STEM項(xiàng)目之化學(xué)動(dòng)力汽車裝置

溫迪·史密斯

項(xiàng)目介紹

該項(xiàng)目要求五年級(jí)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)的科學(xué)知識(shí)設(shè)計(jì)并制作汽車裝置，項(xiàng)目的標(biāo)準(zhǔn)和限制條件如表1，該汽車裝置只能用化學(xué)原料作為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)。在制作前，學(xué)生討論以下問題，并分享各自對(duì)項(xiàng)目的理解：

采用何種材料進(jìn)行制作？

如何形成化學(xué)動(dòng)力？

能使用家里的玩具車嗎？

完成這個(gè)項(xiàng)目需要多長(zhǎng)時(shí)間？

可以選擇項(xiàng)目搭檔嗎？

小組成員既可以由教師指定，也可以由學(xué)生自己選擇。項(xiàng)目開展所需時(shí)間，可以每天2—3個(gè)小時(shí)，總用時(shí)3—4天，也可以每天1小時(shí)，總用時(shí)2周左右。下面描述的項(xiàng)目的兩個(gè)部分，所花的時(shí)間大致一樣。由于學(xué)生在以前都已體驗(yàn)過工程設(shè)計(jì)，在項(xiàng)目開始前只需要讓學(xué)生觀看視頻網(wǎng)站Youtube上的一些短小有趣的視頻，快速回顧一下工程設(shè)計(jì)過程。

項(xiàng)目的第一部分關(guān)注科學(xué)的應(yīng)用，學(xué)生要確定動(dòng)力裝置內(nèi)最有效的化學(xué)物質(zhì)與水的組合，以產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)推動(dòng)車輛前進(jìn)。項(xiàng)目的第2部分側(cè)重于工程設(shè)計(jì)，學(xué)生運(yùn)用工程設(shè)計(jì)流程建造一個(gè)包含化學(xué)反應(yīng)裝置的汽車底盤。

項(xiàng)目第一部分：科學(xué)的應(yīng)用

可用材料有檸檬酸、小蘇打、水、咖啡過濾紙、各種大小的汽水瓶、膠卷盒、任一窄嘴的小塑料瓶、軟木塞、橡皮塞等。

1.安全和清潔事項(xiàng)

用醋代替檸檬酸也可以，但清潔起來比較麻煩。學(xué)生可以從家里帶瓶子，只要符合尺寸標(biāo)準(zhǔn)，不存在安全問題即可。接觸化學(xué)物質(zhì)時(shí)應(yīng)始終佩戴好安全護(hù)目鏡。測(cè)試區(qū)域要隔開，只有測(cè)試組才能進(jìn)入。在測(cè)試之前要得到教師準(zhǔn)許，以確保安全和化學(xué)材料的使用劑量合理，教師演示如何使用水桶、海綿和干毛巾清潔、擦干測(cè)試區(qū)域后，學(xué)生才能測(cè)試。

2.反應(yīng)原理

學(xué)生對(duì)物質(zhì)混合后的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行研究，并根據(jù)顏色和溫度的變化或者氣體的形成來推斷是否有新物質(zhì)生成。參見附件1。

3.研究動(dòng)力

在250毫升的塑料杯中加入5克小蘇打、5克檸檬酸，還有50毫升室溫水。學(xué)生分享觀察結(jié)果，教師引導(dǎo)學(xué)生就變量進(jìn)行討論。學(xué)生確定的變量包括：反應(yīng)容器、水量、小蘇打的劑量、檸檬酸用量。

4.改變變量

學(xué)生討論了如何一次只改變一個(gè)變量，找到最有效的化學(xué)物質(zhì)與水的組合，放入現(xiàn)有的各種容器內(nèi)以產(chǎn)生推動(dòng)車輛前進(jìn)的化學(xué)反應(yīng)。比如：改變?nèi)萜?，其他變量保持不變?克小蘇打、5克檸檬酸、50毫升水）。雖然水的溫度也可以是一個(gè)變量，但在測(cè)試過程中保持水溫的恒定太困難，因此只使用室溫水進(jìn)行所有測(cè)試。

5.測(cè)試

每個(gè)小組選擇好了各自認(rèn)為最有效的容器，并開始測(cè)試化學(xué)反應(yīng)以推動(dòng)汽車裝置前進(jìn)。三次測(cè)試中，學(xué)生對(duì)每一次車輛行駛的距離都進(jìn)行了測(cè)量并記錄下來。第一輪測(cè)試后，學(xué)生分享他們的測(cè)試結(jié)果。學(xué)生比較了不同小組收集的關(guān)于容器體積與汽車行駛距離之間的數(shù)據(jù)，并與自己的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

6.明確影響因素

學(xué)生有約4—5個(gè)小時(shí)來研究、測(cè)試物質(zhì)和水所需要的量。通過測(cè)試、比較和分享，學(xué)生發(fā)現(xiàn)了各種因素對(duì)動(dòng)力以及車輛行駛的影響，包括：反應(yīng)物的量、容器的大小、氣體形成的壓力、軟木塞的緊密程度、裝置的起始位置是否靠墻。

7.記錄整理

學(xué)生把項(xiàng)目第一部分所有做過的事都記錄在實(shí)驗(yàn)記錄本上，并使用項(xiàng)目清單作為指導(dǎo)。一旦學(xué)生最終確定了反應(yīng)容器以及用于化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)的確切用量，車輛動(dòng)力裝置這一部分就不允許有變動(dòng)了。

項(xiàng)目第二部分：工程設(shè)計(jì)過程

制作車輛使用的材料包括但不限于紙板、鋁箔、CD光盤、衛(wèi)生紙和廚房用紙紙筒、木串和木釘、稻草、各種樂高零件。學(xué)生可以從家里帶額外的材料來制作汽車，但不能是現(xiàn)成的玩具車。教師希望學(xué)生為已經(jīng)測(cè)試好的容器裝置制作一輛搭載車（如圖1）。

1.設(shè)計(jì)底盤

學(xué)生先自己思考如何設(shè)計(jì)車輛，然后與同伴進(jìn)行分享。車輛設(shè)計(jì)的模型包含所用材料的標(biāo)記和底盤上安裝動(dòng)力裝置的位置。同伴討論每種設(shè)計(jì)可能的優(yōu)缺點(diǎn)，并決定初步的制作。依靠材料和車輛圖形設(shè)計(jì)，進(jìn)行分享、交流、改進(jìn)。有些小組很快就做出了可運(yùn)行的汽車模型，有些小組拋棄了傳統(tǒng)的汽車底盤，改為雪橇設(shè)計(jì)，這樣就無須構(gòu)建輪軸系統(tǒng)。

2.安裝動(dòng)力裝置

車輛底盤做好后，裝上容器裝置，加入化學(xué)物質(zhì)和水，測(cè)試車輛的整體效果。測(cè)量車輛的運(yùn)行距離并記錄多次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，作為改進(jìn)車輛的依據(jù)。由于項(xiàng)目的一個(gè)限制條件是“一旦選擇了反應(yīng)裝置，就不能對(duì)這一部分進(jìn)行改動(dòng)”，所以，項(xiàng)目第2部分的所有改進(jìn)工作都集中在車輛的設(shè)計(jì)上，而不再是容器裝置內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)。

3.車輛設(shè)計(jì)改進(jìn)

很多學(xué)生發(fā)現(xiàn)了底盤的重量與化學(xué)反應(yīng)驅(qū)動(dòng)車輛能力之間的因果關(guān)系。因此，各小組紛紛改進(jìn)底盤，要么簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，要么對(duì)車輪的設(shè)計(jì)、容器裝置的位置或影響車輛直線行駛的變量進(jìn)行修改，為解決某個(gè)問題進(jìn)行多種設(shè)計(jì)并一一測(cè)試，最后確定哪個(gè)方案最符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。例如：一個(gè)小組以三種不同的方式調(diào)整安裝在底盤上的容器裝置的角度，朝上30度、水平放置、朝下30度，以確定哪個(gè)角度能最好地推動(dòng)車輛向前行駛。

4.記錄整理

學(xué)生繼續(xù)在實(shí)驗(yàn)筆記本上記錄整理自己做過的事情，對(duì)照項(xiàng)目清單以確保所有重要的工作都記錄在冊(cè)。教師定期展示實(shí)驗(yàn)筆記本上所做的各種記錄，以便學(xué)生進(jìn)行自我反思，并指導(dǎo)他們對(duì)所做工作進(jìn)行有效整理。

項(xiàng)目測(cè)試

學(xué)生需要在指定的區(qū)域?qū)υO(shè)計(jì)好的汽車裝置進(jìn)行測(cè)試（如圖2），雖然測(cè)試結(jié)果顯示并非所有小組的車輛都達(dá)到了行駛1米的標(biāo)準(zhǔn)，但他們?nèi)匀皇浅晒Φ?，因?yàn)槿萜餮b置內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)至少使車輛移動(dòng)了一段距離。比起車輛實(shí)際的行駛距離，更重要的是學(xué)生對(duì)反復(fù)設(shè)計(jì)修改過程有了體驗(yàn)，對(duì)科學(xué)家和工程師的工作有了體驗(yàn)。一開始，許多小組未能成功啟動(dòng)車輛，這給教師提供了契機(jī)去指導(dǎo)學(xué)生分析每次失敗的原因，比如：軟木塞沒有固定牢，瓶塞塞上前氣體就產(chǎn)生了，添加的化學(xué)物質(zhì)的量不夠以至于氣體不足以形成沖力。每當(dāng)狀況發(fā)生后，學(xué)生就會(huì)討論修改方案，在筆記本上勾畫出想法，對(duì)車輛進(jìn)行改進(jìn)，并再次進(jìn)行測(cè)試。

整個(gè)項(xiàng)目中要保證有足夠的時(shí)間讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的問題，并通過頭腦風(fēng)暴集體討論解決方案，讓他們就像真正的科學(xué)家和工程師那樣工作。

項(xiàng)目評(píng)估

學(xué)生和教師都對(duì)照項(xiàng)目清單進(jìn)行評(píng)估（見附件2）。學(xué)生的實(shí)驗(yàn)筆記本上用例子說明了項(xiàng)目清單上的每個(gè)要點(diǎn)，包括車輛符合項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)和限制條件等內(nèi)容，并注明這些內(nèi)容在筆記本中的頁(yè)碼。學(xué)生還做了一個(gè)自我反思的清單（見附件3），以反映他們的有關(guān)情況，比如：他們是否較好地掌握了學(xué)科核心概念、科學(xué)和工程實(shí)踐，以及學(xué)校制訂的克服困難和合作的培養(yǎng)目標(biāo)。

教師評(píng)價(jià)學(xué)生時(shí)，應(yīng)考慮化學(xué)動(dòng)力車輛裝置清單中的“科學(xué)應(yīng)用”與“工程設(shè)計(jì)過程”這兩個(gè)部分，以及學(xué)生所做的筆記資料是否達(dá)成了學(xué)習(xí)目標(biāo)。教師要注意，即使有些小組的車輛沒有行駛1米遠(yuǎn)，也應(yīng)該當(dāng)作實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目的學(xué)習(xí)目標(biāo)。除了筆記本和清單，項(xiàng)目期間對(duì)學(xué)生的隨堂觀察也應(yīng)成為對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)作總結(jié)評(píng)價(jià)的依據(jù)。

項(xiàng)目修改

有些學(xué)生可能會(huì)在項(xiàng)目第一部分時(shí)努力完成一個(gè)功能正常的車輛和動(dòng)力裝置。為確保所有學(xué)生最大限度地符合項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)，教師可考慮向某些學(xué)生提供預(yù)先構(gòu)建或設(shè)計(jì)好的汽車組件，可以是能安裝動(dòng)力裝置的玩具車，能運(yùn)轉(zhuǎn)良好的動(dòng)力裝置設(shè)計(jì)，也可以是由教師改良后的車輛與動(dòng)力裝置的組合，這些都可能對(duì)有一定操作障礙的學(xué)生有所幫助。在項(xiàng)目第2部分中，教師可建議起始的化學(xué)物質(zhì)的用量，并幫助學(xué)生研究和記錄合適的增量。這些修改既有助于構(gòu)建學(xué)生的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，也能使他們持續(xù)獲得興奮感和成就感。

通過與學(xué)生互動(dòng)，關(guān)注學(xué)生開展活動(dòng)，教師探索出了多種方法來應(yīng)對(duì)項(xiàng)目中出現(xiàn)的特殊問題。

第一，教師觀察到，學(xué)生想要車輛行駛得盡可能遠(yuǎn)，就馬上加入更多劑量的化學(xué)材料，結(jié)果導(dǎo)致材料不足。教師就建議調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)，將“車輛必須行駛至少1米的距離”改為車輛的行駛距離在1—2米。這個(gè)約束條件不僅可以限制材料的使用，防止浪費(fèi)，還會(huì)提升難度，增加學(xué)生操作所需的精確性。

第二，教師提出在項(xiàng)目中增加一些成本元素，幫助學(xué)生思考材料的使用數(shù)量。這樣，最成功的車輛裝置不僅能夠行駛至少1米的距離，而且最具經(jīng)濟(jì)效益（即使用最少量的材料）。這兩項(xiàng)改進(jìn)建議將為學(xué)校節(jié)省資金和材料，并提升學(xué)生的項(xiàng)目挑戰(zhàn)水平。

第三，教師發(fā)現(xiàn)有些小組的車輛未能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，即行駛1米的距離。但這些團(tuán)隊(duì)仍然達(dá)成了項(xiàng)目預(yù)期，他們?cè)O(shè)計(jì)、測(cè)試車輛模型，對(duì)化學(xué)動(dòng)力進(jìn)行探究。對(duì)待有特殊學(xué)習(xí)需求的學(xué)生，則可能需要對(duì)項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)作出修改。

（作者王平系北京桂馨慈善基金會(huì)科學(xué)課項(xiàng)目專家）

湖南省株洲市石峰區(qū)報(bào)亭學(xué)校（412004）

附件1：物質(zhì)變化活動(dòng)

在此次活動(dòng)中，你要研究什么證據(jù)能表明當(dāng)兩種或多種物質(zhì)混合反應(yīng)時(shí)一種新物質(zhì)產(chǎn)生了，仔細(xì)觀察并搜集證據(jù)。

1.探究：第一部分

先閱讀第一部分的所有內(nèi)容；再在筆記本上設(shè)計(jì)一個(gè)收集數(shù)據(jù)的方法，來記錄你所做的事和你所做的觀察，請(qǐng)確保其格式易于閱讀，并可與他人共享；然后再開展活動(dòng)。

戴上防護(hù)目鏡

將1/4茶匙的碳酸氫鈉（NaHCO3）和1/2茶匙的氯化鈣（CaCl2）放入密封袋

在燒杯里裝5毫升酚紅溶液，將杯子小心放入密封袋中，保持杯子直立，盡可能擠出袋子里的空氣，將袋子密封

保持袋子密封，將杯子翻過來，與化學(xué)藥品混合，觀察結(jié)果

在筆記本上記錄“你做了什么，你觀察到了什么現(xiàn)象”

活動(dòng)結(jié)束后，做好衛(wèi)生清潔工作

2.探究：第2部分

選擇A或B選項(xiàng)，繼續(xù)你的調(diào)查研究。在筆記本中設(shè)計(jì)好數(shù)據(jù)記錄的方法。只有在時(shí)間允許的情況下才去完成第二個(gè)選項(xiàng)。

選項(xiàng)A

預(yù)測(cè)少用其中一種化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)會(huì)發(fā)生什么

驗(yàn)證你的預(yù)測(cè)，記錄你所做的和你所觀察到的

少用另一種不同的化學(xué)物質(zhì)，再次進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)

選項(xiàng)B

預(yù)測(cè)改變其中一種化學(xué)物質(zhì)的劑量會(huì)發(fā)生什么

驗(yàn)證你的預(yù)測(cè)，記錄你所做的和你所觀察到的

重復(fù)該實(shí)驗(yàn)幾次，每次均改變其中一種化學(xué)物質(zhì)的劑量

3.記錄

在筆記本中寫好你的陳述、證據(jù)和推理。

陳述——用完整的句子回答問題

證據(jù)——支持陳述的具體數(shù)據(jù)

推理——用科學(xué)的解釋或概念說明你所得結(jié)果的原因

附件2：化學(xué)動(dòng)力汽車裝置的項(xiàng)目清單

動(dòng)力設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)項(xiàng)目限制條件（見前文，略）。

動(dòng)力設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)項(xiàng)目成功標(biāo)準(zhǔn)——汽車裝置至少行駛1米遠(yuǎn)。

科學(xué)筆記本的資料整理——項(xiàng)目完成后，記下每個(gè)要點(diǎn)在筆記本中的頁(yè)碼數(shù)。

1.科學(xué)應(yīng)用

進(jìn)行調(diào)查，找到驅(qū)動(dòng)車輛最有效的化學(xué)反應(yīng)（第一部分）

清楚記錄、整理所進(jìn)行的觀察、得到的數(shù)據(jù)（第 _________ 頁(yè)）

一次改變一個(gè)變量（第 _________ 頁(yè)）

開展2次或更多次測(cè)試（第 _________ 頁(yè)）

陳述：?jiǎn)栴}回答（第 _________ 頁(yè)）

證據(jù)：支持陳述，并與記錄的數(shù)據(jù)匹配（第 _________ 頁(yè)）

推理：對(duì)結(jié)果的科學(xué)解釋（原因）（第 _________ 頁(yè)）

2.工程設(shè)計(jì)過程

科學(xué)筆記本用于記錄車輛設(shè)計(jì)的過程（第2部分）

提問：記錄關(guān)于項(xiàng)目挑戰(zhàn)的問題（第 _________ 頁(yè)）

想象：生成多個(gè)想法，包括圖表（第 _________ 頁(yè)）

計(jì)劃：包括材料清單和最終設(shè)計(jì)圖（第 _________ 頁(yè)）

制作：設(shè)計(jì)和修改都有文檔記錄（第 _________ 頁(yè)）

改進(jìn)：基于測(cè)試結(jié)果進(jìn)行修訂（觀察和數(shù)據(jù)）（第 _________ 頁(yè)）

附件3：化學(xué)動(dòng)力汽車裝置的自我反思清單

根據(jù)自身情況對(duì)每一題進(jìn)行打分，看看自己在工程設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)項(xiàng)目中學(xué)到了多少。在你的科學(xué)筆記本中尋找相關(guān)證據(jù)。

（以下前6個(gè)問題，學(xué)生按照1-5的指數(shù)表明認(rèn)可程度，并在每一題后加一個(gè)實(shí)例以支撐自己的主張。）

1.我能做出計(jì)劃并進(jìn)行調(diào)查，包括控制變量，清晰、有條理地記錄數(shù)據(jù)（觀察和精確測(cè)量），并寫好CER（主張、證據(jù)和推理）。

2.我能創(chuàng)建一個(gè)基本的化學(xué)反應(yīng)，并理解物質(zhì)性質(zhì)的變化。

3.我能始終遵循恰當(dāng)?shù)陌踩僮鞒绦颉?/p>

4.我能運(yùn)用工程設(shè)計(jì)過程來解決問題（提問、想象、計(jì)劃、創(chuàng)建、改進(jìn)）。

5.在解決困難問題時(shí)，我展現(xiàn)出了自信和靈活性。

6.我展現(xiàn)出與他人溝通、合作以實(shí)現(xiàn)共同目標(biāo)的能力（合作）。

7.請(qǐng)分享關(guān)于該項(xiàng)目、你的學(xué)習(xí)或者其他意見和建議，以幫助你的老師改進(jìn)化學(xué)動(dòng)力汽車裝置的工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目。