面向中學生的汽車雨刷器工作原理科普課程教學設計

張重慶 劉宇杰

摘? ?要：在學生具備有一定數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。基于此，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

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

汽車現在已經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的工作原理和工作條件，從而對汽車雨刮器的結構有深刻的了解。

1? 教學目標

1.1 學生物理觀念

知道什么是鉸鏈四桿機構;知道鉸鏈四桿機構的組成和運動特點;知道鉸鏈四桿機構三種形式的判定;了解鉸鏈四桿機構有曲柄的條件;知道汽車雨刷器中鉸鏈四桿機構的應用。

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的應用;會逆向思維，知道鉸鏈四桿機構的運動特點反推機構類型。

1.3 學生科學探究能力

對于研究的鉸鏈四桿機構，能夠提出問題，獲得數據，主動思考，積極討論。

1.4 學生的科學態度與科學責任

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，激發學生對于數學和物理的興趣和熱愛。

2? 教學分析

2.1 教學內容

鉸鏈四桿機構原本為大學本科機械類學生專業知識，在此進行了簡化，通過學生自己動手測量和進行數據的探究發現規律，培養學生的動手能力和探究問題的能力。本節課的知識體系如圖1所示。

2.2 教學重難

重點：（1）鉸鏈四桿機構的三種形式的判定;（2）鉸鏈四桿機構有曲柄的條件;

難點：鉸鏈四桿機構有曲柄的條件。

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具備了一些基本的幾何知識和代數知識，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3套，曲柄連桿機構3組，雙曲柄機構3組，雙搖桿機構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 突發情況處理

雨刮器機構含有尖銳端，易劃傷學生，為此提前準備碘伏、棉簽、創可貼和紗布，用于學生劃傷后的現場處置。

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”所帶動的。展示一個鉸鏈四桿機構的模型，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，所以被稱作“鉸鏈四桿機構”。

3.3 任務3：學生動手，測量三組教具的桿長并探究規律

將學生分為三組，每組3～6人。每小組下發曲柄連桿機構、雙曲柄機構、雙搖桿機構各一個（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，學生測量三個機構十二根桿的長度，并記錄在表1中。學生還需轉動這些桿件發現其中的運動規律。

測量結束后，讓學生匯報自己的測量結果，并試著發現各桿長之間的規律。

在匯報結束后講授平面鉸鏈四桿機構的規律：

最短桿+最長桿≥剩余兩桿之和

此公式即為可以構成鉸鏈四桿機構的條件。

我們進一步探究發現，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，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，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，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組成。讓學生繼續測量左右兩側的各個“桿長”（若學生沒有發現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論。要特別提示學生在操作的過程中注意安全！測量結束后，學生匯報自己的測量結果與所驗證的結論。

操作結束后，教師對學生的最終測量做出總結，并參照圖4進行講解。雨刮器由電動機、減速系統和四連桿系統組成。電動機由汽車蓄電池供電，為雨刮器提供動力。由于電動機轉速特別快，所以需要減速機構降低轉速。核心機構就是四桿機構，經過測量發現雨刷器是一個曲柄搖桿機構，通過曲柄的往復旋轉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？如雷達運動機構、汽車發動機等。

3.6 任務六：課后作業

（1）嘗試向自己的父母解釋汽車雨刮器的工作原理;

（2）嘗試發現生活中更多運用鉸鏈四桿機構的地方。

4? 課堂小結

本節課通過學生動手測量四連桿機構各桿的桿長，不僅發現了四連桿機構的運動規律，還了解了四桿機構的三種形態。通過實例——汽車中的四桿機構的應用，驗證了之前的結論，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、啟發學生，而不是把答案直接“端給學生”，體現了“做中學”。

5.2 精心設計課題問題

選取了鉸鏈四桿機構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，發現問題、分析問題、解決問題，培養學生的基本素養。

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節中促進公民科學素養的提升，開創中國科普事業嶄新未來。

參考文獻

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