李佩寧

對(duì)于低齡段的學(xué)生來(lái)說(shuō)，輪子是生活中常見(jiàn)的事物。它看似簡(jiǎn)單，但實(shí)際上直到公元前3500年才被發(fā)明出來(lái)，甚至比鑄造金屬還要晚。輪子并不是一個(gè)簡(jiǎn)單的圓環(huán)，它的正常工作需要考慮輪輞（俗稱(chēng)輪圈）、輻條、輪軸和組裝等一系列的問(wèn)題。

一、課程重點(diǎn)

本課程旨在讓學(xué)生通過(guò)親手制作輪子，認(rèn)識(shí)到輪子的原理，以及識(shí)別從科學(xué)原理出發(fā)到工程實(shí)踐的過(guò)程中可能產(chǎn)生的各種問(wèn)題，練習(xí)使用STEM領(lǐng)域的工程循環(huán)思維。本課程主要培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的實(shí)踐能力、識(shí)別問(wèn)題和動(dòng)手解決問(wèn)題的能力。

【涉及領(lǐng)域】物理、工程、機(jī)械、科學(xué)、數(shù)學(xué)、歷史

【建議年級(jí)】小學(xué)低年級(jí)

【建議時(shí)間】基礎(chǔ)課程80分鐘，拓展課程40分鐘

【材料】小車(chē)模型、軟糖或硬紙板、長(zhǎng)木簽、尺子、膠帶或膠槍、剪刀

二、課程任務(wù)

學(xué)生以小組為單位，分別使用給定材料制作輪子，并將制作好的輪子安裝在小車(chē)模型上，能夠運(yùn)輸一些小的物件。在此過(guò)程中，學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)輪軸的連接、輪子的大小等各方面存在各種問(wèn)題。學(xué)生需要重新設(shè)計(jì)并制作輪子以解決這些問(wèn)題。課程最后引發(fā)學(xué)生討論：為何輪子一定是圓形的？在本課程中，學(xué)生也可以制作一些其他形狀的輪子進(jìn)行試驗(yàn)。

在拓展課程中，教師向?qū)W生出示一段特殊的凹凸路面，請(qǐng)學(xué)生制作一套輪子能夠在凹凸路面上前進(jìn)而不上下顛簸。

三、課程步驟

1.導(dǎo)入（5分鐘）

教師在課前要準(zhǔn)備小車(chē)模型、重物和不規(guī)則路面：小車(chē)可以用一個(gè)底面積約30cm×50cm的空盒子來(lái)代替，也可以用現(xiàn)成的小車(chē)模型，把原來(lái)的輪子拆掉即可；重物要大小適中，以便放在小車(chē)?yán)锩娌粫?huì)掉出來(lái)，如鉛塊或者硬幣；不規(guī)則路面可以用衛(wèi)生紙紙筒稍作處理來(lái)充當(dāng)，如將紙筒從中剪開(kāi)，然后弧面向上粘在一個(gè)長(zhǎng)條形的硬紙板上，可以多制作幾段備用。

教師給學(xué)生播放有關(guān)車(chē)輪的簡(jiǎn)短視頻，并讓學(xué)生回答以下問(wèn)題。

（1）你們見(jiàn)過(guò)輪子嗎？

（2）見(jiàn)過(guò)那些輪子？請(qǐng)列舉。

（3）輪子有什么特征？

（4）輪子為什么是圓形的？

部分學(xué)生可能會(huì)提到，只有輪子是圓形的，車(chē)才不會(huì)上下顛簸。但是學(xué)生很難抽象總結(jié)出其中的科學(xué)原理，即因?yàn)檐?chē)輛連接在圓形輪子的圓心上，才能與地面的相對(duì)距離保持一致，這才是輪子通常是圓形的原理。教師暫時(shí)不用對(duì)此進(jìn)行特別講解，可以留在課程最后由學(xué)生自己得出結(jié)論或從現(xiàn)象中進(jìn)行總結(jié)。

2.宣布任務(wù)及評(píng)價(jià)量規(guī)（5分鐘）

【宣布任務(wù)】將學(xué)生分成小組，要求每個(gè)小組制作一組輪子，并安裝在小車(chē)模型上，小車(chē)可以在地面上前進(jìn)至少30cm，最好能夠用來(lái)運(yùn)載物品。宣布任務(wù)后，呈現(xiàn)評(píng)價(jià)量規(guī)（見(jiàn)表1）。

3.展示各種不同的輪子模型（15分鐘）

教師預(yù)先制作好一些不同形狀（如多邊形、三角形、橢圓形等）的輪子，分發(fā)給各小組進(jìn)行觀察記錄。各小組要對(duì)不同形狀的輪子進(jìn)行比較，并總結(jié)出異同。教師抽取兩至三個(gè)小組發(fā)言，其他小組進(jìn)行補(bǔ)充。

學(xué)生們很快會(huì)發(fā)現(xiàn)，圓形、橢圓形和多邊形的輪子都能夠比較輕松地滾動(dòng)，圓形是最容易滾動(dòng)的。之后，學(xué)生們要對(duì)自己小組的制作方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，畫(huà)好設(shè)計(jì)圖后領(lǐng)取制作材料。

4.設(shè)計(jì)和制作（20分鐘）

正式執(zhí)行輪子設(shè)計(jì)和制作任務(wù)。教師進(jìn)行巡視，觀察各小組制作情況，并用以下問(wèn)題引導(dǎo)各小組。

（1）你們采用哪一種輪子設(shè)計(jì)方案？

（2）怎樣保證輪子能夠滾動(dòng)30cm的距離？

（3）把車(chē)連接在輪軸上的時(shí)候，隨著輪子的滾動(dòng)，輪軸也會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，怎樣設(shè)計(jì)制作這一連接機(jī)構(gòu)？

（4）怎樣避免橢圓形的輪子一上一下運(yùn)動(dòng)？

（5）為什么有的輪子會(huì)顛，有的輪子不顛？

5.展示和總結(jié)（35分鐘）

教師在各小組制作完成后，給每個(gè)小組至少5分鐘的時(shí)間進(jìn)行展示，并要回答其他同學(xué)提出的問(wèn)題。教師對(duì)各小組的輪子進(jìn)行測(cè)試，看是否能夠達(dá)到滾動(dòng)的距離，以及是否能夠運(yùn)載物品進(jìn)行滾動(dòng)。

6.拓展課程（40分鐘）

【拓展課程】設(shè)計(jì)在不平路面上也能平穩(wěn)滾動(dòng)的輪子。教師出示一段道路模型（見(jiàn)圖1），讓學(xué)生制作一套輪子，要求能在這樣的路面上平穩(wěn)進(jìn)行滾動(dòng)。

教師宣布任務(wù)后巡視各組活動(dòng)，并用以下問(wèn)題引導(dǎo)學(xué)生。

（1）圓形輪子和非圓形輪子有什么不同？

（2）圓形輪子的特征是什么？

（3）這段路面的特征是什么？

通過(guò)前面的實(shí)驗(yàn)可以總結(jié)：輪子不顛的本質(zhì)，是輪軸中心到地面的距離總是能保持相等。在這樣一段特殊路面上，圓形的輪子顯然不能保持圓心到地面的距離始終相等。引導(dǎo)學(xué)生思考：什么樣的形狀是中心到邊緣的距離能夠變化的？

教師在黑板上出示各種多邊形，讓學(xué)生仔細(xì)觀察。學(xué)生很快會(huì)發(fā)現(xiàn)，所有的多邊形的中心在旋轉(zhuǎn)時(shí)到邊緣的距離都是能變化的。之后，讓學(xué)生將各種多邊形中心到邊緣的距離標(biāo)注在黑板上，然后計(jì)算一下兩種距離的差是多少。不難發(fā)現(xiàn)，多邊形的邊數(shù)越多，最長(zhǎng)距離和最短距離就越接近。

教師指出，圓可以看成一種特殊的多邊形，一種有很多條邊的多邊形。事實(shí)上，在很多實(shí)際運(yùn)用中就是這么做的。在學(xué)生理解了這一性質(zhì)后，讓學(xué)生研究教師出示的不平路面，并與之前的多邊形性質(zhì)聯(lián)合起來(lái)思考。學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)，只要測(cè)量一下路面最高處和最低處之間的距離，然后使設(shè)計(jì)出的多邊形輪子能夠彌補(bǔ)這個(gè)距離就可以平穩(wěn)滾動(dòng)。其中一種可行的解決方案如圖2所示。

（責(zé)任編輯 張慧籽）