作者：杜媛/中國鐵道博物館
(相關(guān)資料圖)
“火車是如何轉(zhuǎn)彎的”課程以“基于展廳資源，引導(dǎo)學(xué)生自主探究，提升學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)”為宗旨，以“火車車輪結(jié)構(gòu)與軌道轉(zhuǎn)彎功能研究”為主線，借鑒《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》中針對5-6年級必做探究實(shí)踐活動“觀察輪軸在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用”的要求，聚焦“火車輪對為什么里大外小”問題，引導(dǎo)相應(yīng)學(xué)齡段學(xué)生開展實(shí)驗(yàn)探究進(jìn)行驗(yàn)證，帶領(lǐng)學(xué)生深入“鐵路背后的科學(xué)”，激發(fā)探索精神，發(fā)展科技創(chuàng)新能力。
教學(xué)過程
階段1.課前引入
階段目標(biāo) ——
提出問題，引入主題
學(xué)情分析及教學(xué)策略 ——
學(xué)生容易對有些熟悉但又不太確定的問題產(chǎn)生濃厚的興趣，輔導(dǎo)教師可通過提問，將學(xué)生的注意力轉(zhuǎn)移到教學(xué)內(nèi)容上。
教學(xué)活動腳本 ——
在“火車是如何轉(zhuǎn)彎的”課程開始之初，輔導(dǎo)教師提問：“火車有方向盤嗎？汽車是靠操縱方向盤實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，輪船和飛機(jī)利用舵轉(zhuǎn)彎，那火車如何實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎呢？”通過一系列提問引發(fā)學(xué)生思考，在一問一答過程中激發(fā)學(xué)生的好奇心。
階段2.創(chuàng)設(shè)體驗(yàn)環(huán)境
階段目標(biāo) ——
利用生活中的跑道為學(xué)生創(chuàng)設(shè)熟悉的現(xiàn)實(shí)情境，引導(dǎo)學(xué)生將已有知識與生活經(jīng)驗(yàn)相聯(lián)系，為下一環(huán)節(jié)引出車輪踏面形狀影響火車轉(zhuǎn)彎內(nèi)容作好鋪墊。
設(shè)計意圖——
創(chuàng)設(shè)體驗(yàn)環(huán)境，讓學(xué)生能從真實(shí)情境中獲得啟發(fā)，從對跑道真實(shí)情境的理解遷移到對火車轉(zhuǎn)彎可能原因的猜想。
學(xué)情分析及教學(xué)策略 ——
當(dāng)所探究問題與個人的現(xiàn)實(shí)生活、行為習(xí)慣相關(guān)聯(lián)時，會激發(fā)學(xué)生思考和解決科學(xué)問題的興趣，但僅通過思考和推理有時并不能完成探究性思維的過程。因此，輔導(dǎo)教師在這一環(huán)節(jié)創(chuàng)設(shè)了跑道這一真實(shí)的環(huán)境，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生探究的興趣。
教學(xué)活動腳本 ——
輔導(dǎo)教師提前在博物館室外展廳畫好起跑線（無論哪條跑道，起跑線均為水平線），讓學(xué)生選擇跑道，學(xué)生均傾向于選擇最內(nèi)側(cè)的跑道，認(rèn)為內(nèi)側(cè)跑道距離會短一些。輔導(dǎo)教師利用提問進(jìn)行引導(dǎo)：“為了確保公平，大家認(rèn)為應(yīng)該如何劃起跑線？”學(xué)生回答：“不同跑道不能在同一條起跑線上，應(yīng)該按照跑道跑圈距離確定起跑線的位置。”隨后，輔導(dǎo)教師可自然地將學(xué)生的注意力引導(dǎo)至火車轉(zhuǎn)彎過程中也存在類似問題：“火車的起跑線是一樣的嗎？它是如何實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎的呢？”
階段3.觀察火車輪對
階段目標(biāo)——
通過參觀，了解火車車輪的形狀結(jié)構(gòu)，分析車輪哪些結(jié)構(gòu)可能會對火車轉(zhuǎn)彎產(chǎn)生影響？
設(shè)計意圖 ——
通過觀察讓學(xué)生了解火車車輪踏面對火車轉(zhuǎn)彎的影響。
學(xué)情分析及教學(xué)策略 ——
學(xué)生對火車車輪有一定的前概念，比如火車車輪與其他交通工具的車輪質(zhì)地不同，火車車輪比較大，火車車輪中間有1根軸，火車車輪踏面不一樣等，但通常不能準(zhǔn)確將思路引至火車車輪形狀對火車轉(zhuǎn)彎的影響上，通過設(shè)計“找”“做”“問”三部曲，讓學(xué)生自主尋找探究主題，找到車輪的哪些結(jié)構(gòu)會影響火車轉(zhuǎn)彎。
教學(xué)活動腳本 ——
博物館展品是開展基于實(shí)踐的探究式學(xué)習(xí)最合適的教育載體之一。博物館教育不同于學(xué)校教育最大的特點(diǎn)是博物館的情景式教學(xué)方式，因此，最大限度利用好博物館內(nèi)模型、展品或文物具有重要意義，尤其是博物館特有的展品，更能體現(xiàn)博物館教育活動的可辨識度。在課程中設(shè)計了參觀環(huán)節(jié)，通過在真實(shí)情景中“找”“做”“問”提升學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。①找。找到與火車轉(zhuǎn)彎相關(guān)的展品（火車輪對）。②做。通過觀察，聆聽輔導(dǎo)教師講解，動手觸摸實(shí)物，動腦思考，提升學(xué)習(xí)效果。③問。通過教師與學(xué)生的互動問答，討論與輪對相關(guān)的科學(xué)知識，加深理解。
階段4.提出假設(shè)
階段目標(biāo)——
設(shè)計意圖 ——
假設(shè)的提出源于學(xué)生的知識儲備及對日常事務(wù)的細(xì)致觀察和思考，在科學(xué)探究環(huán)節(jié)，要把學(xué)生提出的各種假設(shè)聚焦在能通過科學(xué)研究（實(shí)驗(yàn)）解答的部分。
學(xué)情分析及教學(xué)策略——
該階段學(xué)生提出的假設(shè)是基于前概念提出的，一開始學(xué)生可能并不知道能提出什么可探究的假設(shè)，輔導(dǎo)教師可將學(xué)生進(jìn)行分組，并給出相應(yīng)的提示。
教學(xué)活動腳本——
①提出假設(shè)。拋出“火車車輪哪些結(jié)構(gòu)特征會對火車轉(zhuǎn)彎產(chǎn)生影響？”這一問題，運(yùn)用頭腦風(fēng)暴法開展小組討論，提出不同的假設(shè)。
②分析問題。將提出的假設(shè)進(jìn)行分類，比如“火車轉(zhuǎn)彎是因?yàn)檐囕喩系能囕S”“火車轉(zhuǎn)彎是因?yàn)榛疖囓囕喬っ娴男螤睢钡取?/p>
③確定可探究的假設(shè)。通過分析法幫助學(xué)生篩選出可繼續(xù)探究的假設(shè)，并解釋不能用作科學(xué)探究的假設(shè)是出于什么考慮，比如“火車車軸的存在是為了負(fù)擔(dān)車輛重量，并傳遞各方向的動、靜載荷，與火車轉(zhuǎn)彎并無直接關(guān)系”。根據(jù)火車轉(zhuǎn)彎時車輪踏面與鋼軌直接接觸這一現(xiàn)象分析討論確定“火車車輪踏面的形狀可能會對火車轉(zhuǎn)彎產(chǎn)生影響”這一假設(shè)。
階段5.實(shí)驗(yàn)教具的選擇與實(shí)驗(yàn)探究驗(yàn)證假設(shè)
階段目標(biāo) ——
學(xué)生能夠通過推理論證，分析、比較等思維方法，建立證據(jù)與解釋之間的關(guān)系，并提出各個實(shí)驗(yàn)步驟使用不同實(shí)驗(yàn)教具的合理見解。
設(shè)計意圖——
實(shí)驗(yàn)教具的選擇是激發(fā)學(xué)生探究興趣的重要環(huán)節(jié)，需要注意，實(shí)驗(yàn)教具并不是由輔導(dǎo)教師直接提供給學(xué)生，而是引導(dǎo)學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)教具的選擇應(yīng)該通過推理討論得出，以便獲取實(shí)驗(yàn)教具后能夠更好地開展實(shí)驗(yàn)探究。
學(xué)情分析及教學(xué)策略——
在此環(huán)節(jié)，由于實(shí)驗(yàn)教具是學(xué)生通過推理獲得的，因此在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生依然保持著濃厚的探究興趣，輔導(dǎo)教師的主要任務(wù)是引導(dǎo)和規(guī)范學(xué)生的動手操作技能，注重培養(yǎng)學(xué)生的觀察、記錄、分析、推理能力。這種驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)，側(cè)重于讓學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)探究的過程和方法。
教學(xué)活動腳本——
通過實(shí)地觀察，學(xué)生發(fā)現(xiàn)，火車左右2個車輪被牢固地安裝在同一根車軸上，等比例縮小后像健身用的杠鈴，但杠鈴兩邊的裝置為圓柱形，那么火車的車輪踏面可以為圓柱形嗎？輔導(dǎo)教師拿出圓柱形車輪實(shí)驗(yàn)教具，通過圓柱形車輪曲線運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以得出結(jié)論：圓柱形的車輪在進(jìn)行曲線運(yùn)行時會脫軌。那還可以嘗試什么形狀的車輪呢？采用排除法排除三角形、方形和菱形后，學(xué)生發(fā)現(xiàn)車輪必須為圓形，既然圓柱形不行，那么是否可以通過改變圓柱形的大小解決車輪通過曲線的問題呢？什么樣的圓形可以又大又小呢？學(xué)生通過討論圓錐形車輪進(jìn)行曲線運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為錐型的車輪可分為外緣大內(nèi)緣小，以及外緣小內(nèi)緣大2種。這時，輔導(dǎo)教師拿出實(shí)驗(yàn)教具，分別是外緣小內(nèi)緣大、外緣大內(nèi)緣小2種車輪教具，以及若干可彎曲的軌道模型，學(xué)生進(jìn)行圓錐形模擬輪對彎道實(shí)驗(yàn)，并將數(shù)據(jù)記錄于“車輪踏面外形對列車曲線行駛性能影響研究數(shù)據(jù)記錄表”內(nèi)。學(xué)生通過分析、推理、判斷、實(shí)驗(yàn)后得出結(jié)論，只有外緣小內(nèi)緣大的車輪可以順利通過曲線軌道。
階段6.交流分享
階段目標(biāo) ——
該階段要求學(xué)生能選擇合適的呈現(xiàn)方式，準(zhǔn)確表達(dá)影響火車轉(zhuǎn)彎的踏面實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果，分析得出影響火車轉(zhuǎn)彎的原因。
設(shè)計意圖 ——
輔導(dǎo)教師鼓勵學(xué)生分享得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論的證據(jù)，對他人的探究過程和結(jié)果進(jìn)行評價并提出建議，培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維。
學(xué)情分析及教學(xué)策略——
學(xué)生能夠通過實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論，但是很難對結(jié)論進(jìn)行科學(xué)的闡釋，可通過交流進(jìn)一步完善自己的發(fā)現(xiàn)，并從輔導(dǎo)教師的講解中得到更為系統(tǒng)的答案。
教學(xué)活動腳本 ——
通過交流分享，教師解釋，得出最終結(jié)論，火車車輪與鋼軌的接觸面是一個多弧度的踏面，車輪與鋼軌實(shí)際接觸的圓周也不是固定的大小，當(dāng)火車進(jìn)入曲線時鋼軌相對車輪向曲線內(nèi)側(cè)發(fā)生了偏移，曲線內(nèi)側(cè)的車輪接觸圓周的直徑變小，曲線外側(cè)的車輪接觸圓周的直徑變大，當(dāng)車輪轉(zhuǎn)動相同的周數(shù)時，曲線內(nèi)側(cè)的車輪滾動長度小于曲線外側(cè)，從而使火車順利通過曲線。因此，在同樣的轉(zhuǎn)動下，鐵軌內(nèi)外側(cè)的距離差通過車輪踏面滾動距離差達(dá)到平衡，就像運(yùn)動員跑過彎道時，如果要始終保持在一條直線上，外側(cè)跑道的運(yùn)動員需要在同樣的時間內(nèi)跑過更長的距離。
階段7.效果評估
階段目標(biāo) ——
以小組為單位，遵循客觀性、鼓勵性和反思性的原則開展評估，客觀性要求從學(xué)生的態(tài)度、參與度、完成度、合作情況多個角度進(jìn)行評價。
設(shè)計意圖 ——
評價是課程管理非常重要的一個環(huán)節(jié),是權(quán)衡教育目標(biāo)設(shè)置與達(dá)成、提高教學(xué)質(zhì)量的重要因素。
教學(xué)活動腳本 ——
在整個活動過程中，學(xué)生遇到了各種各樣的挫折與困難，輔導(dǎo)教師需要與學(xué)生保持良好的溝通并給予有效的引導(dǎo)，積極尋找解決問題的方法。
—— END ——
來源 | 本文節(jié)選自《中國科技教育》第9期科教展臺欄目，作者：杜媛/中國鐵道博物館
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