巧设情境 让学生主宰课堂

张宁波

【教材分析】

《机械效率》是苏科版物理教材第十一章第五节的内容，是继功、功率之后另一个非常重要的物理概念.教材在之前已经安排了有关于各种简单机械和功的内容学习，《机械效率》是在此基础上的进一步延伸，也可以说是对这些内容的综合分析和实际应用，体现了物理知识最终要服务于生产和生活的理念.

教学目标

1.通过生活中的实例，知道有用功、总功、额外功及它们之间的关系，并会辨析使用机械时的有用功、额外功和总功.

2.理解机械效率的概念.知道机械效率的计算公式，会计算动滑轮的机械效率.

3.知道机械效率的物理意义，知道实际的机械效率不可能是100%.

4.知道提高机械效率的实际意义和方法，有合理改进机械、提高效率的意识.

教学重难点1.教学重点：

（1）知道有用功、总功、额外功及它们之间的关系，能分析生活实例中的三种功.

（2）理解机械效率的概念.知道机械效率的计算公式，会计算动滑轮的机械效率.

2.教学难点：机械效率的物理意义及提高机械效率的实际意义和方法.

【学情分析】

学生在本节前学习了滑轮、杠杆、斜面等一些简单机械，知道这些机械使用过程中的特点，为本节内容的学习做好了铺垫.学生还学习了功的概念，会分析力做功，知道机械功的概念和计算方法，也了解了功的原理，这些都为学习机械效率奠定了知识基础.

另一方面，虽然工作、生活、学习中“效率”一词经常被提及，但学生对效率概念的理解是模糊的，非理性的.而且由于机械效率概念涉及到“总功”、“有用功”、“额外功”等概念，而功的概念本身又比较抽象，因而要区分并理解这些概念，对初中生来说，有一定的难度.要能轻松自如地解决有关机械效率的问题，关键是真正弄清有关概念，并能正确地加以区分，所以本教学设计以及实际教学中在有用功、额外功、总功的概念理解上花的时间比较多.

【教学过程】

1 问题情境

情境1：小明家新买了一套二楼的房子，装修的时候工人要把沙子运到楼上.今天我们在教室里模拟一下，有两堆同样重的沙子，分别装在一个轻质塑料桶和一个较重的铁桶里.有哪位同学愿意上来尝试把这两桶沙子提到桌面上吗？

学生上来搬运沙子.

师：能谈谈你两次搬沙子的感受吗？

生1：铁桶很重、很费劲.

（此处设计意图为创设情境，从生活中的实际问题引入课题，激发学生学习动机，同时活跃了课堂气氛.）

问题1：在搬沙子的过程中，该同学前后两次对沙子做的功和实际做的功一样多吗？为什么？

生2：对沙子做的功一样多，因为沙子重和被提升高度都相同.实际做的功不一样多，因为还要对桶做功.

情境2：PPT展示图片：同学背书包上楼

师：同学背书包上楼的过程中实际做的功和对书包做的功一样多吗？

生3：不一样.同学还要克服自身重力做功.

（通过搬沙子和背书包上楼两个情景，分析搬运过程中所做的功，学生感受到实际做的功和对物体做的功不一样多，进而引入有用功、额外功、总功的概念）

2 建构教学

2.1 有用功、额外功、总功

师：刚才的两个实例中我们的目的分别是把沙子和书包搬到高处，因此对沙子、书包做的功就叫做有用功.但在提沙子的同时，我们还不得不对桶或者人做功，但这个功又不是我们需要的，我们就把对桶做的功叫做额外功.而我们实际做的功就叫做总功.（板书：一、有用功（W有用）、额外功（W额）、总功（W总））那么总功与有用功、额外功之间有什么关系？

生4：W总=W有用+W额

问题2：生活中有很多需要把物体搬运到高处的情景，请大家分析一下，有用功和额外功分别是对谁做的功？总功是哪个力做的功？为什么？

情境3：物理老师用器材篮把实验器材提上楼.

情境4：校园里，工人使用定滑轮把池塘底的淤泥提到岸上.

情境5：建筑工地上，工人使用动滑轮提升沙子到某一高度.

生5：老师提实验器材上楼时，对实验器材做的功是有用功，对器材篮和自己做的功是额外功.

生6：工人使用定滑轮把池塘底的淤泥提到岸上时，对淤泥做的功是有用功，对推车和克服摩擦做的功是额外功.拉力做的功是总功.

生7：工人使用动滑轮提升沙子到某一高度时，对沙子做的功是有用功，对动滑轮、口袋和克服摩擦做的功是额外功.拉力做功是总功.

（此处再提供三个学生能看到的、贴近生活的真实情境，通过分析这些具体实例，明确使用定滑轮、动滑轮等机械提升物体时所做的有用功、额外功及总功分别是什么）

问题3：如果我们使用动滑轮把重为G的物体提高h高度，作用在绳子自由端的拉力为F，绳端移动的距离为s，请问有用功和总功分别怎么表示？

生8：W有用=Gh W总=Fs

（此处让学生用公式表示有用功、总功，使学生的认识从定性逐渐过渡到定量，更加深入，为下面的学习做好铺垫）

情境6：有两种动滑轮，一个很大很重，一个较小较轻.如果使用它们分别提升1N的钩码升高相同的高度，你选择哪一个？可以上来试试.

（此处再次创设情境，用两轻重对比鲜明的动滑轮提升相同的重物给学生选择，强烈的对比给学生视觉上的冲击，激发学生的兴趣和好奇心.）

师：从有用功、额外功和总功的角度来说，你为什么选择这个轻的？

生9：因为提升相同的重物到相同的高度，有用功是一样的.但提升轻的物体所做的额外功较少，总功较少.

师：谢谢你.你刚才体验过了，但其他同学没有体验到，怎样向大家证实你的感觉是否可靠的？

生9：可以做实验测出有用功和总功，然后进行比较.

（学生通过体验选择了轻的物体，再引导到用实证测量的方式分别测出有用功、总功进行比较）

问题4：要测出有用功和总功需要测哪些物理量呢？用什么测量工具？

次数钩码重G/N钩码上升高度h/m拉力F/NF移动的距离s/m有用功W有用/J总功W总/J

11

21

生10：要测物重G和物体上升的高度h，拉力F和绳端移动的距离s；需要的测量工具有：弹簧测力计、刻度尺.

师：老师已经在直尺上每隔10cm做了标记，绳子的自由端和物体的上端也做了标记.请大家注意观察弹簧测力计的示数，同时记下h和s（老师演示、分别测量两个滑轮提升物体时的 W有用、W总，学生观察、记录数据，共同完成表格）

师：现在我们有了实验数据，一起来分析数据看看刚才那位同学的感觉是否可靠？

（学生计算后发现确实有用功相同，轻的总功更少.也就是有用功占总功的比值越大的越好.至此，机械效率的概念已经呼之欲出了）

师：有用功相同时，总功越小的滑轮越好.也就是有用功占总功的比值越大的越好.那么，在物理学中，我们就用机械效率这个指标来反映出机械这种做功性能的好坏.

2.2 机械效率

师：在物理学中，把有用功与总功的比值定义为机械效率.（板书：二、机械效率1.定义：有用功和总功的比值；2.公式： η=W有W总×100%）

问题5：机械效率有单位吗？某机械工作时的机械效率为80%的物理意义是什么？

生11：机械效率没有单位，因为有用功和总功的单位都是J，可以约掉.

生12：表示该机械工作时，有用功占总功的80%.（板书：3.物理意义）

师：请你算一算，刚才两个动滑轮提升钩码时的机械效率.（板书：第一次实验效率的计算过程）现在我们回过头来看看刚才的选择，其实就是选了一个什么样的机械？

生13：选了机械效率高的.

2.3 提高机械效率的方法

师：看来我们生活中的很多选择背后都是有着它的科学依据的.有用功相同时，额外功越少，或者总功越少的机械效率就越高.大家有没有发现一种提高机械效率的方法？

（此处设计的意图是把物理知识与生活结合起来，让学生感受到物理是有用的.）

生14：减少额外功.

师：有哪些具体的办法？

生15：减小动滑轮自重，或者减小摩擦.

师：如果同一个机械，即额外功一定，还有没有其他的办法可以提高机械效率？

生16：减小物体的质量.

（公开课的时候在此出现了一个意想不到的情况，学生回答减小物体的质量可以提高机械效率，这个答案之前从没有遇到，也完全没有预设，笔者冷静下来后，想到用实验来验证这一猜想.）

师：我们一起再用实验验证一下这个办法行不行吧.（教师实验演示，使用较小较轻的动滑轮，物重减小到0.5N，分别测出W有用、W总，学生观察实验、记录数据、计算后进行比较.）

（再次通过实验测量机械效率，强化效率的计算同时用实验数据验证猜想）

生17：同一个滑轮组，被提升的物重越小，机械效率越低.

师：怎么样做可以提高动滑轮的机械效率？

生17：增加被提升的物体重.

（板书：三、提高机械效率的方法：1.减少额外功；2.增大有用功）

师：刚才我们提到，要搬沙子除了可以使用动滑轮，还可以使用其他的简单机械，下面我们一起看看这位牛人用了什么机械？（视频：如此提沙子）

（此处设计活跃气氛，将课堂气氛推向高潮）

师：定滑轮可以提升重物，但这位牛人的做法既不安全也不科学，大家不要模仿.使用定滑轮时的机械效率有多高？请大家根据这些数据计算一下.

3 巩固练习（略）

4 回顾反思

本节课从生活实例出发，通过身边一些具体生动的做功实例，让学生感受到人在使用机械做功时实际做的功总是大于直接对物体做的功.通过用两个质量反差很大的动滑轮提升同样的重物的情景给学生强烈的视觉冲击，同时引发学生的思考.使学生初步形成了“有用功相同，总功（额外功）越少越好”的这样一种感性认识，再通过实证测量的方式证实这一猜想，从感性认识上升到理性认识，并且水到渠成地引入了机械效率的概念.在此基础上提出了提高机械效率的方法，体现了从生活到物理，从物理到社会的理念.

4.1 物理概念的教学要充分创设情境

利用生活实例，使学生的认识从感性上升到理性机械效率的概念非常抽象，为了让学生体会到这个物理量的含义，最初的教学设计是按照教科书上的流程，通过“再探动滑轮”的活动，让学生体会什么是有用功，什么是总功，通过比较有用功和总功的大小，认识机械效率的物理意义.但试讲后发现学生不能明白实验的目的所在，即为何要“再探”动滑轮.而且对测量之后数据的分析和处理对于刚上初三的学生来说非常复杂、抽象，学生理解上比较困难，在数据基础上得出的机械效率的概念也很难被学生理解和掌握.

后经过研讨，将教学设计改进为先创设情境，呈现大量生动的、贴近学生生活的一些做功的实例，如搬沙子、背书包上楼等，让学生感受到人在做功时有些功是对人们有用的，有些功是“无用的”，是人们不需要又不得不做的.然后创设使用定滑轮提池底的淤泥，使用动滑轮提沙子等情境，过渡到使用机械做功时，同样有有用功和额外功之分.在此基础上再创设情境，用两个体积和自重相差很大的滑轮提升同样的重物，视觉上的强烈冲击激发了学生思维上的火花，通过让学生选择滑轮、上台体验、阐述道理层层深入，学生自然而然得到了“在有用功一定的情况下，总功（额外功）少的机械好”的结论，至此，机械效率的概念就呼之欲出了.由此可见，在物理概念的教学，特别是抽象的物理概念的教学过程中，教师一定要创设大量的结合学生生活实际的情境，最好是学生能体验的情境，让学生在足够的实例中去体会、去感悟，学生在活动中的体验、思考后自己总结或归纳出的结论会印象深刻.

4.2 提好问题是教学设计的着力点

提问在课堂教学中有着举足轻重的地位，课堂提问是教师与学生沟通的主要渠道，也是引发学生思维和实践的关键因素.教师恰到好处的提问，不仅能激发学生强烈的求知欲，还能促进知识内化，因此课堂提问必须具备启发性.教师在进行教学设计时，应针对具体的课堂做好相应的准备，这包括提问的目的，提问的内容，提问的对象，提问所用的语言，预测可能出现并拟定解决方案等等.课堂所提问题要难易适中，适合学生的认知水平，只有难度适宜，问题的提出才有意义.教师提出一个问题后，要留足够的时间让学生思考；当学生回答问题后，要留时间给其他学生消化；当师生得到问题的答案之后，要留时间给学生理解和判断问题的答案.在问题的引领下，教师能够帮助学生经过观察、分析、概括、归纳、反思等活动，感受知识内容与思想方法，从而培养学生的物理思维.