紙杯也可以如此優(yōu)雅

摘?要：在浙教版初中科學(xué)大氣壓強(qiáng)的學(xué)習(xí)中，有關(guān)于“弧旋球”的問(wèn)題，若要呈現(xiàn)“弧旋球”現(xiàn)象，需要專(zhuān)業(yè)的技術(shù)，無(wú)法現(xiàn)場(chǎng)演示，學(xué)生更不可能親身體驗(yàn)。故利用馬格努斯效應(yīng)制作“紙杯滑翔機(jī)”，并拓展設(shè)計(jì)制作了“飛舞旋轉(zhuǎn)環(huán)”，以STEAM教育理念為指導(dǎo)思想，深度體悟伯努利原理。

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

一、 引言

STEAM理念下落實(shí)伯努利原理改理論思想的推進(jìn)，仍無(wú)法真正滲透在實(shí)際教學(xué)中，“理論新穎，實(shí)操傳統(tǒng)”，思維創(chuàng)新更只是句口號(hào)。很多教師偏向于理論講解，弱化實(shí)驗(yàn)演示，忽視學(xué)生對(duì)知識(shí)原理真實(shí)體驗(yàn)的重要性，導(dǎo)致學(xué)生無(wú)法真正明白理論知識(shí)在生活中的本質(zhì)運(yùn)用。

二、 “弧旋球”問(wèn)題演示遇“瓶頸”

“弧旋球”存在什么樣的科學(xué)原理？不難回答，原理也并不復(fù)雜，流體力學(xué)中的伯努利原理：在一個(gè)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(qiáng)就越小。

講解示例：

假設(shè)有一個(gè)圓柱體平穩(wěn)地向前飛行，那么氣流會(huì)平穩(wěn)地從它左右流過(guò)，氣流對(duì)它只產(chǎn)生空氣阻力，如圖1。如果這個(gè)圓柱體同時(shí)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，它的左表面運(yùn)動(dòng)方向與氣流方向相反，右表面相同，就會(huì)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(huì)向右偏，如圖2。

然而講解終究停留在理論階段，學(xué)生是有名的“視覺(jué)動(dòng)物”，喜歡親眼所見(jiàn)，眼見(jiàn)為實(shí)。教師不是專(zhuān)業(yè)的足球運(yùn)動(dòng)員，在室內(nèi)更是無(wú)法讓學(xué)生親身體驗(yàn)到這樣的科學(xué)原理。

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

本節(jié)課主要立足于大氣壓強(qiáng)與流速的關(guān)系，突出對(duì)伯努利原理的實(shí)際應(yīng)用，在“紙杯滑翔機(jī)”和“飛舞旋轉(zhuǎn)環(huán)”的制作過(guò)程中領(lǐng)悟結(jié)構(gòu)原理。

本課例把問(wèn)題作為全線導(dǎo)向，把解決重重困難作為根本性目的，力圖讓學(xué)生成為智囊團(tuán)，要求教師成為引導(dǎo)者。

在本堂課的開(kāi)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(shí)候，一般它們的方向都會(huì)垂直降落，不會(huì)有什么很大的變化，這是很多的自由落體的正常現(xiàn)象。但是視頻的內(nèi)容是這樣的：外國(guó)的小伙非常的會(huì)玩，他們爬到一百二十六米高的登高大壩，要在這里做一個(gè)實(shí)驗(yàn)，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(yīng)，剛開(kāi)始的時(shí)候他扔了一個(gè)籃球下去，只見(jiàn)籃球是成基本直線的樣式，墜落下去的方向沒(méi)有什么改變。但是當(dāng)他們?nèi)拥诙€(gè)籃球的時(shí)候使用一種技巧進(jìn)去先將球朝內(nèi)旋轉(zhuǎn)后扔下去，只見(jiàn)籃球下落的瞬間就開(kāi)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(lái)一樣越飛越遠(yuǎn)最后直接飛到了大海上去這是很神奇的一幕。

為什么球會(huì)滑翔墜落呢？這是流體力學(xué)中的馬格努斯效應(yīng)（Maganus Effect），旋轉(zhuǎn)的球體和圓柱體都會(huì)發(fā)生這種現(xiàn)象，常見(jiàn)的就是足球運(yùn)動(dòng)的“香蕉球”，可以曲線進(jìn)入球門(mén)，如圖3所示。

[任務(wù)一：利用伯努利原理制作弧線自由落體的模型]

問(wèn)題一：用什么材料來(lái)代替籃球？

學(xué)生表達(dá)：乒乓球，紙筒，紙杯。

設(shè)計(jì)意圖：激活學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)，就地取材的本領(lǐng)在生活實(shí)踐中很重要。

活動(dòng)一：小組合作討論出選取的材料，設(shè)計(jì)如何模型旋轉(zhuǎn)起來(lái)。

設(shè)計(jì)意圖：STEAM教學(xué)中，設(shè)計(jì)方案是第一步，此活動(dòng)教師不做任何的指導(dǎo)，學(xué)生評(píng)價(jià)經(jīng)驗(yàn)和生活常識(shí)設(shè)計(jì)方案，如此可以挖掘出學(xué)生的創(chuàng)新思維，面對(duì)不同的想法和創(chuàng)意，學(xué)生內(nèi)部會(huì)形成互相評(píng)價(jià)，找出設(shè)計(jì)者沒(méi)有關(guān)注到的缺陷，由此利于完善設(shè)計(jì)方案。

活動(dòng)二：方案真的可行嗎？動(dòng)手做出來(lái)檢驗(yàn)一下。

作品缺陷：由于手動(dòng)旋轉(zhuǎn)木棒的速度不夠，效果還是不明顯;木棒相對(duì)質(zhì)量過(guò)大，下落速度過(guò)快，導(dǎo)致效果不明顯。

問(wèn)題二：針對(duì)紙杯的不對(duì)稱(chēng)問(wèn)題，如何解決？

學(xué)生表達(dá)：可以用兩個(gè)紙杯拼接成對(duì)稱(chēng)的。

問(wèn)題三：那么如何解決旋轉(zhuǎn)速度不夠大的問(wèn)題？能不能從生活中見(jiàn)過(guò)的旋轉(zhuǎn)物件得到啟示？

學(xué)生表達(dá)：陀螺，悠悠球，空竹。

設(shè)計(jì)意圖：?jiǎn)拘焉罱?jīng)驗(yàn)，學(xué)會(huì)“移花接木”。

活動(dòng)三：模型改進(jìn)。

學(xué)生表達(dá)：1. 杯底相接，用繩子;

2. 杯底相接，用橡皮筋;

3. 紙筒用皮筋。

問(wèn)題四：繩子和橡皮筋有什么區(qū)別？哪個(gè)材料比較合適？

學(xué)生表達(dá)：橡皮筋有彈性，繩子比較牢固。但是杯子比較輕，使用繩子無(wú)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(wèn)題五：看了紙筒和紙杯的效果，有何感想？

學(xué)生表達(dá)：紙筒在固定橡皮筋時(shí)不夠穩(wěn)定，易滑動(dòng)，而杯子的形狀，是兩個(gè)相對(duì)的圓錐形，也增加了它的穩(wěn)定性。

設(shè)計(jì)意圖：在選材上，學(xué)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(xué)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(wú)數(shù)次地取材試驗(yàn)后才得以成功。取材是很關(guān)鍵的，如此有利于鍛煉學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)取材的敏銳度。

活動(dòng)四：成果制作大比拼。

比拼規(guī)則：每組學(xué)生將制作好的紙杯滑翔機(jī)進(jìn)行試飛，保證紙杯滑翔機(jī)完整落地飛行時(shí)間較長(zhǎng)的獲勝。

設(shè)計(jì)意圖：在整個(gè)任務(wù)中，作品不斷被優(yōu)化直至呈現(xiàn)，學(xué)生學(xué)會(huì)靈活運(yùn)用伯努利原理，基本掌握STEAM學(xué)習(xí)的方法，強(qiáng)化了解決實(shí)際問(wèn)題的本領(lǐng)。

[任務(wù)二：制作飛舞旋轉(zhuǎn)環(huán)]

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

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

學(xué)生表達(dá)：可以像風(fēng)車(chē)一樣旋轉(zhuǎn)，借助風(fēng)的力量，如圖4所示。

問(wèn)題二：室內(nèi)如何得到較大的風(fēng)？

學(xué)生表達(dá)：可以用電風(fēng)扇或吹風(fēng)機(jī)。

活動(dòng)一：制作紙杯環(huán)。

問(wèn)題三：為什么紙杯環(huán)旋轉(zhuǎn)會(huì)失敗？

學(xué)生表達(dá)：六個(gè)紙杯的重力太大，吹風(fēng)機(jī)的風(fēng)力不足以支撐紙杯環(huán)懸浮。

問(wèn)題四：忽略紙杯重力因素，哪種設(shè)計(jì)更符合旋轉(zhuǎn)要求？

學(xué)生表達(dá)：雖然因?yàn)橹亓Φ脑颍埍瓫](méi)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?yàn)榧埍菆A臺(tái)形狀的，這樣設(shè)計(jì)會(huì)比較對(duì)稱(chēng)，更容易達(dá)到旋轉(zhuǎn)的效果。

設(shè)計(jì)意圖：在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)探究中，不是每一次實(shí)驗(yàn)都是可以成功的，教師設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)往往喜歡安排成功性很大的實(shí)驗(yàn)，為學(xué)生提供捷徑，學(xué)生不能體驗(yàn)失敗的滋味，失敗的結(jié)果可以說(shuō)是成功的，更符合STEAM教學(xué)的本質(zhì)要求。

問(wèn)題五：如何解決現(xiàn)有的困境？

學(xué)生表達(dá)：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(dòng)二：實(shí)施改進(jìn)方案，如圖5所示。

學(xué)生表達(dá)：

問(wèn)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(xué)生表達(dá)：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(lái)格外漂亮。如果讓我購(gòu)買(mǎi)，一定偏向于氣球環(huán)。另外，在粘連氣球的時(shí)候，應(yīng)該將氣球吹成一樣大小，且每個(gè)氣球嘴應(yīng)該對(duì)準(zhǔn)環(huán)的中央位置，這樣穩(wěn)定性更好。

設(shè)計(jì)意圖：從失敗走向成功，是無(wú)數(shù)優(yōu)秀發(fā)明者必經(jīng)之路，在中央電視臺(tái)《我愛(ài)發(fā)明》的每期節(jié)目中，發(fā)明愛(ài)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(zhǎng)。對(duì)科學(xué)堅(jiān)定的信念，必定深深地烙在科技愛(ài)好者的心中，學(xué)生是科技進(jìn)步的未來(lái)力量，這是毋庸置疑的。

問(wèn)題七：如何解釋飛舞旋轉(zhuǎn)環(huán)的原理？

學(xué)生表達(dá)：吹風(fēng)機(jī)在環(huán)的一側(cè)豎直向上吹風(fēng)時(shí)無(wú)法將環(huán)懸浮在空中，應(yīng)將風(fēng)口斜向上，在移動(dòng)吹風(fēng)機(jī)時(shí)氣球環(huán)會(huì)跟著動(dòng)，反而吹不走，這里應(yīng)該是由于流速越大壓強(qiáng)越小的緣故，另一側(cè)大氣壓強(qiáng)大于吹風(fēng)機(jī)一側(cè)。

教師補(bǔ)充：同學(xué)只解釋了環(huán)為什么沒(méi)有吹走，那么如何旋轉(zhuǎn)的呢？其實(shí)是因?yàn)闅馇蚴腔⌒蔚模髿庖埠茫饕埠茫剂黧w，由于流體（水流或氣流）有偏離原本流動(dòng)方向，改為隨著凸出的物體表面流動(dòng)的傾向。當(dāng)氣流與氣球表面之間存在表面摩擦?xí)r（也可以說(shuō)是流體粘性），只要弧度不是很大，氣流就會(huì)順著該氣球表面流動(dòng)，這樣氣球環(huán)就旋轉(zhuǎn)起來(lái)了。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)以致用，經(jīng)驗(yàn)交流，本作品運(yùn)用到康達(dá)效應(yīng)，初中學(xué)生沒(méi)有接觸過(guò)，故需教師補(bǔ)充。學(xué)會(huì)運(yùn)用知識(shí)且能解釋原理，達(dá)成用之知其所以然的效果。

四、 總結(jié)設(shè)計(jì)思路

（一）《優(yōu)雅的紙杯》教學(xué)設(shè)計(jì)流程圖

（二）教學(xué)分析

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：

高靈，浙江省杭州市，杭州市塘棲鎮(zhèn)第三中學(xué)。