科學(xué)與超級英雄

內(nèi)森·多倫茨 阿賈·伍德 梅根·沃什伯恩 亞當(dāng)·巴特森 布列塔尼·范 維多利亞·狄更斯 香農(nóng)·阿姆斯特朗

0 引言

角色扮演已被證實(shí)能提高學(xué)生的參與度，并改善課堂的整體環(huán)境。當(dāng)角色扮演活動得到有效運(yùn)用時(shí)，可讓學(xué)習(xí)任務(wù)變得更易于被學(xué)生接受。不同于面對考試，當(dāng)學(xué)生遇到與其性格完全沖突的新角色時(shí)，某種程度上會激發(fā)他們表演符合該角色舉止的欲望。當(dāng)學(xué)生在課堂上扮演的新角色產(chǎn)生出積極作用時(shí)，他們就會嘗試將其運(yùn)用到現(xiàn)實(shí)生活中。我們在課程中借助角色扮演這種教學(xué)策略，讓學(xué)生通過扮演超級英雄來學(xué)習(xí)相關(guān)科學(xué)知識并操作科學(xué)儀器。

我們使用一種逆向思維來策劃這門課程，將重點(diǎn)放在學(xué)習(xí)目標(biāo)上——空氣壓力的概念，即空氣可以施加力從而產(chǎn)生氣壓。利用結(jié)構(gòu)化探究的方法，讓學(xué)生自主解答科學(xué)教師提出的問題，進(jìn)而理解空氣和氣壓的特性。將學(xué)習(xí)目標(biāo)與活動環(huán)節(jié)互相關(guān)聯(lián)，并融入超級英雄的故事情節(jié)中：學(xué)生們扮演成維護(hù)正義的“特工”，共同對抗虛構(gòu)的“反派”。為了避免學(xué)生的語言暴力行為，科學(xué)教師將以身作則，引導(dǎo)他們保持正確的心態(tài)。

1 奮力向前沖

最近，超級英雄們招募了一批新成員，來幫助他們擊敗威脅城市安全的大反派。這些新成員已經(jīng)學(xué)會了一系列小工具的用法。戴上面具，披上斗篷，隱藏好自己的身份，他們開始了第一個(gè)任務(wù)——化學(xué)家“惡氟”釋放出大量有毒氣體，特工們要駕駛“氣球火箭”（見圖1）飛離城市，消除這些正在入侵的危險(xiǎn)泡沫。

第一部分的學(xué)習(xí)目標(biāo)在于讓學(xué)生明白氣球中的空氣如何推動其穿過房間，以及氣球的運(yùn)動狀態(tài)與動能、勢能有何種關(guān)聯(lián)。在活動前的小組分工、活動中的動手操作以及活動后的作品演示中，我們通過形成性問題，完成對學(xué)生的評價(jià)。

首先，我們要創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境。作為超級英雄的一員，在課堂上每個(gè)學(xué)生都戴著各自的紙面具，身穿布斗篷。我們相信，秘密身份的確立會將學(xué)生們凝聚成一個(gè)團(tuán)隊(duì)。

然后，組織學(xué)生觀看事先準(zhǔn)備的背景影片，并提出一個(gè)問題：氣球里吹進(jìn)空氣的量將如何影響氣球的飛行距離？指導(dǎo)學(xué)生學(xué)會使用“氣球火箭”，要注意是否有人對乳膠過敏，在釋放氣球時(shí)必須戴上護(hù)目設(shè)備。將不同量的空氣吹入“氣球火箭”中，并測量它們的飛行距離。吹入氣球的空氣越多，被儲存的潛在能量就越大。當(dāng)氣球被釋放時(shí)，勢能轉(zhuǎn)化為動能，氣球就可以飛得更遠(yuǎn)。為了解釋這一現(xiàn)象，引入“推力”一詞來描述氣球與空氣之間的相互作用力，就是這種力使“氣球火箭”向前推進(jìn)。

在第一部分的活動中，學(xué)生們吹起氣球，穿越教室擊中目標(biāo)。勝利之后，超級英雄們舉辦了一場新聞發(fā)布會，講述“氣球火箭”背后的科學(xué)原理。

2 極地渦旋

現(xiàn)在，超級英雄們信心倍增。然而，他們又發(fā)現(xiàn)了另一個(gè)威脅——“極地渦旋”。這個(gè)野心勃勃的冰雪女王來自遙遠(yuǎn)的國度，正準(zhǔn)備把大都市變成她的新宮殿。對此，超級英雄們準(zhǔn)備用“漩渦加農(nóng)炮”來摧毀紙杯組成的“冰墻”。

如圖2所示，“漩渦加農(nóng)炮”由密封的、中等大小的紙箱（50 cm×35 cm×35 cm）制作而成，每個(gè)紙箱都從最窄邊裁出一個(gè)直徑約12 cm的圓孔。

施加力之后，空氣會移動嗎？第二部分的學(xué)習(xí)目標(biāo)是讓學(xué)生了解空氣占據(jù)了一定的空間，在力的作用下可以發(fā)生位移。

為了直觀地反映大都市需要應(yīng)對的兩大問題：“惡氟”與“極地渦旋”，要求學(xué)生以繪畫的形式描述科學(xué)英雄與大反派對決的細(xì)節(jié)。繪畫練習(xí)可以提高學(xué)生解決問題的能力，幫助他們回顧科學(xué)知識、展開頭腦風(fēng)暴。在這一過程中，科學(xué)教師要仔細(xì)觀察學(xué)生所繪的插圖，并記錄下他們對所學(xué)知識的表述。

接下來，學(xué)生們同時(shí)擊打“漩渦加農(nóng)炮”的兩側(cè)。通過對紙箱的側(cè)面用力，一股強(qiáng)氣流會從紙箱里沖出，將距離紙箱1 m左右的物體掀翻。我們將煙霧送入“漩渦加農(nóng)炮”中，以顯示空氣離開紙箱時(shí)的形狀。同時(shí)，向?qū)W生展示塑料瓶被擠壓的過程：當(dāng)擰緊瓶蓋時(shí)，塑料瓶根本擠壓不動，因?yàn)槔锩娴目諝鉄o法逃逸；當(dāng)打開瓶蓋時(shí)，瓶子就會被完全擠扁。

在第二部分的活動中，學(xué)生們拍打紙箱，形成氣流沖擊目標(biāo)。勝利之后，超級英雄們分別接受電視臺的專訪，講述“漩渦加農(nóng)炮”背后的科學(xué)原理。

3 發(fā)射體

大都市里的超級英雄們又有了新的任務(wù)：一只名叫“垃圾鼠”的超級大老鼠，肆無忌憚地在各個(gè)角落亂扔垃圾，讓整個(gè)城市臭氣熏天。超級英雄們想要借助“跺腳火箭”（見圖3）消滅它，讓清潔重回城市。

第三部分的學(xué)習(xí)目標(biāo)建立在“由力產(chǎn)生的空氣壓力可以作用在另一個(gè)物體”上。正如之前所學(xué)的內(nèi)容，可以通過將氣球中的空氣釋放出來，或是拍打紙箱的側(cè)面將空氣擠出。此外，調(diào)整發(fā)射裝置的角度也能影響物體的運(yùn)動軌跡。

以什么角度發(fā)射，“跺腳火箭”飛得最遠(yuǎn)？從數(shù)據(jù)收集的三個(gè)步驟出發(fā)，要求學(xué)生自己找出答案。首先，我們將泡沫火箭與腳踏氣泵相連，以產(chǎn)生足夠的空氣壓力。接下來，我們將發(fā)射裝置調(diào)整成三種不同的角度（20°、30°、40°），對每個(gè)角度進(jìn)行三次測試。最后，我們實(shí)施模擬發(fā)射，用卷尺來測量飛行距離。為了確保安全，“跺腳火箭”要面朝遠(yuǎn)離學(xué)生的方向，等到所有學(xué)生都離開著陸區(qū)后才能進(jìn)行發(fā)射。

在第三部分的活動中，學(xué)生們根據(jù)“垃圾鼠”所在的位置，調(diào)整“跺腳火箭”發(fā)射裝置的角度，打得它無處可去。勝利之后，超級英雄們在模擬演播室中侃侃而談，講述“跺腳火箭”背后的科學(xué)原理。

4 援軍

“惡氟”“極地渦旋”“垃圾鼠”合伙對大都市進(jìn)行破壞，必須在它們溜走之前將其抓獲！好像心有靈犀一般，超級英雄們從天而降，讓我們攜起手來，共同拯救這個(gè)城市！

在最后一部分的活動中，家長也參與了進(jìn)來，與孩子們一起回答關(guān)于“氣球火箭”、“漩渦加農(nóng)炮”和“跺腳火箭”的問題。

下列說法哪些是對的？

（1）“氣球火箭”

吹進(jìn)氣球的空氣越多，它就越有動力飛越整個(gè)房間。

吹進(jìn)氣球的空氣越少，它就越?jīng)]有動力飛越整個(gè)房間。

當(dāng)氣球釋放空氣并向前運(yùn)動時(shí)，空氣的勢能轉(zhuǎn)化為動能。

當(dāng)氣球中的空氣被釋放出來時(shí)，產(chǎn)生了一個(gè)向前的動力，我們把它稱為“推力”。

氣球推動空氣的力與氣球的運(yùn)動方向是相同的。

（2）“漩渦加農(nóng)炮”

因?yàn)榭諝馐菬o形的，所以空氣不占用空間。

空氣有質(zhì)量并且占用空間。

當(dāng)你擊打紙箱的側(cè)面時(shí)，空氣會從紙箱里跑出來。

當(dāng)塑料瓶里的空氣無法逃脫時(shí)，可以徹底把它擠扁和壓碎。

從圓孔中出來的渦流環(huán)被認(rèn)為是一種通過空氣流動的流體。

（3）“跺腳火箭”

腳踏氣泵對空氣產(chǎn)生的作用力是泡沫火箭飛到空中的原因。

腳踏的力量越大，空氣對泡沫火箭的作用力就越強(qiáng)。

即使泡沫火箭的頂端有個(gè)大洞，它仍能發(fā)射。

在力量相同的情況下，泡沫火箭以40°發(fā)射的飛行距離比20°更遠(yuǎn)。

泡沫火箭以20°發(fā)射的飛行距離比40°更遠(yuǎn)。

5 結(jié)語

通過在科學(xué)課程中使用角色扮演的策略，我們創(chuàng)造出一個(gè)更像游戲而不是學(xué)習(xí)的環(huán)境。學(xué)生在活動中表現(xiàn)出了高水平，積極融入故事情節(jié)并認(rèn)真學(xué)習(xí)相關(guān)內(nèi)容。他們不僅掌握了一系列工具背后的科學(xué)原理，并且意識到自己所擔(dān)負(fù)的責(zé)任。

文章來源

Nathan Dolenc， Aja Wood， Megan Washburn， et al. Science and superheroes： In this role-play activity， K-1 students act as superhero agents while learning the science behind a series of gadgets[J]. Science and Children， 2016（10）： 56-61.