【案例背景】

      随着时代的快速发展，教育领域正经历着前所未有的变革。新课标强调培养学生的综合素质和创新能力，而跨学科教学正是实现这一目标的重要途径。物理学作为自然科学的基础学科，在跨学科教学中扮演着举足轻重的角色。它不仅为学生提供了基本的科学原理和方法，还与其他学科产生了深入的交叉和融合，为学生提供了广阔的学习视野和实践空间。

      在这个背景下，我们以起重机作为跨学科教学的媒介，将其与初中物理教学相结合，进行了一系列的教学实践探索。起重机作为现代工程实践中不可或缺的重要设备，其构造、使用和维护涉及到了多个学科的知识和技能。选择起重机作为教学素材，不仅是因为它在实际工程中的广泛应用，更是因为它的工作原理和运行过程与物理学中的许多概念和原理紧密相连。

      以起重机为媒介进行跨学科物理教学，具有时代性。在当前社会，科技发展日新月异，工程实践对于物理学的需求也越来越迫切。通过将物理学与工程实践相结合，我们可以使学生更好地了解物理学在实际工程中的应用价值，激发他们对物理学的兴趣和热爱。同时，这种教学方式也能够帮助学生更好地适应未来社会的发展需求，提高他们的综合素质和创新能力。

      以起重机为媒介进行跨学科物理教学具有新颖性。传统的物理教学往往侧重于理论知识的传授，缺乏与实际应用的结合。而以起重机为媒介的教学方式，通过将物理知识与工程实践相结合，使学生能够在实践中学习和掌握物理知识，使学习变得更加生动有趣。这种教学方式不仅能够提高学生的学习兴趣和积极性，还能够培养他们的实践能力和创新意识。

       最后，以起重机为媒介进行跨学科物理教学具有实践意义。起重机作为一个复杂的系统，其工作原理和运行过程涉及到了力学、材料学、控制学等多个学科的知识。通过以起重机为媒介进行跨学科教学，我们可以使学生了解到不同学科之间的联系和交叉，培养他们的跨学科思维和综合能力。同时，这种教学方式还能够使学生更加深入地理解物理学的基本概念和原理，并能够将其应用于实际问题的解决中。

      综上，以起重机为媒介进行跨学科物理教学具有时代性、新颖性和实践意义。通过这种教学方式，我们可以使学生更好地了解物理学在实际工程中的应用价值，提高他们的学习兴趣和积极性，培养他们的实践能力和创新意识。这一教学方式还能够为教育改革提供有益的探索和经验，推动物理教学的创新与发展。

【教学片段1：创设情景，提出问题】

教师：各位同学，物理组自制的起重机大家之前已经见过了（如图1），它都有哪些简单机械构成来着？

学生：杠杆、滑轮（滑轮组）

很好，之前我们也用它来模拟提升过重物，

教师：那么我们在提升重物时使用起重机有什么好处呢？谁来说说

学生：学生：可以省力

教师：那么省力的话是不是意味着就可以少干活，可以省功，从而“事半功倍”呢？

学生思考反馈

【设计意图】

      利用自制起重机提升重物这样一个场景，结合之前所学提出问题，引导学生思考分析，让学生置身于真实的场景之中，激发学生的学习兴趣和培养学生们的分析能力。

【教学片段2：教师展示，初步探索】

教师：我看到有点头有摇头的，带着这个疑问，咱们不妨动手测测。

      我们使用起重机提升重物，将重为G的物体提升高度为h，在这需要做功W1，人需要在绳端用的拉力F，绳端移动距离为s，所做的功为W2，W2真的会比W1少么？怎么知道W1、W2分别都是多少呢？需要测量哪些物理量？

学生：需要测量重力G和物体上升高度h，W1=Gh，测量绳端拉力F移动距离s，W2=Fs。

教师：也就是说利用W1=Gh，W2=Fs

教师：接下来我们认识一下实验器材，有待提升的重物，有电子测力计可以用来测量力的大小，电子测力计这个位置有单位标识，注意如单位指示的不对需要把单位调整至N，另外，测力计带清零的功能，使用前在拉力的方向清零。我们先来测量一下物体的重力，测量物体重力时要保持物体静止拉力沿竖直方向，测得物体重力为51N，测量绳端拉力时，注意应该缓慢匀速拉动测力计，使物体匀速上升，越缓慢越容易控制匀速，物体上升高度可以用竖直直立的刻度尺测量，为方便计算和分析，我们设定要将桶装水提升20cm，这样如果需要将桶装水提升20cm需要做功10.2J，接下来的重点是测量绳端拉力和绳端移动距离了，接下来我们找一个同学配合我完成实验。

教师和学生完成演示实验（如图2），板书记录实验数据如下。

W2=Fs=34.9N×0.4m=13.96J

多做功3.76J

W1=Gh=51N×0.2m=10.2J

【设计意图】

      结合自制起重机，实验初步探索使用起重机滑轮组是否省功，在实验中需要分析是否省功需要和谁对比分析，从而培养学生设计实验方案能力，观察能力，让他们能够细致地留意实验中的各种现象和细节，这是深入探究的基础。

【教学片段3：学生实验，多方探索】

教师：但同学们，我有一个问题，咱们仅凭一次实验去说明这个结论是否充分呢？

学生：不充分。

教师：所以我们应该怎么办？

学生：多次实验寻找普遍规律。

教师：老师提前给大家准备好了大小不同的滑轮和重物（如图3），那么接下来就请各小组的同学，按照老师的这个滑轮组的组装方式组装实验器材并进行实验，记录实验数据及进行分析汇报。

学生进行分组实验

教师：请第1小组和第5小组汇报实验数据，并针对于实验数据进行分析使用滑轮组是否省功。

W2=Fs=34.9N×0.4m=13.96J 39.2N×0.4m=15.68J  24.3N×0.4m=9.72J

多做功3.76J            多做功5.48J         多做功3.52J

W1=Gh=51N×0.2m=10.2J    51N×0.2m=10.2J   31N×0.2m=6.2J

      汇报实验数据如上，其中第1小组提升的重物与教师实验一致，但动滑轮更重；第5小组使用的的动滑轮与教师实验一致，但重物更轻。由实验数据，各小组同学得出实验结论，使用滑轮组不省功。

【设计意图】

      实验使用高支架及实际生活生产中用到的大滑轮，让学生们通过实验切实的感受到机械自重等因素的存在。通过实验的实操，培养学生动手操作能力，团队协作能力，数据分析能力，通过这些能力的培养，逐渐促进学生的高阶思维发展，能够根据实验数据进行创造性的思考，提出新的假设和解决方案；能够在团队协作中展现出良好的问题解决能力，协调不同意见以推动实验进展；还能够将实验中获得的经验和知识进行迁移，应用到其他类似的情境中，培养学生的迁移能力。

【教学片段4：分讨讨论，数据原因】

教师：各位同学，根据大家的实验数据汇报结果，我们分析发现了使用滑轮组不省功，而且不仅没有省功，反而比直接提升重物多做了一些功，请各小组同学分析讨论，这是为什么，多出来的功从何而来呢？下面给各小组1分钟时间讨论。

教师：接下来，请第3小组汇报你们分析的原因。

第3小组：当我们提升重物的时候，动滑轮也随之上升了一段高度，所以由于克服动滑轮重力，我们多做了一些功。

教师：很好，由此看来我们确实是多做了一些功，多干了一些活。其它小组还有补充么，还有没有其它原因？

第2小组：还有滑轮转动的时候中间的轴与滑轮之间产生摩擦，这样也使我们多做了一些功。

教师：很好，看来由于在运动时，机械之间有摩擦，也会使我们多做一些功。除此之外，大家看还有多做的功么？在重物和动滑轮被提升的同时，还有没有被提升的物体呢？

学生：绳子也随之上升了。

教师：那么请问同学们，在刚刚提升重物的过程中，我们的目的是提升谁？是重物、滑轮还是绳子？

学生：重物

教师：对的，那W1和W2哪一个是我们的目的？

学生：W1

教师：这部分功是我们的目的，对我们来说是有用还是没用？

学生：有用的。

教师：对的，这部分是我们想做的功，对我们来说是有用的，也是我们必须要做的功，我们称之为有用功。是我们为达目的，必须做的功，也就是我们刚才算出来的W1。而通过测量和分析，在刚刚使用滑轮组提升重物的过程中，不仅没有省功，反而由于动滑轮重、摩擦等因素多做了一些功，这部分功是不是我们的目的呢？

学生：不是。

教师：像这样的不是我们的目的，但是又不得不做的功，我们称之为额外功。在使用机械的过程中，不管是有用功还是额外功，都是来自于人对机械做的功，我们称之为叫总功，也就是我们刚才计算出来的W2。三者之间的关系是W总=W有+W额

教师带着学生分析3组实验中的有用功、额外功、总功分别都是多少，并在板书上将物理量重新进行标注如下。

W总=Fs=34.9N×0.4m=13.96J  39.2N×0.4m=15.68J  24.3N×0.4m=9.72J

W额=3.76J                  5.48J            3.52J

W有=Gh=51N×0.2m=10.2J   51N×0.2m=10.2J  31N×0.2m=6.2J

【设计意图】

      学生通过小组讨论的方式，首先，锻炼了学生的分析思维和归纳思维。通过对多个实验数据的综合考量，结合小组讨论分析的成果，从具体的数据中归纳出普遍的特征和结论，进而总结出有用功、额外功和总功的概念。这使得学生能将这些概念迁移到其他相关的物理情境中，灵活运用解决新的问题；还能在面对复杂情况时，运用逻辑思维进行有条理的分析和判断，提出合理的解决方案。

【教学片段5：数据分析，讨论性能】

教师：接下来请各小组结合以上我们得到的几组数据进一步分析，在以上的三次做功的过程中，你们小组觉得哪次过程所用到的滑轮组性能最优？以及原因是什么？

分小组讨论。

第1小组：我们小组觉得第3组数据对应的滑轮组性能最优，因为第3组实验的数据中可以看到额外功是最少的。

教师：好的，那么他们组认为第3组额外功最少，所以滑轮组的性能最优。其它小组的结论呢，没有有什么不同的想法？

第2小组：我们小组认为第1组的实验滑轮组的性能最优，因为虽然刚才的小组提到第3组的额外功少，但是第3组的总功也最少，而第1组实验虽然额外功比第3组多，但是第1组总功也多，说明第1组是做个更多的有用功的情况下，额外功也多了一些，我们计算了一下额外功和有用功的比值，第1组这个比值更低，说明做了更多的有用功的情况下，额外功与有用功的比值低。

教师：很好，第2小组发现我们不只需要关注于额外功的多少，还需要关注于在做了多少有用功的前提下，那么我们发现第2小组利用了额外功和有用功的比值这个角度来去比较滑轮组使用时的性能，还有没有其它的角度可以比较出来这个性能？

第5小组：利用额外功比总功，如果这个比值越小，说明额外功占比越少，滑轮组性能越好。

第4小组：利用有用功比总功，如果这个比值越大，说明有用功占比越多，滑轮组性能越好。

教师：很好，那么我们来看其实这几种比值是不是都可以体现出滑轮组性能的优劣啊，但是在生活中我们通常习惯用有用的比上总的，比如我们学习的时候，我们想知道你学习的时候效率怎么样，应该用有用的时间比上总共用的时间去看你的学习效率高不高，来去比较学习效率如何，在使用机械时也是一样，我们将使用机械时所做的有用功跟总功的比值去反应机械做功的过程中性能的优劣，效率的高低，这一物理量称之为机械效率。

教师：我们来看机械效率的公式，分子为W有，分母为W总，对应的功单位都是J，这样的话单位与单位就约掉了，那么机械效率也是没有单位的，同时为了便于表示有用功占总功的比值这个概念，机械效率都用百分数来表示，表示有用功占总功的百分之多少。

教师：请问，机械效率有没有可能大于百分之百？你的理由是什么？

学生：不可能，因为一定存在额外功，有用功一定小于总功。

教师：好的，也就是说使用任何机械的效率都一定低于100%，那么我们来一起利用所学公式算算刚才几组实验数据对应的机械效率都是多少呢？

由数据算出三组的机械效率分别为73.1%，65.1%，63.8%。

【设计意图】

      一是让学生通过亲身体验和实践操作，更深入地理解物理概念。利用自制起重机滑轮组进行实验，能让学生直观感受到各种功的存在和相互关系，为引出机械效率概念打下坚实基础。二是培养学生的探究精神和科学思维。通过对比几次实验数据进行分析和讨论，激发学生主动探索和思考的欲望，学会运用科学方法去发现规律、解决问题。三是引导学生从具体现象到抽象概念的认知提升。从对具体实验数据的分析，逐步上升到对机械效率这一抽象概念的理解。

      通过这样的设计，能够培养学生以下几方面的能力：首先是实践操作能力，学生亲手组装和操作滑轮组，提升动手实践的技能。其次是数据分析能力，学会对实验数据进行准确记录、整理和分析，提取有价值的信息。再者是科学论证能力，在讨论过程中，能够用数据和事实来支持自己的观点，进行有理有据的论证。然后是合作交流能力，小组内的讨论交流有助于培养学生的团队合作意识和沟通表达能力。最后是知识迁移能力，在理解机械效率概念后，能够将其应用到其他相关的机械情境中，实现知识的迁移和拓展。

【教学片段6：大胆猜想，小心验证】

       教师：那老师之前查阅了资料，生产中使用的起重机的机械效率一般为40-50%，难道咱们自制的起重机如此先进，遥遥领先了？其实啊，我们刚才得到的只是滑轮组的机械效率，而不是整个起重机的机械效率，实际的起重机在工作时候还需要将吊臂抬升起来，像这样（演示起重机吊臂抬升），这就需要多做一些额外功。而我们刚才在做功时，只是用到了滑轮组这部分机械，所以计算出来的机械效率也比较高。但如果我们能提升滑轮组的机械效率，也确实能提升整个起重机的机械效率，那请问你觉得滑轮组的机械效率可能跟什么有关呢，而这样的猜想的原因又是什么呢？请同学们小组讨论，并在讨论结束后说明你们的结论。

学生讨论并进行汇报说明。

第1小组：我们小组的结论是滑轮组的机械效率可能与动滑轮重力有关，因为动滑轮越重，额外功越多。

教师：看来你们是从额外功的角度分析的，那么其实大家来看刚才咱们实验，你们小组做出的数据，发现了什么问题了么？

第1小组：我们组的实验，有用功跟您的有用功相等，因为用的重物重力相同，但是额外功更多一些。

教师：那能不能把你们组用的动滑轮展示给我们看一下呢？

第1小组拿出使用动滑轮与教师使用动滑轮对比。

教师：那大家发现了，确实第1小组的实验中用到的动滑轮更重，也使得他们的机械效率更低了一些。那除此之外，其它小组有补充么？

第5小组：结合我们组刚才的数据，我们发现，我们的我们使用的重物比老师您的重物要轻一些，求出来的机械效率也低一些，所以我们猜想滑轮组的机械效率还跟重物的重力有关，因为重物重力会影响有用功的大小，进而影响机械效率。

教师：说的太好了，第5小组结合之前的实验数据已经有了进一步的发现。那么大家刚才是结合哪些因素会影响额外功和有用功的角度，还有没有小组同学需要补充了？

第4小组：老师，我们认为滑轮组机械效率可能与绳重和摩擦还有关系，因为刚才提到了使用滑轮组的过程中，由于有绳重和摩擦的存在，使得产生了一些额外功。

教师：大家的猜想都是挺有道理的，那么今天课上时间有限，我们先针对于物重和动滑轮重两个影响因素进行实验分析，其他因素在实验后再探讨。咱们一共有5个小组，1、2小组今天的任务是探究物重对滑轮组机械效率的影响，3、4、5小组探究动滑轮重力对滑轮组机械效率的影响，那么下面给大家2分钟时间，各小组内部探讨如下的问题

1、结合要探究的问题（物重or动滑轮重），你们小组如何设计实验？

2、测量机械效率的原理是什么（公式）？

3、需要测量哪些物理量，使用的测量工具是什么？

4、记录实验数据的表格又应该怎么设计呢？（记录哪些物理量）

小组同学完成如上的问题，结合实验报告单，完成实验，记录实验数据并进行分析汇报。

学生结合实验数据，进行汇报说明，总结影响滑轮组机械效率的原因，小组之间的数据可以互相印证。

【设计意图】

      首先，通过让学生先猜想滑轮组机械效率的影响因素，激发学生的好奇心和求知欲，引导他们主动思考问题，培养科学探究的兴趣。其次，促使学生运用已有的物理知识和生活经验，进行逻辑推理和假设，锻炼了他们的思维能力和知识迁移能力。在分组实验验证猜想的过程中，培养学生的实验设计能力，让他们学会如何选择合适的实验器材、设计实验步骤和控制变量。锻炼学生的团队协作能力，小组成员需要分工合作，共同完成实验操作、数据记录和分析。同时，培养学生的实证精神，让他们明白科学结论需要通过实验验证，而不是仅凭主观臆断。通过整个过程，培养了学生动手操作能力，数据分析和处理能力，归纳总结能力，最终，使学生在科学探究的过程中，提高综合科学素养，培养严谨的科学态度和创新精神。

【教学片段7：结合实际，分析思考】

教师：好的，看来我们知道了重物重力和动滑轮重力对于滑轮组机械效率的影响了，像大家提到的绳子重，摩擦，虽然咱们没有做实验探究，但是从理论分析来看，他们是否会影响机械效率呢，又是如何影响的呢？

学生：有用功一定的情况下，绳子越重，额外功越多，机械效率越低；摩擦越大，额外功越多，机械效率越低。

教师：大家说的特别好哈，那结合大家的结论，我们通过发现想要提升机械的效率，无外乎在额外功一定的情况下想办法提升有用功，或者有用功一定的情况下减小额外功。那么各位同学，最后我们来布置2个思考题，下节课我们一起来讨论。

思考题1：如果让你设计一台新型的起重机，为了提高其机械效率，你会从哪些方面进行改进？请详细阐述你的设计思路。

思考题2：能源的有效利用与机械效率密切相关。想一想，提高机械效率对节约能源和环境保护有怎样的重要意义？

【设计意图】

      针对于思考题1，首先促使学生将所学的关于机械效率的概念、原理以及相关的物理知识，如力学、材料科学等，综合运用到实际的设计情境中，加深对知识的理解和掌握。其次，培养学生创新思维，鼓励学生突破传统思维，提出新颖的设计想法和改进方案，培养创新能力和解决实际问题的能力。再次，让学生体验从理论到实践的过程，培养工程设计的思维方式，包括考虑结构、材料、动力系统等多个方面的因素。最后，培养学生的系统分析能力，引导学生对起重机这一复杂系统进行全面的分析，理解各个部件和因素如何相互影响，从而提高系统的整体机械效率。

      针对于思考题2，首先是帮助学生深刻理解能源有效利用和机械效率之间的紧密联系，认识到机械效率不仅仅是一个物理概念，更是与现实能源和环境问题息息相关。其次是培养学生的社会责任感，使学生意识到提高机械效率对于节约能源和环境保护的重要性，从而培养他们的社会责任感和可持续发展的意识。最后，通过对这一问题的思考，让学生树立正确的价值观，即追求高效、节能、环保的技术和生产方式。

活动的成果的呈现和交流。

（1）成果展示：

      在课堂开始，由设问引入，激发学生的学习兴趣，后续的课堂环节的设计互为关联、层层递进，不断促进课堂活动的深入，进而促使授课内容逐步推进。由教师演示实验只有一次实验数据，实验结论不具有普遍性，引出学生分组实验，得到更多的实验数据，有学生实验数据分析得出使用滑轮组不省功的实验结论，并结合实验结论进一步分析得出有用功、额外功、总功的概念。而结合三种功和实验数据的进一步分析对比，得出机械效率的概念，并再次结合之前分组实验数据进行计算和分析，进一步猜想机械效率影响因素，进而设计实验进行验证。这样的设计实现了以下的教学成果：

①培养了学生的实践能力：学生分组实验获取更多数据，锻炼了他们的动手操作和团队协作能力。

②深化了学生对知识的理解：从实验现象得出使用滑轮组不省功的结论，再逐步推导到各种功的概念和机械效率的概念，使学生对物理原理有了更深入、系统的认识。

③培养了学生的科学思维：引导学生通过实验数据进行分析、推理和猜想，培养了他们的观察、归纳和逻辑推理能力。

④促进了师生之间和学生之间的交流：在实验过程中，教师与学生、学生与学生之间会有交流和讨论，有助于共同解决问题，分享思路和方法。

⑤提高了学生自主探究的能力：学生在整个学习过程中，从提出猜想、设计实验到验证结论，都体现了自主探究的精神和能力。

⑥增强了学生对科学方法的掌握：学生经历了提出问题、作出假设、设计实验、进行实验、分析数据、得出结论等科学探究的全过程，熟悉了科学研究的方法和步骤。

以下如图6、7为学生课上实验的情景和图8为学生需要完成的实验报告单。