適合年級
6-8年級
活動概述
本活動介紹的是一個基於項目的學習單元，旨在為學生提供可以加強他們對牛頓三大運動定律理解的實踐經驗。在學習本單元期間，學生輪流通過3個站點，每個站點探索1個牛頓運動定律。每個站點都有指導筆記（表1），幫助學生將牛頓定律與他們觀察到的現象聯繫起來。該單元最終是學生設計和構建氣球驅動的汽車並用其進行比賽。學生通過向全班展示海報分享他們所學習到的牛頓運動定律知識。
▲表1 各站點指導筆記
在開始學習本單元之前，學生們先要完成關於功、速度、力和功率的練習題（表2）。此練習題可幫助學生了解他們在單元學習期間需要進行的並在海報上展示的計算。學生應以4人1組的形式開展活動。各小組通過輪流完成以下各站的實驗開啟本單元的學習。
▲表2 功、速度、力和功率的實踐問題計算
第1站
在第1站，學生探究牛頓第一運動定律：任何物體都保持靜止或勻速直線運動的狀態，直到外力迫使它改變這種狀態為止。
學生通過實驗探究這條定律，實驗中，在小坡道頂部釋放玩具車並觀察玩具車分別在光滑桌面和地毯表面上的行進距離。學生要在每個表面上多次進行實驗。在他們的指導筆記中，學生記錄了他們對玩具車行駛方向和速度的預測。學生將預測玩具車是向前、向後、向右還是向左運動，以及玩具車將會快速還是緩慢行駛。學生還要記錄玩具車的實際行進速度和方向，列出可能作用在玩具車上的、影響玩具車行駛距離的力。
材料
● 玩具車
● 坡道
● 1塊地毯
● 光滑的表面，如桌面或油氈地板
第2站
在第2站，學生探究牛頓第二運動定律：加速度是在力作用於物體上時產生的。
為了探索這條定律，學生從設定的高度丟下各種物體並計算它們落到一盤麵粉上所需要的時間。隨後，學生觀察不同物體在麵粉上製造的撞擊坑的大小，並得出物體撞擊產生的力的大小。學生不用精確測量撞擊坑的大小，他們只需根據視覺觀察估計尺寸差異即可。不同尺寸的彈珠很適合用於此活動，當然也可以使用其他球體，如高爾夫球、桌球或捲紙球。沿著標尺的凹槽水平排列3個球體，然後側向傾斜標尺使3個球體同時被釋放。這有助於向學生展示所有的球以相同的加速度降落，並且物體的質量是影響撞擊坑大小的唯一變量。
材料
● 不同大小和質量的球體（彈珠、桌球、高爾夫球等）
● 帶中央凹槽的尺子
● 1個大平底鍋
● 麵粉（足以在平底鍋內填充至10釐米的深度）
● 秒表
第3站
在第3站，學生探究牛頓第三運動定律：每一個作用力都有大小相等而方向相反的反作用力。
這是一個演示站，學生觀察員必須始終佩戴安全護目鏡。學生看著教師向2個小膠捲盒中倒入等量的水。將其中一個膠捲盒蓋上蓋子並將其放在一個大塑料箱中。將少量泡騰片添加到第2個膠捲盒中，然後快速蓋上蓋子並挨著第1個膠捲盒放置，使2個膠捲盒的蓋子相接觸。當泡騰片與水反應產生氣體時，盒子內的壓力將會增加，直到產生足夠大的力使蓋子彈起來。此時，學生將觀察到2個膠捲盒彼此向相反的方向運動，互相分開。學生在指導筆記中記錄他們的觀察結果並嘗試解釋導致膠捲盒移動的原因。
材料
● 2個帶蓋的膠捲盒
● 防衝擊安全護目鏡
● 水
● 泡騰片
● 大塑料桶
運用他們學到的東西
作為本單元的高潮活動，學生要將他們學到的關於牛頓三大運動定律的知識運用到氣球車的構造中。將學生分成小組，並為每個小組提供相同的材料。
材料
● 4個泡沫球（高爾夫球大小）
● 3根塑料吸管
● 1個1〜2升的空塑料瓶
● 4根木製扦子
● 2個圓形氣球
● 2片紙板（1片9英寸×11英寸，1片9英寸×14英寸）
● 遮蔽膠帶
● 透明膠帶
● 安全剪刀（與學生一起回顧如何安全操作）
要求學生運用這些材料完成構建汽車的任務，學生構建的汽車需要達到以下要求。
● 根據學生創建的藍圖構建
● 至少有3個輪子
● 可以利用自己的動力行駛至少1米
學生還必須製作1張海報與全班同學分享，展示他們在設計過程中所做的所有計算。海報應該可以解答以下2個問題。
（1）解釋你如何將牛頓的三個運動定律應用於氣球車的設計和構造。
（2）計算汽車從靜止到行駛至1米時，它的速度、力、功和功率。
各小組無須用完所有材料構建他們的汽車，但也不能使用任何沒有提供的其他材料。各小組間不能共享或交換材料。如果材料損壞（如氣球上漏了洞），可以申請更換。
在製作過程中，應為每個小組成員分配一個角色，以確保每個人都在項目中發揮作用。我們建議小組中有以下角色。
● 小組領導——確保團隊專注於完成任務，協助建造汽車，負責小組海報的製作。
● 材料領導者——確保小組擁有所有必要的材料，確認可以使用提供的材料建造成汽車。
● 計算專家——監督數據收集，檢查所有計算的準確性。
● 藍圖隊長——監督藍圖創建，驗證構建的汽車是否與藍圖相匹配。
學生們有15分鐘的時間為他們的汽車繪製藍圖。每個小組成員都可以創建自己的草圖並提供製作建議，但小組成員必須在開始製作前，就最終的主藍圖達成一致意見。學生有30分鐘時間建造他們的汽車。教師應把設計要求張貼在教室中，並在製作階段投影到教室智能白板上。
一旦製作完成，學生就可以開始收集有關他們汽車的數據並根據汽車的表現情況進行計算了。
學生測量他們汽車的質量、長度和高度，並將這些信息體現在他們的海報上。此外，學生要確定汽車行駛1米所需的時間，然後使用該信息確定汽車受到了多大的力。在學生建造汽車和製作海報時，教師要在教室內四處走動，回答學生的問題，幫助他們計算，並提供故障排除技巧。如果學生忙於構建或測試他們的車輛，教師可以在他們的海報上留下寫有特定反饋的便利貼。
學生海報的一個常見缺點是缺乏汽車設計元素與牛頓定律之間的具體聯繫。例如，學生應該指出他們試圖減輕汽車重量，從而使氣球作用在汽車上的力帶來更大的加速度。
製作和測試完成後，就是進行比賽的時候了。可以使用遮蔽膠帶製作1段2米長的三車道。每組指定1名成員負責在起跑線上釋放汽車。進行多次分組賽，讓每輛車都有機會與其他競爭對手比賽。每輛賽車都分配計時器，學生將比賽結果添加到海報中。然後，該數據用於計算每輛車的加速度。
評價
在海報中添加了比賽結果後，讓學生討論他們認為哪些設計元素影響了汽車性能。最後，各小組向全班展示他們的海報。教師使用表3中所示的評價量規對海報進行評價。
▲表3 氣球車評價量規表
結論
這個活動提供了一種教授牛頓三大運動定律的引人入勝的實踐方式。設計和製作氣球車可以讓學生運用並展示他們所學到的知識，並在此過程中獲得樂趣。
（來源：本活動案例改編自《中國科技教育》雜誌2019年第6期NSTA專欄文章。中國青少年科技輔導員協會會員可點擊「閱讀原文」登錄雜誌網站下載全文。）
中國青少年科技輔導員協會
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原標題：《[活動DIY] | 用氣球車探索牛頓運動定律》
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