[活動DIY]通過設計、建造魯布·戈德堡機械理解能量

2021-03-01 中國科技教育

學生分成3〜5組,具體根據學生數量和場地決定。組內學生需要完成下列內容。

(1)設計魯布·戈德堡機械,包括學生想要完成的簡單任務,以及完成該任務需要的各種步驟。另外,學生還要評估設計的可實現性。如果一個好的主意無法實現或者安全性不能保證,那就算不上好。

 

(2)搞清楚完成這個任務,學生需要什麼材料。應該用日常的材料而不要去專門購置。

 

(3)學生完成一個初始的魯布·戈德堡機械結構圖。在最初的結構圖中,學生按順序繪製每個零件並編號。此外,學生講解這個「簡單的過程」(如圖1),該過程可以在圖上用線按順序串聯起來。學生合作規劃和設計這個機械,但每個學生都要繪製魯布·戈德堡機械的初始結構圖。這一步可以調動全體學生,讓每個小組成員都發揮作用。

(4)小組用1〜2天時間搭建機械。學生可以自由選擇適合他們魯布·戈德堡機械的材料。例如,鐘擺(在重力勢能和動能間來迴轉換)就會在未來的課程中用到。如果學生把這些材料用到了他們的機械中,教師就能在課堂講解中加以聯繫。這些材料還可以激發學生思考,給學生創造的機會,讓他們在自己的機械和能量的概念之間建立聯繫。學生在搭建過程中會遇到問題,提出疑問,教師可以利用這個機會向學生介紹一些在以後的課堂上將會用到的材料。

(5)大多數甚至全部小組在建造時都會對設計作出修改。小組的魯布·戈德堡機械搭建完成後,學生要在另一張更大的紙上再繪製一幅魯布·戈德堡機械結構圖。就像他們最初的結構圖一樣,這張圖要包括每個部件,按序排列,進行標註。同樣,學生要簡單描述該機械是如何運行的。學生還要用日常語言寫下它是如何工作的。每個組員都要繪製自己的結構圖,教師也可以讓學生一起完成。該過程能調動全體學生,幫助他們發展思路,並讓全體學生都發揮作用。這個升級版的結構圖可以當作一種評價形式。參見圖5中最終結構圖的例子。

(6)小組成功完成機械後,需要向全班展示。首先,他們要一步一步地解釋會發生什麼;之後,小組運行機械向全班展示。全班同學觀看演示,並提出反饋意見。

 

最後教師告訴學生,設計、建造魯布·戈德堡機械以及描述它如何工作這兩部分內容中,蘊含了豐富的與能量相關的科學概念,在接下來幾周的課程中他們會了解能量的概念,從而讓他們通過更加成熟的科學語言、用能量的概念,解釋其魯布·戈德堡機械的工作原理。一旦能講清楚這些原理,學生就能回答本單元的驅動問題「為什麼把手機連到插座上就會充電」了。

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