抽象，為了讓學生體會到這個物理量的含義，最初的教學設計是按照教科書上的流程，通過“再探動滑輪”的活動，讓學生體會什么是有用功，什么是總功，通過比較有用功和總功的大小，認識機械效率的物理意義.但試講后發現學生不能明白實驗的目的所在，即為何要“再探”動滑輪.而且對測量之后數據的分析和處理對于剛上初三的學生來說非常復雜、抽象，學生理解上比較困難，在數據基礎上得出的機械效率的概念也很難被學生理解和掌握.

后經過研討，將教學設計改進為先創設情境，呈現大量生動的、貼近學生生活的一些做功的實例，如搬沙子、背書包上樓等，讓學生感受到人在做功時有些功是對人們有用的，有些功是“無用的”，是人們不需要又不得不做的.然后創設使用定滑輪提池底的淤泥，使用動滑輪提沙子等情境，過渡到使用機械做功時，同樣有有用功和額外功之分.在此基礎上再創設情境，用兩個體積和自重相差很大的滑輪提升同樣的重物，視覺上的強烈沖擊激發了學生思維上的火花，通過讓學生選擇滑輪、上臺體驗、闡述道理層層深入，學生自然而然得到了“在有用功一定的情況下，總功（額外功）少的機械好”的結論，至此，機械效率的概念就呼之欲出了.由此可見，在物理概念的教學，特別是抽象的物理概念的教學過程中，教師一定要創設大量的結合學生生活實際的情境，最好是學生能體驗的情境，讓學生在足夠的實例中去體會、去感悟，學生在活動中的體驗、思考后自己總結或歸納出的結論會印象深刻.

4.2 提好問題是教學設計的著力點

提問在課堂教學中有著舉足輕重的地位，課堂提問是教師與學生溝通的主要渠道，也是引發學生思維和實踐的關鍵因素.教師恰到好處的提問，不僅能激發學生強烈的求知欲，還能促進知識內化，因此課堂提問必須具備啟發性.教師在進行教學設計時，應針對具體的課堂做好相應的準備，這包括提問的目的，提問的內容，提問的對象，提問所用的語言，預測可能出現并擬定解決方案等等.課堂所提問題要難易適中，適合學生的認知水平，只有難度適宜，問題的提出才有意義.教師提出一個問題后，要留足夠的時間讓學生思考；當學生回答問題后，要留時間給其他學生消化；當師生得到問題的答案之后，要留時間給學生理解和判斷問題的答案.在問題的引領下，教師能夠幫助學生經過觀察、分析、概括、歸納、反思等活動，感受知識內容與思想方法，從而培養學生的物理思維.