优秀STEAM案例 撞上之前停下来——初探减速运动

课程背景与目际:加速运动和减速运动是牛顿力学体系中非常重要的运动形式,两者速度变化相反,但是道理是统一的,掌握其中的一个即可以很容易地掌握另一个。

加速运动多与人类活动的进取方面相关;而减速运动则更多地和我们日常方方面面的安全事务相关,大到一颗人造卫星,小到一颗粒子,都可能需要利用减速运动来达到相应的目的,前者如用于内侧变轨,后者如用于核反应堆的中子控制。

在日常生活中,减速运动多用在交通出行上。汽车、火车如果刹车制动失灵将造成难以估量的损失结果可能是毁灭性的。为此,人类利用摩擦力制造了制动系统,以汽车为例,其作用是使行驶中的汽车按照驾驶员的要求进行强制减速甚至停车,使已停驶的汽车在各种道路条件下(包括在坡道上)稳定驻车,使下坡行驶的汽车速度保持稳定,不致失控。

目前,各类汽车使用的制动器都是摩擦制动器,其阻止汽车运动的制动力矩来源于固定元件和旋转工作表面之间的摩擦。

为了更好地了解减速运动,可以借助实验。实验是指为了检验某种科学理论或假设而进行某种操作或从事某种活动。一些实验的结果往往是已经知道的或者是确定的,进行实验的目的是验证结果或找出导致结果不同的实验条件。

在研究减速运动的实验中,摩擦力的作用是确定的,但是究竟在什么样的情况下会出现摩擦力的变化以及怎样变化,则需要学生自己动手通过实验去探究。

由此,本课程旨在让二年级学生了解减速运动的概念,了解科学家进行科学实验的方法,培养对正确运用工具、记录数据,最终得出科学结论的完整过程的认识。以摩擦力和减速运动为示例,本课程旨在引导学生思考已知条件和未知结果之间的联系。

课程任务:了解减速运动,学习如何让运动的物体降低速度直到停下来;认识常见的阻力、摩擦力等,了解它们对物体运动速度的影响;学习进行实验的基本方法,产生学习科学的兴趣;尝试用文字记录实验数据和实验现象,做出分析。

(2)讲述科学实验的概念。教师可以在此处举出一些有代表性的科学实验的例子。

(3)启发学生思考进行科学实验的目的,以及为了达成目的科研人员需要做的工作。

(4)启发学生思考科学实验需要经历的过程,如预测、设计、准备、执行、观察、记录、分析和书写报告等。重点讨论预测、观察、记录和书写报告的意义与重要性。

简单介绍假设、变量的概念。启发学生思考怎样才能准确记录或者更好地记 录,有什么方法(如多次测量取平均值等)。

(1)任务:给定一个距离,要求小车从一块木板上滑下来,并在另一个平面上继续滑行,思考是否能够避免撞到这个距离上的障碍物(此距离指木板的下端与地面接触点到障碍物间的距离),在什么情况下会撞到,什么情况下不会撞到。学生先每个人制订实验计划,然后以小组为单位设计实验、完成实验,并列出结果。

(2)材料:尺子、玻璃纸、砂纸、毛巾、木板、玩具小车、胶带、剪刀、秒表。

小组成员只有不到一半的人制订了实验计划,讨论后得出的实验没计过于简单,缺乏可操作性或不合逻辑

大部分组员都有自己制订的实验计划,讨论后得出的实验设计体现了步骤的先后顺序,但是存在错误步骤

所有组员均按照要求制订了自已的实验计划,并通过讨论得出了最佳方案:最终的实验设计步骤清晰,逻辑严谨,考虑周到,有较高的可操作性

对于在不同材质上滑行的小车,大家有什么样的预测?在每次实验前,你的预测是什么?和实验的结果相比有什么不同?按照情况要求填写任务单。

提出问题后,给少量时间让各小组进行沟通准备。每个人都要写出自己的预测和实验计划,然后小组讨论执行什么样的实验计划。

你的预测是什么?你们小组的预测是什么?怎样能用一句话或者简短的文字概括?

你的设计是什么?你们小组的设计是什么?如果分别列出每个步骤的话,共分为几步?

你们认为观察到的结果该如何列入图表中?你们是否在实验前就设计了这样的表格和图的框架?它们包括了哪些内容?为何如此设计?

在实验结果的基础上如何归纳影响小车运动的因素?有几种?它们之间有关系吗?

(1)任务:由教师设定一个固定了高度的木板以及木块起始滑行的位置,再在木块滑行的路面的某个位置放置一个小木块(即终点),让学生设计一个由两种及以上材料拼接而成的路面并将其放置在木板下方木块下滑的途中,看谁在规定的时间内(10分钟)能够拼出最好的路面让小车滑下来距离那个小木块最近且不发生碰撞(测量三次取最佳值,允许两次失败,即允许两次碰撞到小木块)。

(2)材料:尺子、玻璃纸、砂纸、毛巾、木板、玩具小车、胶带、剪刀、秒表。

实验设计缺乏条理性,测试的次数和记录过少,记录只有一至两条,且数据无法说明如何达到“最近而不发生碰撞”的目的

实验设计具有一定的条理性,测试的次数一般,记录在三至五条,但是实验结果没有达到“最近而不发生碰撞”的目的

实验设计具有较好的条理性,测试三次以上,记录在三条以上,且实验结果达到了“最近而不发生碰撞”的目的

图较好地表达了表格的内容,甚至进行了延伸,图上刻度设计清晰缜密,符合逻辑

在展示中,至少有一次没能成功地避免碰撞,或避免了碰撞但小车距离木块的最好成绩与其他组小车距离木块的最好成绩相比最远

在展示中,至少有一次成功地避免了碰撞,小组小车的最好成绩与其他组的最好成绩相比处于中游水平

在展示中,至少有一次成功地避免了碰撞,小组小车的最好成绩为各组中成绩最好的,即距离最短

哪种材料能让小车在最短时间内速度变慢?哪种材料能让小车变慢的过程最不明显?

材料是否要裁剪?这些裁剪是否有规律?如果有,是什么规律? 当把路面的两种材料的位置互换时,小车停下来的位置还一样吗?你是怎样预测的?测试的结果又如何?

你们认为观察到的结果该如何列入图表中?你们是否在实验前就设计了这样的表格和图的框架?它们包括了哪些内容?为何如此设计?

你们觉得应当将更加粗糙的材料放在所制作的路面的靠后阶段还是靠前阶段?为什么?

得分高的小组在哪些方面做得比其他组要好?或者哪些方面让你印象深刻或受到启发?

教师在其他给定高度上释放小车,请学生预测小车在各小组制作的拼接路面上能够滑行的距离。学生讨论如何利用图表,哪些数据是关键性的数据,并说出原因。

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