齿轮传动系列创新实验教具的开发研究

广东省中山市三乡镇新圩小学(528463) 练海燕

一般的机械结构总是由许多零部件通过不同种类的结合部联结而成，而齿轮则是机械结构中的重要部件之一，利用齿轮制造的传动机械在生活、工业、国防等方面起着举足轻重的作用。《小学科学课程标准》要求小学生：①观察常见的传动装置，了解其作用；②通过探究知道齿轮传动的特点，并注意观察生活中的带传动和链传动。

目前在以“齿轮传动”为代表的常见的机械传动装置的教学中，存在一些问题。第一，尽管生活中普遍存在着齿轮传动装置，如闹钟、电脑光驱、汽车变速器、变速马达等，但是学生普遍没有细致地观察过这些齿轮传动装置，更别提拆开这些传动装置，观察其内部结构。第二，生活中普遍存在的这些齿轮传动装置并不能被直接应用于教学，一方面是因为这些齿轮传动装置普遍较小，实验演示效果不明显；另一方面是因为这些齿轮传动装置普遍较为复杂，在新授课的过程中难以被学生接受。

可见，目前关于传动装置的教具存在实验效果不直观、实验改装性差等问题。笔者自制了一系列齿轮传动教具，贴合一线教学，实现了系列化、直观化、多功能化、可拆卸等特点。结合齿轮传动的系列实验教具资源开发与运用，谈一谈笔者的几点思考。

1 齿轮传动的系列实验教具开发的意义

1.1 给予学生丰富的感性认识

观察和实验是科学探究产生和发展的基础，实验在科学教学中的作用自然不言而喻。针对齿轮传动中各类问题，提供丰富、直接的感性认识，适应学生的认知层次，有助于学生更加深刻的理解抽象科学概念。

1.2 激发学生探究学习的兴趣

科学以其丰富多彩的实验为培养学生的学习兴趣提供了条件。利用创新的教具创造有趣直观的科学现象，给予学生极大冲击力，能激起学生好奇心与求知欲望，让课堂生动而富有乐趣。在教学中融入现代机械技术，更能够让学生体会到现代技术与科学的发展息息相关，培养学生的科学探究和科学思考能力。

1.3 加强理论与实践的相结合

本文所述的创新教具原理清晰，操作简单安全，可让学生亲自动手操作，使学生在掌握教材内容的基础上，吸取实验经验和实际知识来充实自己对理论的理解，提高运用理论知识来解决实际问题的能力，从而掌握比较全面的知识体系。

1.4 提高了仪器的使用率，改善实验效果

利用本文创作的齿轮传动系列创新教具能够最大限度地在课堂上模拟齿轮传动的各类问题，密切贴合教学实际，现象明显，操作简单，而且实现了一物多用，极大地提高了教具的使用率，适用于多个教学内容，能让不同层次的学生挖掘出不同的科学知识。

2 齿轮传动实验原理

2.1 齿轮传动工作原理

当主动轮传动时，主动轮上的齿给从动轮上的齿一个力，这个力对从动轮的轴产生力矩，使从动轮转动(见图1)。

图1 齿轮传动工作原理图

2.2 齿轮传动改变转速原理

由传动比公式可以发现，相互啮合的两个齿轮能够根据齿数不同而获得不同的转速，齿数多的转速反而小。

常言道：“少年强，则国强。”作为祖国未来发展的强大的后备力量的职高女生们，她们是否拥有一个良好的体育素质，无论是对于孩子们自身的发展还是祖国未来的发展都是十分重要的。作为一名合格的职业高中的体育老师，我们应该加强对体育课堂的建设，扭转女生们的观念，创新体育课堂的教学模式，鼓励更多的少数民族女生们参与到体育锻炼中来，提升体育教学的质量。

2.3 齿轮传动改变转动方向原理

齿轮传动除了能改变转速大小，还能改变转动方向。平行轴传动中，若两轮外啮合，则能在同一平面内改变转动方向(如由顺时针变为逆时针)；齿轮齿条传动中，能将转动变为平动；相交轴、交错轴传动能在不同平面内改变转动方向。

3 自主开发的齿轮传动系列实验教具

3.1 实验教具装置图

实验教具装置图如图2～5所示。

图2 自制砂轮切割机模型

图3 多功能齿轮传动探究装置

图4 时钟模型

图5 修正带模型

3.2 实验教具特点及用途

3.2.1 自制电动砂轮片切割机模型

设计意图：为了模拟真实砂轮切割机的运作过程，引出通过齿轮能提高转速的作用，创新设计了一组由同一个电机驱动的两台自制砂轮切割机，可以实现以下两方面的作用：

(1)用途一：导入新课

一台切割机的砂轮片a直接由电机带动；而另一台切割机的砂轮片b安装在滑动轨道上，通过滑动轨道可以将电机驱动的大齿轮与砂轮片b上的小齿轮啮合，从而带动砂轮片b转动。真实的砂轮切割机也是用类似的原理来将钢筋切断的，借助自制的砂轮切割机，直观化了其工作原理，学生一目了然。但同时也会产生好奇：“为什么加了齿轮来驱动后就提高了带有小齿轮的砂轮转速呢？齿轮之间是怎样改变转速的呢？”带着问题，顺势进入本节课的学习。

(2)用途二：引出齿轮传动的定义

通过滑动轨道可以将电动机移动到不同的位置，一方面可以实现两个齿轮的啮合与不啮合两种状态，另一方面可以区别主动轮与从动轮，在明确主动轮、从动轮、啮合等概念的基础上可以引出齿轮传动的定义。

3.2.2 多功能齿轮传动探究装置(见图6)

设计意图：为了更直观有效地探究齿轮传动的特点，制作了此多功能齿轮传动探究装置。可以实现以下三方面的作用：

图6 多功能齿轮传动探究装置

(1)用途一：分析齿轮传动的工作原理

转动主动轮，可以观察主动轮是如何带动从动轮的，从而得出齿轮传动的工作原理。

(2)用途二：探究齿轮传动速度的关系

①我们在齿轮的齿上标了数字，便于学生准确地数出两齿轮转动时各自转过的齿数。转动主动轮，观察两轮啮合部分的轮齿，发现两轮转过的齿一一对应。接下来从齿数过度到圈数，引导学生根据齿轮转过的齿数一一对应的情况，推测大齿轮转过一圈时，小齿轮转过几圈。

②由于驱动主动轮时，小齿轮的转速很快，学生难以准确数出其转过的圈数。因此，笔者借助了树莓派及霍尔传感器，通过感应初始齿轮上的磁铁来完成齿轮转过圈数的读取。

(3)用途三：探究齿轮传动中的方向关系

转动主动轮，观察两轮的转动方向，可以发现两轮的转动方向不同。

3.3 多功能齿轮传动探究装置(拓展探究——时钟模型)

设计意图：在原有齿轮传动探究装置的基础上，加装两个齿轮，四个齿轮分成两组，一组实现3∶1的传动关系，另一组实现4∶1的传动关系，两组之间通过联轴器连接，最终实现12∶1的传动比，即实现了手表分针和时针的转速关系，同时直观地演示多级齿轮传动是如何改变转速的。

3.4 齿轮传动与带传动——修正带模型

设计意图：通过模拟放大直观化了的修正带的工作过程，使用过的修正带会被卷回修正带的盒子里。同时体现了齿轮传动与带传动的应用。

4 结束语

尽管生活中普遍存在着齿轮传动装置，但由于这些齿轮传动装置结构设计的特点并不能被直接应用于教学。本次创新的齿轮传动系列教具，贴近一线教学，具有系列化、直观化、多功能化、可拆卸等特点。现象明显，操作简单，而且实现了一物多用，极大提高了教具的使用率。以其直观有趣的科学现象，给予了学生极大的视觉冲击，能够很好地激起学生的好奇心与求知欲望，让我们的课堂更加有趣生动而高效。