紙杯也可以如此優(yōu)雅

摘?要：在浙教版初中科學大氣壓強的學習中，有關于“弧旋球”的問題，若要呈現(xiàn)“弧旋球”現(xiàn)象，需要專業(yè)的技術，無法現(xiàn)場演示，學生更不可能親身體驗。故利用馬格努斯效應制作“紙杯滑翔機”，并拓展設計制作了“飛舞旋轉(zhuǎn)環(huán)”，以STEAM教育理念為指導思想，深度體悟伯努利原理。

關鍵詞：弧旋球;紙杯滑翔機;飛舞旋轉(zhuǎn)環(huán);伯努利原理

一、 引言

STEAM理念下落實伯努利原理改理論思想的推進，仍無法真正滲透在實際教學中，“理論新穎，實操傳統(tǒng)”，思維創(chuàng)新更只是句口號。很多教師偏向于理論講解，弱化實驗演示，忽視學生對知識原理真實體驗的重要性，導致學生無法真正明白理論知識在生活中的本質(zhì)運用。

二、 “弧旋球”問題演示遇“瓶頸”

“弧旋球”存在什么樣的科學原理？不難回答，原理也并不復雜，流體力學中的伯努利原理：在一個流體系統(tǒng)，比如氣流、水流中，流體流速越快，流體產(chǎn)生的壓強就越小。

講解示例：

假設有一個圓柱體平穩(wěn)地向前飛行，那么氣流會平穩(wěn)地從它左右流過，氣流對它只產(chǎn)生空氣阻力，如圖1。如果這個圓柱體同時順時針旋轉(zhuǎn)，它的左表面運動方向與氣流方向相反，右表面相同，就會造成圓柱體左表面空氣流速低，右表面空氣流速高。根據(jù)“伯努利定律”，左側(cè)氣壓大于右側(cè)氣壓，右側(cè)壓力大于右側(cè)壓力，故球會向右偏，如圖2。

然而講解終究停留在理論階段，學生是有名的“視覺動物”，喜歡親眼所見，眼見為實。教師不是專業(yè)的足球運動員，在室內(nèi)更是無法讓學生親身體驗到這樣的科學原理。

三、 STEAM理念下的科學課堂——“紙杯滑翔機”和“飛舞旋轉(zhuǎn)環(huán)”

本節(jié)課主要立足于大氣壓強與流速的關系，突出對伯努利原理的實際應用，在“紙杯滑翔機”和“飛舞旋轉(zhuǎn)環(huán)”的制作過程中領悟結(jié)構原理。

本課例把問題作為全線導向，把解決重重困難作為根本性目的，力圖讓學生成為智囊團，要求教師成為引導者。

在本堂課的開始，播放了一段老外讓籃球呈弧線自由落體的視頻。我們把重物從高處拋落的時候，一般它們的方向都會垂直降落，不會有什么很大的變化，這是很多的自由落體的正?，F(xiàn)象。但是視頻的內(nèi)容是這樣的：外國的小伙非常的會玩，他們爬到一百二十六米高的登高大壩，要在這里做一個實驗，就是如何讓籃球呈弧線自由落體。他們用了不可思議的馬格努斯效應，剛開始的時候他扔了一個籃球下去，只見籃球是成基本直線的樣式，墜落下去的方向沒有什么改變。但是當他們?nèi)拥诙€籃球的時候使用一種技巧進去先將球朝內(nèi)旋轉(zhuǎn)后扔下去，只見籃球下落的瞬間就開始了，改變了下落的方向。就好像掛在一部滑梯上一樣，而且好似就像滑翔起來一樣越飛越遠最后直接飛到了大海上去這是很神奇的一幕。

為什么球會滑翔墜落呢？這是流體力學中的馬格努斯效應（Maganus Effect），旋轉(zhuǎn)的球體和圓柱體都會發(fā)生這種現(xiàn)象，常見的就是足球運動的“香蕉球”，可以曲線進入球門，如圖3所示。

[任務一：利用伯努利原理制作弧線自由落體的模型]

問題一：用什么材料來代替籃球？

學生表達：乒乓球，紙筒，紙杯。

設計意圖：激活學生的生活經(jīng)驗，就地取材的本領在生活實踐中很重要。

活動一：小組合作討論出選取的材料，設計如何模型旋轉(zhuǎn)起來。

設計意圖：STEAM教學中，設計方案是第一步，此活動教師不做任何的指導，學生評價經(jīng)驗和生活常識設計方案，如此可以挖掘出學生的創(chuàng)新思維，面對不同的想法和創(chuàng)意，學生內(nèi)部會形成互相評價，找出設計者沒有關注到的缺陷，由此利于完善設計方案。

活動二：方案真的可行嗎？動手做出來檢驗一下。

作品缺陷：由于手動旋轉(zhuǎn)木棒的速度不夠，效果還是不明顯;木棒相對質(zhì)量過大，下落速度過快，導致效果不明顯。

問題二：針對紙杯的不對稱問題，如何解決？

學生表達：可以用兩個紙杯拼接成對稱的。

問題三：那么如何解決旋轉(zhuǎn)速度不夠大的問題？能不能從生活中見過的旋轉(zhuǎn)物件得到啟示？

學生表達：陀螺，悠悠球，空竹。

設計意圖：喚醒生活經(jīng)驗，學會“移花接木”。

活動三：模型改進。

學生表達：1. 杯底相接，用繩子;

2. 杯底相接，用橡皮筋;

3. 紙筒用皮筋。

問題四：繩子和橡皮筋有什么區(qū)別？哪個材料比較合適？

學生表達：橡皮筋有彈性，繩子比較牢固。但是杯子比較輕，使用繩子無法像悠悠球一樣旋轉(zhuǎn)很快，相比較而言，橡皮筋比較合適。

問題五：看了紙筒和紙杯的效果，有何感想？

學生表達：紙筒在固定橡皮筋時不夠穩(wěn)定，易滑動，而杯子的形狀，是兩個相對的圓錐形，也增加了它的穩(wěn)定性。

設計意圖：在選材上，學生不約而同地選擇了紙質(zhì)材料，放棄了乒乓球，在纏繞物的選取上，為學生提供了繩子和橡皮筋兩種不同的材料。許多偉大發(fā)明是在無數(shù)次地取材試驗后才得以成功。取材是很關鍵的，如此有利于鍛煉學生對實驗取材的敏銳度。

活動四：成果制作大比拼。

比拼規(guī)則：每組學生將制作好的紙杯滑翔機進行試飛，保證紙杯滑翔機完整落地飛行時間較長的獲勝。

設計意圖：在整個任務中，作品不斷被優(yōu)化直至呈現(xiàn)，學生學會靈活運用伯努利原理，基本掌握STEAM學習的方法，強化了解決實際問題的本領。

[任務二：制作飛舞旋轉(zhuǎn)環(huán)]

本次任務的主要材料還是紙杯，但是要求不是一個紙杯旋轉(zhuǎn)起來，要求6個紙杯環(huán)一起旋轉(zhuǎn)。

問題一：六個紙杯環(huán)需要一起旋轉(zhuǎn)，怎么樣才能做到呢？

學生表達：可以像風車一樣旋轉(zhuǎn)，借助風的力量，如圖4所示。

問題二：室內(nèi)如何得到較大的風？

學生表達：可以用電風扇或吹風機。

活動一：制作紙杯環(huán)。

問題三：為什么紙杯環(huán)旋轉(zhuǎn)會失??？

學生表達：六個紙杯的重力太大，吹風機的風力不足以支撐紙杯環(huán)懸浮。

問題四：忽略紙杯重力因素，哪種設計更符合旋轉(zhuǎn)要求？

學生表達：雖然因為重力的原因，紙杯沒能持續(xù)旋轉(zhuǎn)，但是在起初旋轉(zhuǎn)效果看，紙杯交替朝向粘連比較合理。因為紙杯是圓臺形狀的，這樣設計會比較對稱，更容易達到旋轉(zhuǎn)的效果。

設計意圖：在真實的實驗探究中，不是每一次實驗都是可以成功的，教師設計實驗往往喜歡安排成功性很大的實驗，為學生提供捷徑，學生不能體驗失敗的滋味，失敗的結(jié)果可以說是成功的，更符合STEAM教學的本質(zhì)要求。

問題五：如何解決現(xiàn)有的困境？

學生表達：1. 改用塑料一次性杯子可以解決;

2. 不用杯子，用氣球也可以吧。

活動二：實施改進方案，如圖5所示。

學生表達：

問題六：兩種方案都得到了成功，如果從商品角度考慮，選擇哪種合適？

學生表達：從效果上看，難分上下，但氣球更加美觀，顏色豐富，旋轉(zhuǎn)起來格外漂亮。如果讓我購買，一定偏向于氣球環(huán)。另外，在粘連氣球的時候，應該將氣球吹成一樣大小，且每個氣球嘴應該對準環(huán)的中央位置，這樣穩(wěn)定性更好。

設計意圖：從失敗走向成功，是無數(shù)優(yōu)秀發(fā)明者必經(jīng)之路，在中央電視臺《我愛發(fā)明》的每期節(jié)目中，發(fā)明愛好者的優(yōu)秀作品必定經(jīng)歷多次改良而成的，每次的突破都是成長。對科學堅定的信念，必定深深地烙在科技愛好者的心中，學生是科技進步的未來力量，這是毋庸置疑的。

問題七：如何解釋飛舞旋轉(zhuǎn)環(huán)的原理？

學生表達：吹風機在環(huán)的一側(cè)豎直向上吹風時無法將環(huán)懸浮在空中，應將風口斜向上，在移動吹風機時氣球環(huán)會跟著動，反而吹不走，這里應該是由于流速越大壓強越小的緣故，另一側(cè)大氣壓強大于吹風機一側(cè)。

教師補充：同學只解釋了環(huán)為什么沒有吹走，那么如何旋轉(zhuǎn)的呢？其實是因為氣球是弧形的，大氣也好，水流也好，都流體，由于流體（水流或氣流）有偏離原本流動方向，改為隨著凸出的物體表面流動的傾向。當氣流與氣球表面之間存在表面摩擦時（也可以說是流體粘性），只要弧度不是很大，氣流就會順著該氣球表面流動，這樣氣球環(huán)就旋轉(zhuǎn)起來了。

設計意圖：學以致用，經(jīng)驗交流，本作品運用到康達效應，初中學生沒有接觸過，故需教師補充。學會運用知識且能解釋原理，達成用之知其所以然的效果。

四、 總結(jié)設計思路

（一）《優(yōu)雅的紙杯》教學設計流程圖

（二）教學分析

參考文獻：

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[2]常珊珊，李家清.課程改革深化背景下的核心素養(yǎng)體系構建[J].課程·教材·教法，2015（9）.

[3]柳延東.基于建構主義學習理論的自制教具設計研究：以一種演示虹吸現(xiàn)象的科普教具為例[J].廣西教育，2014（23）.

作者簡介：

高靈，浙江省杭州市，杭州市塘棲鎮(zhèn)第三中學。