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12.4 跨学科实践：自行车 教学设计
课题 12.4 跨学科实践：自行车 单元 第十二章 机械能 学科 物理 年级 8
教材内容分析 本节课程是一门跨学科的实践课程，旨在通过深入探讨自行车的结构组成及其工作原理，将物理学科中的简单机械理论、力学原理以及材料学知识有机地结合起来。通过这样的教学方式，我们不仅能够培养学生细致的观察力和动手实践能力，还能够锻炼他们将不同学科知识进行整合的能力。此外，本课程还特别强调将物理知识与日常生活紧密结合的理念，帮助学生理解物理学科在现实世界中的应用价值，从而激发他们对科学探索的热情和兴趣。
2022新课标要求 经历跨学科实践活动，综合运用多学科知识解决实际问题，体会科学、技术、社会的联系。教学中以自行车为载体，引导学生从物理视角分析车把的轮轴原理、刹车的杠杆应用及轮胎摩擦力等知识，同时结合材料学认知车架铝合金的轻量化与轮胎橡胶的弹性，渗透工程学中车架三角形结构的稳定性设计。通过拆装刹车系统、调试轮组等实践任务，学生需整合多学科知识解决制动灵敏度调整、辐条受力分析等实际问题，在 “观察结构 — 分析原理 — 实践调试” 的过程中，理解科学原理如何转化为技术应用，并通过对比不同车型设计（如山地车与公路车），体会技术发展与社会需求、使用场景的关联，强化科学知识在现实中的应用价值，培养跨学科思维与社会责任感。
学习目标与核心素养 物理观念：
1. 识别自行车中的杠杆、轮轴、斜面等简单机械；
2. 理解轮胎花纹、车架设计等中的力学原理。
科学思维：
通过结构分析，建立 “功能 — 结构 — 原理” 的物理模型。
科学探究：
经历自行车拆装与调试过程，提升动手能力与问题解决能力。
科学态度与责任：
感受跨学科知识的应用价值，激发创新与实践兴趣。
学情分析 学生们虽然对自行车的结构有一定程度的了解，但是他们对于自行车背后的物理原理缺乏深入和系统的认识。为了帮助他们更好地理解这些原理，我们需要设计一系列的实践操作活动和问题引导环节。通过这些活动，学生们可以将他们在日常生活中积累的经验转化为科学知识。这样的过程不仅能够加深他们对自行车结构和物理原理的理解，还能够培养他们的跨学科思维能力，使他们能够将不同领域的知识融会贯通。
重点 1. 自行车关键部件的简单机械识别与原理分析；
2. 拆装实践中理解结构与功能的关系。
难点 跨学科知识的综合应用（如力学、材料学、人体工程学的结合）。
材料准备 多媒体课件、自行车实物（或拆解模型）、工具套装（螺丝刀、扳手等）、记录表格
教学过程
教学环节 教师活动 学生活动 设计意图
导入新课 展示不同类型自行车图片（山地车、公路车、折叠车），提问：
“为什么自行车能成为最普及的人力机械？它蕴含了哪些科学原理？” 观察图片，结合生活经验列举自行车的功能特点（如省力、便捷、灵活）。 从生活场景切入，激发学生对自行车结构与原理的探究兴趣，明确跨学科实践的主题。
讲授新课 一、自行车结构系统认知1. 展示自行车实物，用不同颜色标签标注五大功能系统： 支撑系统（车架）、轮组系统（车轮、车轴、辐条）、 传动系统（脚踏、链条、齿轮）、 操控系统（车把、刹车把手）、舒适系统（车座、避震前叉）2. 引导观察车架三角形结构，提问： “为何车架管材多为空心铝合金？” （对比实心钢材，讲解轻量化与强度的平衡原理）3. 分发轮胎样品，组织触摸观察： 外胎凹凸花纹的深度、内胎橡胶的弹性特点
二、物理原理与机械应用分析1. 简单机械原理讲解 车把与轮轴：演示车把转动如何带动前叉转向，类比方向盘原理，说明轮轴省力机制（半径差放大操控力） 刹车系统与杠杆：操作手刹，分解 “握把施力→刹车线传动→刹车片挤压轮圈” 的杠杆路径，强调支点位置对力臂的影响 齿轮传动与斜面：转动脚踏，观察大小齿轮转速差异，讲解齿轮齿形的斜面原理（通过啮合传递力矩）2. 力学现象深度解析 - 提问互动： “骑行时，后轮摩擦力方向为何向前？” （结合牛顿第三定律，分析车轮与地面的相互作用） “车座弹簧如何减少颠簸感？” （用弹性势能转化解释减震原理）
三、实践拆解与原理验证1. 分组实践任务 A 组：刹车系统拆解与调试 工具：螺丝刀、扳手 步骤： ① 松开刹车夹器固定螺丝 ② 观察刹车片磨损程度 ③ 调节刹车线张力螺母 ④ 测试制动距离变化 B 组：轮组结构分析 任务：测量辐条张力，比较不同位置辐条的受力差异，探讨圆形车轮减少滚动摩擦的原理2. 引导性提问 - “如何通过调整刹车线提升制动灵敏度？” - “山地车宽胎与公路车细胎的设计依据是什么？”（摩擦力与地形适应性） 跟随标注指认各系统位置，记录关键部件名称对比金属管材截面，理解材料特性与功能的关系通过触觉感知轮胎材质，联想骑行中的抓地力表现
观察车把转向过程，用轮轴公式分析省力倍数绘制刹车杠杆示意图，标注动力臂与阻力臂分组讨论齿轮大小与骑行速度的关系，推导 “大齿轮省力、小齿轮增速” 的结论
动手拆解部件，用手机拍摄关键步骤记录调试前后的刹车手感变化用张力计测量辐条拉力，绘制受力分布图对比不同车型轮胎，分析设计差异的物理逻辑 从整体结构切入，建立 “系统 - 部件 - 功能” 的认知框架，渗透材料科学与工程设计思维
通过 “观察 - 建模 - 推理” 流程，将机械原理与力学知识结合，培养科学思维能力通过实践操作深化对理论知识的理解，培养问题解决能力与跨学科应用意识
课堂练习 1.机械以各种不同的形式展现在生活中，成为生活中不可或缺的部分，如图是自行车结构图，关于自行车机械的应用，正确的是( )A.螺丝和螺帽：斜面类螺旋简单机械，费距离B.脚踏板：属于等臂杠杆C.刹车控制器：属于杠杆，能省距离D.车龙头：属于轮轴，控制自行车的方向并节省距离2.写出以下自行车的结构属于什么机械，有什么样的作用。（1）刹车把手属于 ，起到的作用是 。（2）车把属于 ，起到的作用是 。（3）脚蹬、曲中柄与齿盘的组合属于 ，起到的作用是 。（4）飞轮与后轮的组合组合属于 ，起到的作用是 。3.观察自行车的轮胎，制作轮胎的材料是 ，请你写出一条这种材料的有点 ，自行车轮胎有花纹的原因是 。4.在自行车的传动系统中，有两组轮轴，一组是省力轮轴，包括的结构有 ，另一组是 轮轴，包括的结构有飞轮和后轮。5.简答：自行车的哪些设计增强了舒适性？请你列举一例，并进行解释。
课堂小结 1. 机械类型：杠杆、轮轴、斜面在自行车中的应用；
2. 力学原理：摩擦、压强、稳定性的设计体现；
3. 实践收获：拆装过程中对结构的新认识。
板书 12.4 跨学科实践：自行车
1. 结构系统：支撑 / 轮组 / 变速 / 刹车 / 避震
2. 简单机械：
杠杆：刹车把手、曲中柄
轮轴：车轮、车把、踏板
斜面：变速齿轮
3. 力学应用：
摩擦：轮胎花纹、刹车设计
压强：马鞍型车座
稳定：三角形车架
课外拓展/课外阅读内容 本次主题征文的题目为“未来自行车设计”，要求参赛者充分发挥想象力，将仿生学原理或新材料技术应用到自行车的设计之中。例如，可以考虑设计一个具有弹性车架的自行车，这种车架能够更好地吸收路面的冲击，提供更加舒适的骑行体验。同时，也可以探索智能变速系统的可能性，让自行车的变速过程更加智能化，以适应不同的骑行环境和速度需求。在家庭实践方面，我们鼓励孩子们与家长一起合作，共同完成对自行车的保养工作。这不仅能够增进家庭成员之间的互动，还能让孩子们学习到实用的技能。保养自行车的步骤包括但不限于链条的润滑处理，以确保链条的顺畅运转，以及轮胎的充气，保持轮胎的适宜气压，确保骑行的安全性和舒适性。记录下保养的每一步骤，不仅有助于培养孩子们的观察力和记录习惯，还能为今后的保养工作提供参考。
特色资源分析和技术手段说明 视频资源：我们提供了一部关于自行车发展史的精彩纪录片，这部纪录片详细展示了自行车从古老的“木马轮”时代，一直到现代变速自行车的技术演进过程。观众可以通过这部纪录片，了解到自行车技术是如何随着时间的推移而不断进步和完善的。此外，我们还提供了一个名为“自行车结构模拟器”的在线3D拆解工具。这个工具允许用户从多个不同的角度观察自行车内部的机械结构，从而更深入地理解自行车的工作原理。用户可以在这个模拟器中拆解自行车，查看每一个零件的细节，甚至可以模拟自行车在不同条件下的运行情况。
教学反思 在教育过程中，我们应特别关注学生在实际操作中的参与程度以及他们如何将跨学科的知识应用到实践中去。例如，观察学生是否能够将力学的基本原理与机械部件的设计巧妙地结合起来，以实现更高效和创新的解决方案。此外，为了进一步提高学生的问题解决能力，可以在课程中引入更多实际操作任务，比如“故障排查”环节。通过这样的实践，学生可以学习如何分析和解决具体问题，例如对自行车出现的异响进行详细分析，找出问题的根源，并提出有效的解决办法。这样的活动不仅能够锻炼学生的动手能力，还能增强他们对理论知识的理解和应用。
21世纪教育网 www.21cnjy.com 精品试卷·第 2 页 （共 2 页）
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