吸管火箭

哪個(gè)孩子不喜歡仰望夜空？哪個(gè)孩子不被夜空的美妙景象所吸引？他們都暢想著有一天能登上宇宙飛船，去銀河系遨游。為了引起學(xué)生的興趣，我設(shè)計(jì)了《吸管火箭》單元。在這一節(jié)的學(xué)習(xí)中，學(xué)生需要制作吸管火箭并挑戰(zhàn)發(fā)射，比較誰(shuí)設(shè)計(jì)的火箭飛得更遠(yuǎn)。本課適合四到五年級(jí)的學(xué)生。

在這一單元學(xué)習(xí)中，學(xué)生要學(xué)會(huì)控制和操作變量，他們要測(cè)試吸管火箭，評(píng)估每個(gè)變量，決定理想的飛行模型。這一過(guò)程將會(huì)深深吸引學(xué)生，他們會(huì)研究所收集的飛行數(shù)據(jù)，分析吸管火箭的飛行結(jié)果，并對(duì)設(shè)計(jì)的裝置進(jìn)行改進(jìn)。

一、火箭簡(jiǎn)史

在單元開始前，我會(huì)先向?qū)W生介紹火箭的歷史。從中國(guó)的煙花到現(xiàn)代的火箭，建造火箭的歷史是個(gè)十分有趣的故事。在19世紀(jì)60年代，科幻小說(shuō)家儒勒·凡爾納曾設(shè)想有一艘太空飛船能從地面射出去，并飛到月球上。再往前回顧，事實(shí)上第一個(gè)火箭是由中國(guó)人制造的。大約在公元14世紀(jì)末，有一個(gè)名叫萬(wàn)戶的官員，他在凳子上綁煙火筒并點(diǎn)燃，希望借此飛上月球?；鹚幦紵龝r(shí)會(huì)發(fā)出巨大的轟鳴聲，但一旦火藥燃盡，就沒(méi)有動(dòng)力帶著萬(wàn)戶和他的椅子飛翔。1900年，我們可以看到現(xiàn)代火箭發(fā)展的明顯進(jìn)步，許多科學(xué)家為此做出了貢獻(xiàn)，如俄羅斯物理學(xué)家康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基、美國(guó)物理學(xué)家羅伯特·戈達(dá)德、火箭設(shè)計(jì)者德國(guó)的沃納·馮·布勞恩等?，F(xiàn)在有許多書可以幫助學(xué)生了解更多有關(guān)火箭的歷史，如羅恩·米勒寫的《火箭的歷史》及《火箭》。

二、火箭是怎樣運(yùn)行的

在學(xué)生開始設(shè)計(jì)及制作吸管火箭前，他們需要理解什么是火箭，并知道火箭是如何運(yùn)行的。我決定通過(guò)頭腦風(fēng)暴來(lái)向?qū)W生介紹這些知識(shí)。首先問(wèn)：“什么是火箭？”有學(xué)生回答：“它是把人帶到外太空的一種裝置。”有的說(shuō)：“它是很大、很吵的一種機(jī)器，離開地面時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的煙和氣體?！钡诙€(gè)問(wèn)題通常要比之前的問(wèn)題難一點(diǎn)：“你認(rèn)為是什么使得火箭能飛起來(lái)？”有人回答：“它使用大量的燃料?！币灿腥苏f(shuō)：“是大爆炸提起火箭，使火箭離開地面?！鳖^腦風(fēng)暴結(jié)束后，我們開始討論蘊(yùn)含在火箭背后的科學(xué)。

本節(jié)課，學(xué)生將接觸到牛頓第三定律。牛頓第三定律描述的是力相互作用的關(guān)系，即“作用力和反作用力總是大小相等，方向相反，作用在同一條直線上?！币粋€(gè)氣球就可以很好地解釋這一點(diǎn)。如果你向氣球里吹足氣，然后釋放它，空氣會(huì)從開口處跑出來(lái)，它會(huì)促使氣球向氣體跑出的反方向運(yùn)動(dòng)。空氣從氣球釋放出來(lái)產(chǎn)生的力是一個(gè)作用力，與之相等的力，是空氣從氣球釋放的、驅(qū)動(dòng)氣球向前運(yùn)動(dòng)的力，這是反作用力。這個(gè)活動(dòng)讓學(xué)生十分激動(dòng)，他們都在家做過(guò)這樣的實(shí)驗(yàn)。也可以將這個(gè)課擴(kuò)展為用氣球、風(fēng)箏線、一個(gè)塑料吸管、一個(gè)干凈的塑料包、膠帶來(lái)制作一個(gè)氣球火箭，如果有學(xué)生對(duì)乳膠過(guò)敏，最好購(gòu)買由乙烯基、箔或塑料制成的氣球。

火箭的一個(gè)重要特征是，它能將氣體從一個(gè)方向排出，當(dāng)氣體從火箭的尾部排出時(shí)，火箭就會(huì)被推著向上運(yùn)動(dòng)?；鸺饔迷谌紵剂仙系牧?，會(huì)產(chǎn)生大小相等、方向相反的反作用力來(lái)推動(dòng)火箭運(yùn)行。促使火箭運(yùn)行的反作用力也叫做推力，推力的大小取決于兩個(gè)因素，即火箭噴出的氣態(tài)的質(zhì)量和速度。火箭離開地面時(shí)，一定要有比重力更大的推力，推力越大，則火箭運(yùn)行速度越快。這里，我參考的是西蒙·布魯姆的《保持引力》一書。火箭的能量也可以是吸管火箭的能量源，吸管火箭的發(fā)射臺(tái)比較昂貴，可以自制發(fā)射臺(tái)來(lái)代替，谷歌上就有制作發(fā)射臺(tái)的詳細(xì)步驟。有些資料書也可以讓學(xué)生了解到火箭的運(yùn)行原理，如《火箭是如何運(yùn)行的》《火箭及其他飛行器》。

三、讓我們開始吸管火箭活動(dòng)

在NSTA鏈接中，可以找到吸管火箭的一些記錄及數(shù)據(jù)表。那么，我們?yōu)槭裁匆x擇在教室開展吸管火箭活動(dòng)呢？因?yàn)檫@是一個(gè)融入STEM的活動(dòng)，具體包括科學(xué)模型制作、數(shù)據(jù)收集、設(shè)計(jì)測(cè)試和一些數(shù)學(xué)技能。

開始制作前，我向大家展示了一個(gè)有關(guān)吸管火箭的視頻，它很好地介紹了制作和測(cè)試吸管火箭的過(guò)程。

看完視頻后，我問(wèn)大家：“你們會(huì)如何設(shè)計(jì)一個(gè)吸管火箭讓它運(yùn)行最遠(yuǎn)呢？”在和學(xué)生討論火箭的設(shè)計(jì)前，我花了一些時(shí)間了解學(xué)生對(duì)制作火箭的想法。有的學(xué)生覺(jué)得可以設(shè)計(jì)三角形或正方形火箭，另一些同學(xué)描述的火箭與NASA的火箭類似。討論結(jié)束后，我們正式開始火箭的設(shè)計(jì)工作。由于要操作具體變量，所以需要回顧火箭的規(guī)格：吸管長(zhǎng)10～20厘米，可以有2～5個(gè)翅片，火箭頭必須在直徑2厘米以內(nèi)，同一火箭將會(huì)有三個(gè)不同的發(fā)射角度，學(xué)生應(yīng)一一記錄。然后，學(xué)生記錄下他們的猜想，并動(dòng)手設(shè)計(jì)火箭。他們需要畫出火箭草圖，然后制作火箭。在制作階段，測(cè)量技能是十分重要的。學(xué)生需要用尺子去量吸管的長(zhǎng)度和火箭頭的直徑，并使用三梁天平來(lái)確定火箭的質(zhì)量，如果學(xué)生熟悉雙盤天平的話，也可以用它來(lái)代替。這一過(guò)程中，將翅片裝在吸管上可能會(huì)有一定困難，因而我建議兩個(gè)同學(xué)一起合作完成。

四、吸管火箭測(cè)試

完成火箭的設(shè)計(jì)、制作及測(cè)量后，學(xué)生應(yīng)在無(wú)風(fēng)天氣下，去空曠的室外完成測(cè)試。由于學(xué)生選擇三個(gè)不同的發(fā)射角度，因此需要記錄三次發(fā)射的不同距離。從記錄來(lái)看，比較遠(yuǎn)的距離有39米。

測(cè)試前，我建議在地面展開30米的卷尺，這樣有利于同學(xué)們看到自己火箭的飛行距離。同時(shí)提醒他們帶好安全風(fēng)鏡，便于在發(fā)射地區(qū)能夠清晰地看到火箭飛行。

接下來(lái)，讓學(xué)生們帶著記錄表、剪貼板和一支鉛筆，記錄下火箭的飛行距離。當(dāng)火箭釋放后，學(xué)生很有可能因?yàn)榧?dòng)而忘記記錄數(shù)據(jù)，所以有時(shí)需要提醒學(xué)生專注自己的工作。我很期待聽到火箭飛出去后學(xué)生發(fā)出的歡呼，但并不是所有的火箭都能飛得很好，作為老師，我們應(yīng)安慰學(xué)生，讓他們有另一次機(jī)會(huì)改進(jìn)火箭的設(shè)計(jì)。

一名學(xué)生正在記錄她的火箭飛行數(shù)據(jù)

接下來(lái)的步驟就是分析火箭飛行的結(jié)果，測(cè)試的唯一變量是火箭發(fā)射的角度。我們希望通過(guò)控制變量來(lái)建立一個(gè)更系統(tǒng)的方法。之前的活動(dòng)中，控制的變量是吸管的長(zhǎng)度、翅片的個(gè)數(shù)和火箭頭的大小，操作的變量是發(fā)射角度。這一次，學(xué)生沒(méi)有改變火箭自身的設(shè)計(jì)，僅需控制火箭的發(fā)射角度。

五、吸管火箭的改進(jìn)

在之后的活動(dòng)中，學(xué)生可以操縱一個(gè)之前被控制的變量，從而控制其他變量。例如，可以被操作的變量有吸管的長(zhǎng)度，學(xué)生可以設(shè)計(jì)、制作、測(cè)試并記錄數(shù)據(jù)。火箭長(zhǎng)度可以是10厘米、15厘米或20厘米。與此同時(shí)，翅片的數(shù)量和設(shè)計(jì)得保持不變，鼻錐的大小也得統(tǒng)一，發(fā)射角度45度。通過(guò)保持其他變量不變，學(xué)生能夠了解每個(gè)被操縱的變量如何影響火箭的飛行。

操作的變量也可以是翅片的數(shù)量或火箭頭的大小。在本單元最后，學(xué)生能夠?qū)Πl(fā)射最遠(yuǎn)的火箭類型達(dá)成共識(shí)。

六、一些困難

在向?qū)W生介紹火箭的制作和發(fā)射主題時(shí)，學(xué)生說(shuō)出了他們腦中的一些科學(xué)概念。最初，學(xué)生們對(duì)火箭的美觀更為重視，而不是考慮火箭的什么特性能使之飛得最遠(yuǎn)。在學(xué)生初次試飛火箭后，這個(gè)誤解不再是個(gè)問(wèn)題。第二個(gè)困難是能否精確測(cè)量、稱量火箭。一些學(xué)生使用尺子的方法并不準(zhǔn)確，從而導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)有誤。此外，對(duì)火箭質(zhì)量的稱量也是一大挑戰(zhàn)。

對(duì)于低年級(jí)學(xué)生，讓他們對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和下結(jié)論會(huì)很困難，而這恰恰是一個(gè)重要的技能，在他們今后的生活中會(huì)多次用到。寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告也令人頭疼，《吸管火箭》單元開始，學(xué)生就要為實(shí)驗(yàn)報(bào)告做準(zhǔn)備，他們需要檢查火箭飛行的結(jié)果，然后操作一些變量使火箭飛得更好，因而準(zhǔn)備工作至關(guān)重要，但學(xué)生在這一點(diǎn)上仍有困難。

七、課程評(píng)價(jià)

在《吸管火箭》單元，我用了許多方法來(lái)評(píng)價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí)。在課上，我會(huì)提問(wèn)或觀察學(xué)生們?cè)诨鸺w行實(shí)驗(yàn)中的一些具體細(xì)節(jié)。我要看學(xué)生有沒(méi)有用尺子準(zhǔn)確記錄下飛行距離，檢查學(xué)生是否按照規(guī)格制作火箭，聽聽學(xué)生是否能說(shuō)清楚他們所做的工作。最后，我想看看學(xué)生能否在第一次試飛的基礎(chǔ)上，制作出一個(gè)更成功的火箭。對(duì)此，我會(huì)專門設(shè)計(jì)一個(gè)環(huán)節(jié)來(lái)評(píng)判學(xué)生的表現(xiàn)。

《吸管火箭》單元十分有趣且富有教育意義。學(xué)期快結(jié)束時(shí)，我問(wèn)學(xué)生最喜愛(ài)的活動(dòng)是哪個(gè)，他們首先說(shuō)到的就是吸管火箭，我感到非常欣慰。這是一個(gè)將STEM與課程相融得很好的活動(dòng)，學(xué)生們充分享受了活動(dòng)的過(guò)程。

八、吸管火箭制作指南

下面是對(duì)吸管火箭制作的一些簡(jiǎn)單指導(dǎo)：

1.拿出一根吸管，并將其長(zhǎng)度切到10厘米到20厘米之間；

2.在卡紙上，畫出你將貼在火箭上的翅片，將翅片剪下來(lái)，并用剪下的翅片做模板，接著制作剩下的翅片；

3.使用透明膠帶，將翅片貼到吸管火箭上；

4.制作黏土火箭頭，直徑2厘米或更少；

5.將黏土火箭頭放置到吸管底端。