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跨学科实践“制作‘龙骨水车’模型”（教学设计）

一、引言

在当今科技迅速发展的时代，跨学科教育已成为培养学生综合素养和创新能力的重要途径。物理作为自然科学的基础学科，不仅承载着传授知识的重任，更应成为培养学生实践能力和跨学科思维的桥梁。

“制作‘龙骨水车’模型”这一初中物理跨学科实践活动，旨在通过动手制作与物理原理相结合的方式，激发学生的学习兴趣，加深对力学、能量转换等物理概念的理解。龙骨水车，作为古代农业灌溉的重要工具，其巧妙的设计蕴含了丰富的物理原理，如杠杆原理、轮轴传动、水的重力势能与动能转换等。通过亲手制作模型，学生不仅能够直观地观察到这些物理现象，还能在实践中体会到物理知识的应用价值。

本教学设计将引导学生从了解龙骨水车的历史背景和工作原理开始，进而通过团队合作，设计并制作出能够实际运转的龙骨水车模型。在此过程中，学生将综合运用物理知识、数学计算、工程技术和创新思维，解决制作过程中遇到的实际问题。同时，通过跨学科的学习，学生还能拓宽视野，增强跨学科整合能力，为未来的学习和生活打下坚实的基础。

二、教学目标

1．物理观念

理解物理概念：通过制作龙骨水车模型，学生能够深入理解杠杆原理、能量转换（如重力势能转化为动能）等物理概念。

应用物理规律：学生能够运用所学的物理规律，解释龙骨水车的工作原理，以及各部分结构如何协同工作以实现灌溉功能。?

2．科学思维

模型构建与推理：学生需通过构建龙骨水车模型，运用科学推理方法，分析并解决制作过程中遇到的问题。

批判性思维：鼓励学生对龙骨水车的设计提出改进意见，培养批判性思维和创新精神。

3．科学探究

实验设计与操作：学生能够设计并实施实验，以验证龙骨水车模型的性能，如提水效率、稳定性等。

数据分析：通过收集和分析实验数据，学生能够得出科学结论，并评估模型的优劣。

4．科学态度与责任

科学精神：培养学生严谨求实的科学态度，尊重事实，勇于探索未知。

社会责任感：通过了解龙骨水车在古代农业灌溉中的重要作用，学生能够认识到科技进步对社会发展的贡献，增强社会责任感。

5．跨学科整合能力

多学科知识融合：在制作龙骨水车模型的过程中，学生需融合物理、数学、工程技术等多学科知识，提升跨学科整合能力。

创新与实践：鼓励学生发挥创造力，将所学知识应用于实际问题解决中，培养创新精神和实践能力。

三、教学准备

基础材料：

木材：用于制作车架、龙骨、水车叶片等部件，建议选择轻质且易加工的木材，如松木或桐木。

铁管或竹签：用于制作水车轴，确保轴心平行且能自由旋转。

胶水：用于固定各个部件，建议选择防水且粘性强的胶水。

测量工具：如尺子、量角器等，用于精确测量和标记尺寸。

切割工具：如锯子、砂纸等，用于木材的切割和打磨。

辅助材料：

设计图纸：提前绘制好龙骨水车的设计图纸，包括各部件的尺寸、比例和组装方式。

教学PPT：制作包含龙骨水车历史背景、工作原理、制作步骤等内容的PPT，用于课堂教学。

实验报告模板：为学生提供实验报告模板，引导他们记录实验过程、数据分析和心得体会。

教学设备准备：

工作台：为学生提供一个宽敞、稳固的工作台，便于他们进行木材的切割、组装和调试。

安全装备：如护目镜、手套等，确保学生在使用切割工具时的安全。

演示设备：如投影仪、电脑等，用于展示设计图纸、教学PPT和实验报告。

四、教学过程

1．导入与理论讲解（约15分钟）

情境创设与引入：

通过展示龙骨水车的图片或视频，介绍其历史背景和在农业灌溉中的重要性，激发学生的学习兴趣。

物理原理讲解：

讲解龙骨水车的工作原理，涉及杠杆原理、能量转换（如重力势能转化为动能）等物理概念。

龙骨水车，又称翻车、踏车，是一种历史悠久的提水灌溉工具，其工作原理巧妙地结合了杠杆原理、能量转换等多个物理概念。下面我们来详细解析其工作原理：

1.基本构造

龙骨水车主要由车槽（或称为水槽）、龙骨（支撑结构）、链条（或绳索）、踏板以及水轮等组成。车槽通常呈长方形，固定在龙骨上，用于盛水；龙骨则作为整个水车的骨架，支撑起整个结构；链条或绳索连接着踏板和水轮，通过人力踩动踏板来驱动水轮转动；水轮则带动链条或绳索以及与之相连的车槽循环运动，从而实现提水功能。

2.杠杆原理

在龙骨水车中，杠杆原理的应用主要体现在踏板和链条（或绳索）的连接上。当人力踩下踏板时，踏板作为杠杆的一端，通过链条（或绳索）传递到水轮上，形成力矩，使水轮开始转动。这个过程中，踏板的长度、链条（或绳索）的拉力以及水轮的转动半径都构成了杠杆系统的关键要素，通过合理的设计，可以实现较小的输入力（人力）驱动较大的输出力（水轮的转动）。

3.能量转换

龙骨水车的工作过程中涉及多种能量形式的转换：

?人力转化为机械能?：当人们踩动踏板时，人体内的化学能被转化为机械能，驱动踏板和水轮运动。

?重