纸杯也可以如此优雅

2020-09-12 14:05:30 考试周刊 2020年77期

摘 要:在浙教版初中科学大气压强的学习中,有关于“弧旋球”的问题,若要呈现“弧旋球”现象,需要专业的技术,无法现场演示,学生更不可能亲身体验。故利用马格努斯效应制作“纸杯滑翔机”,并拓展设计制作了“飞舞旋转环”,以STEAM教育理念为指导思想,深度体悟伯努利原理。

关键词:弧旋球;纸杯滑翔机;飞舞旋转环;伯努利原理

一、 引言

STEAM理念下落实伯努利原理改理论思想的推进,仍无法真正渗透在实际教学中,“理论新颖,实操传统”,思维创新更只是句口号。很多教师偏向于理论讲解,弱化实验演示,忽视学生对知识原理真实体验的重要性,导致学生无法真正明白理论知识在生活中的本质运用。

二、 “弧旋球”问题演示遇“瓶颈”

“弧旋球”存在什么样的科学原理?不难回答,原理也并不复杂,流体力学中的伯努利原理:在一个流体系统,比如气流、水流中,流体流速越快,流体产生的压强就越小。

讲解示例:

假设有一个圆柱体平稳地向前飞行,那么气流会平稳地从它左右流过,气流对它只产生空气阻力,如图1。如果这个圆柱体同时顺时针旋转,它的左表面运动方向与气流方向相反,右表面相同,就会造成圆柱体左表面空气流速低,右表面空气流速高。根据“伯努利定律”,左侧气压大于右侧气压,右侧压力大于右侧压力,故球会向右偏,如图2。

然而讲解终究停留在理论阶段,学生是有名的“视觉动物”,喜欢亲眼所见,眼见为实。教师不是专业的足球运动员,在室内更是无法让学生亲身体验到这样的科学原理。

三、 STEAM理念下的科学课堂——“纸杯滑翔机”和“飞舞旋转环”

本节课主要立足于大气压强与流速的关系,突出对伯努利原理的实际应用,在“纸杯滑翔机”和“飞舞旋转环”的制作过程中领悟结构原理。

本课例把问题作为全线导向,把解决重重困难作为根本性目的,力图让学生成为智囊团,要求教师成为引导者。

在本堂课的开始,播放了一段老外让篮球呈弧线自由落体的视频。我们把重物从高处抛落的时候,一般它们的方向都会垂直降落,不会有什么很大的变化,这是很多的自由落体的正常现象。但是视频的内容是这样的:外国的小伙非常的会玩,他们爬到一百二十六米高的登高大坝,要在这里做一个实验,就是如何让篮球呈弧线自由落体。他们用了不可思议的马格努斯效应,刚开始的时候他扔了一个篮球下去,只見篮球是成基本直线的样式,坠落下去的方向没有什么改变。但是当他们扔第二个篮球的时候使用一种技巧进去先将球朝内旋转后扔下去,只见篮球下落的瞬间就开始了,改变了下落的方向。就好像挂在一部滑梯上一样,而且好似就像滑翔起来一样越飞越远最后直接飞到了大海上去这是很神奇的一幕。

为什么球会滑翔坠落呢?这是流体力学中的马格努斯效应(Maganus Effect),旋转的球体和圆柱体都会发生这种现象,常见的就是足球运动的“香蕉球”,可以曲线进入球门,如图3所示。

[任务一:利用伯努利原理制作弧线自由落体的模型]

问题一:用什么材料来代替篮球?

学生表达:乒乓球,纸筒,纸杯。

设计意图:激活学生的生活经验,就地取材的本领在生活实践中很重要。

活动一:小组合作讨论出选取的材料,设计如何模型旋转起来。

设计意图:STEAM教学中,设计方案是第一步,此活动教师不做任何的指导,学生评价经验和生活常识设计方案,如此可以挖掘出学生的创新思维,面对不同的想法和创意,学生内部会形成互相评价,找出设计者没有关注到的缺陷,由此利于完善设计方案。

活动二:方案真的可行吗?动手做出来检验一下。

作品缺陷:由于手动旋转木棒的速度不够,效果还是不明显;木棒相对质量过大,下落速度过快,导致效果不明显。

问题二:针对纸杯的不对称问题,如何解决?

学生表达:可以用两个纸杯拼接成对称的。

问题三:那么如何解决旋转速度不够大的问题?能不能从生活中见过的旋转物件得到启示?

学生表达:陀螺,悠悠球,空竹。

设计意图:唤醒生活经验,学会“移花接木”。

活动三:模型改进。

学生表达:1. 杯底相接,用绳子;

2. 杯底相接,用橡皮筋;

3. 纸筒用皮筋。

问题四:绳子和橡皮筋有什么区别?哪个材料比较合适?

学生表达:橡皮筋有弹性,绳子比较牢固。但是杯子比较轻,使用绳子无法像悠悠球一样旋转很快,相比较而言,橡皮筋比较合适。

问题五:看了纸筒和纸杯的效果,有何感想?

学生表达:纸筒在固定橡皮筋时不够稳定,易滑动,而杯子的形状,是两个相对的圆锥形,也增加了它的稳定性。

设计意图:在选材上,学生不约而同地选择了纸质材料,放弃了乒乓球,在缠绕物的选取上,为学生提供了绳子和橡皮筋两种不同的材料。许多伟大发明是在无数次地取材试验后才得以成功。取材是很关键的,如此有利于锻炼学生对实验取材的敏锐度。

活动四:成果制作大比拼。

比拼规则:每组学生将制作好的纸杯滑翔机进行试飞,保证纸杯滑翔机完整落地飞行时间较长的获胜。

设计意图:在整个任务中,作品不断被优化直至呈现,学生学会灵活运用伯努利原理,基本掌握STEAM学习的方法,强化了解决实际问题的本领。

[任务二:制作飞舞旋转环]

本次任务的主要材料还是纸杯,但是要求不是一个纸杯旋转起来,要求6个纸杯环一起旋转。

问题一:六个纸杯环需要一起旋转,怎么样才能做到呢?

学生表达:可以像风车一样旋转,借助风的力量,如图4所示。

问题二:室内如何得到较大的风?

学生表达:可以用电风扇或吹风机。

活动一:制作纸杯环。

问题三:为什么纸杯环旋转会失败?

学生表达:六个纸杯的重力太大,吹风机的风力不足以支撑纸杯环悬浮。

问题四:忽略纸杯重力因素,哪种设计更符合旋转要求?

学生表达:虽然因为重力的原因,纸杯没能持续旋转,但是在起初旋转效果看,纸杯交替朝向粘连比较合理。因为纸杯是圆台形状的,这样设计会比较对称,更容易达到旋转的效果。

设计意图:在真实的实验探究中,不是每一次实验都是可以成功的,教师设计实验往往喜欢安排成功性很大的实验,为学生提供捷径,学生不能体验失败的滋味,失败的结果可以说是成功的,更符合STEAM教学的本质要求。

问题五:如何解决现有的困境?

学生表达:1. 改用塑料一次性杯子可以解决;

2. 不用杯子,用气球也可以吧。

活动二:实施改进方案,如图5所示。

学生表达:

问题六:两种方案都得到了成功,如果从商品角度考虑,选择哪种合适?

学生表达:从效果上看,难分上下,但气球更加美观,颜色丰富,旋转起来格外漂亮。如果让我购买,一定偏向于气球环。另外,在粘连气球的时候,应该将气球吹成一样大小,且每個气球嘴应该对准环的中央位置,这样稳定性更好。

设计意图:从失败走向成功,是无数优秀发明者必经之路,在中央电视台《我爱发明》的每期节目中,发明爱好者的优秀作品必定经历多次改良而成的,每次的突破都是成长。对科学坚定的信念,必定深深地烙在科技爱好者的心中,学生是科技进步的未来力量,这是毋庸置疑的。

问题七:如何解释飞舞旋转环的原理?

学生表达:吹风机在环的一侧竖直向上吹风时无法将环悬浮在空中,应将风口斜向上,在移动吹风机时气球环会跟着动,反而吹不走,这里应该是由于流速越大压强越小的缘故,另一侧大气压强大于吹风机一侧。

教师补充:同学只解释了环为什么没有吹走,那么如何旋转的呢?其实是因为气球是弧形的,大气也好,水流也好,都流体,由于流体(水流或气流)有偏离原本流动方向,改为随着凸出的物体表面流动的倾向。当气流与气球表面之间存在表面摩擦时(也可以说是流体粘性),只要弧度不是很大,气流就会顺着该气球表面流动,这样气球环就旋转起来了。

设计意图:学以致用,经验交流,本作品运用到康达效应,初中学生没有接触过,故需教师补充。学会运用知识且能解释原理,达成用之知其所以然的效果。

四、 总结设计思路

(一)《优雅的纸杯》教学设计流程图

(二)教学分析

参考文献:

[1]周建秋.走向核心素养的学生科学探究能力培养策略[J].现代中小学教育,2017(2).

[2]常珊珊,李家清.课程改革深化背景下的核心素养体系构建[J].课程·教材·教法,2015(9).

[3]柳延东.基于建构主义学习理论的自制教具设计研究:以一种演示虹吸现象的科普教具为例[J].广西教育,2014(23).

作者简介:

高灵,浙江省杭州市,杭州市塘栖镇第三中学。