STEM項目之化學動力汽車裝置

溫迪·史密斯

項目介紹

該項目要求五年級學生運用所學的科學知識設計并制作汽車裝置，項目的標準和限制條件如表1，該汽車裝置只能用化學原料作為動力驅動。在制作前，學生討論以下問題，并分享各自對項目的理解：

采用何種材料進行制作？

如何形成化學動力？

能使用家里的玩具車嗎？

完成這個項目需要多長時間？

可以選擇項目搭檔嗎？

小組成員既可以由教師指定，也可以由學生自己選擇。項目開展所需時間，可以每天2—3個小時，總用時3—4天，也可以每天1小時，總用時2周左右。下面描述的項目的兩個部分，所花的時間大致一樣。由于學生在以前都已體驗過工程設計，在項目開始前只需要讓學生觀看視頻網站Youtube上的一些短小有趣的視頻，快速回顧一下工程設計過程。

項目的第一部分關注科學的應用，學生要確定動力裝置內最有效的化學物質與水的組合，以產生化學反應推動車輛前進。項目的第2部分側重于工程設計，學生運用工程設計流程建造一個包含化學反應裝置的汽車底盤。

項目第一部分：科學的應用

可用材料有檸檬酸、小蘇打、水、咖啡過濾紙、各種大小的汽水瓶、膠卷盒、任一窄嘴的小塑料瓶、軟木塞、橡皮塞等。

1.安全和清潔事項

用醋代替檸檬酸也可以，但清潔起來比較麻煩。學生可以從家里帶瓶子，只要符合尺寸標準，不存在安全問題即可。接觸化學物質時應始終佩戴好安全護目鏡。測試區域要隔開，只有測試組才能進入。在測試之前要得到教師準許，以確保安全和化學材料的使用劑量合理，教師演示如何使用水桶、海綿和干毛巾清潔、擦干測試區域后，學生才能測試。

2.反應原理

學生對物質混合后的化學反應進行研究，并根據顏色和溫度的變化或者氣體的形成來推斷是否有新物質生成。參見附件1。

3.研究動力

在250毫升的塑料杯中加入5克小蘇打、5克檸檬酸，還有50毫升室溫水。學生分享觀察結果，教師引導學生就變量進行討論。學生確定的變量包括：反應容器、水量、小蘇打的劑量、檸檬酸用量。

4.改變變量

學生討論了如何一次只改變一個變量，找到最有效的化學物質與水的組合，放入現有的各種容器內以產生推動車輛前進的化學反應。比如：改變容器，其他變量保持不變（5克小蘇打、5克檸檬酸、50毫升水）。雖然水的溫度也可以是一個變量，但在測試過程中保持水溫的恒定太困難，因此只使用室溫水進行所有測試。

5.測試

每個小組選擇好了各自認為最有效的容器，并開始測試化學反應以推動汽車裝置前進。三次測試中，學生對每一次車輛行駛的距離都進行了測量并記錄下來。第一輪測試后，學生分享他們的測試結果。學生比較了不同小組收集的關于容器體積與汽車行駛距離之間的數據，并與自己的結果進行對比。

6.明確影響因素

學生有約4—5個小時來研究、測試物質和水所需要的量。通過測試、比較和分享，學生發現了各種因素對動力以及車輛行駛的影響，包括：反應物的量、容器的大小、氣體形成的壓力、軟木塞的緊密程度、裝置的起始位置是否靠墻。

7.記錄整理

學生把項目第一部分所有做過的事都記錄在實驗記錄本上，并使用項目清單作為指導。一旦學生最終確定了反應容器以及用于化學反應的物質的確切用量，車輛動力裝置這一部分就不允許有變動了。

項目第二部分：工程設計過程

制作車輛使用的材料包括但不限于紙板、鋁箔、CD光盤、衛生紙和廚房用紙紙筒、木串和木釘、稻草、各種樂高零件。學生可以從家里帶額外的材料來制作汽車，但不能是現成的玩具車。教師希望學生為已經測試好的容器裝置制作一輛搭載車（如圖1）。

1.設計底盤

學生先自己思考如何設計車輛，然后與同伴進行分享。車輛設計的模型包含所用材料的標記和底盤上安裝動力裝置的位置。同伴討論每種設計可能的優缺點，并決定初步的制作。依靠材料和車輛圖形設計，進行分享、交流、改進。有些小組很快就做出了可運行的汽車模型，有些小組拋棄了傳統的汽車底盤，改為雪橇設計，這樣就無須構建輪軸系統。

2.安裝動力裝置

車輛底盤做好后，裝上容器裝置，加入化學物質和水，測試車輛的整體效果。測量車輛的運行距離并記錄多次實驗的結果，作為改進車輛的依據。由于項目的一個限制條件是“一旦選擇了反應裝置，就不能對這一部分進行改動”，所以，項目第2部分的所有改進工作都集中在車輛的設計上，而不再是容器裝置內的化學反應。

3.車輛設計改進

很多學生發現了底盤的重量與化學反應驅動車輛能力之間的因果關系。因此，各小組紛紛改進底盤，要么簡化設計，要么對車輪的設計、容器裝置的位置或影響車輛直線行駛的變量進行修改，為解決某個問題進行多種設計并一一測試，最后確定哪個方案最符合設計標準。例如：一個小組以三種不同的方式調整安裝在底盤上的容器裝置的角度，朝上30度、水平放置、朝下30度，以確定哪個角度能最好地推動車輛向前行駛。

4.記錄整理

學生繼續在實驗筆記本上記錄整理自己做過的事情，對照項目清單以確保所有重要的工作都記錄在冊。教師定期展示實驗筆記本上所做的各種記錄，以便學生進行自我反思，并指導他們對所做工作進行有效整理。

項目測試

學生需要在指定的區域對設計好的汽車裝置進行測試（如圖2），雖然測試結果顯示并非所有小組的車輛都達到了行駛1米的標準，但他們仍然是成功的，因為容器裝置內的化學反應至少使車輛移動了一段距離。比起車輛實際的行駛距離，更重要的是學生對反復設計修改過程有了體驗，對科學家和工程師的工作有了體驗。一開始，許多小組未能成功啟動車輛，這給教師提供了契機去指導學生分析每次失敗的原因，比如：軟木塞沒有固定牢，瓶塞塞上前氣體就產生了，添加的化學物質的量不夠以至于氣體不足以形成沖力。每當狀況發生后，學生就會討論修改方案，在筆記本上勾畫出想法，對車輛進行改進，并再次進行測試。

整個項目中要保證有足夠的時間讓學生發現可能出現的問題，并通過頭腦風暴集體討論解決方案，讓他們就像真正的科學家和工程師那樣工作。

項目評估

學生和教師都對照項目清單進行評估（見附件2）。學生的實驗筆記本上用例子說明了項目清單上的每個要點，包括車輛符合項目標準和限制條件等內容，并注明這些內容在筆記本中的頁碼。學生還做了一個自我反思的清單（見附件3），以反映他們的有關情況，比如：他們是否較好地掌握了學科核心概念、科學和工程實踐，以及學校制訂的克服困難和合作的培養目標。

教師評價學生時，應考慮化學動力車輛裝置清單中的“科學應用”與“工程設計過程”這兩個部分，以及學生所做的筆記資料是否達成了學習目標。教師要注意，即使有些小組的車輛沒有行駛1米遠，也應該當作實現了項目的學習目標。除了筆記本和清單，項目期間對學生的隨堂觀察也應成為對學生的學習作總結評價的依據。

項目修改

有些學生可能會在項目第一部分時努力完成一個功能正常的車輛和動力裝置。為確保所有學生最大限度地符合項目標準，教師可考慮向某些學生提供預先構建或設計好的汽車組件，可以是能安裝動力裝置的玩具車，能運轉良好的動力裝置設計，也可以是由教師改良后的車輛與動力裝置的組合，這些都可能對有一定操作障礙的學生有所幫助。在項目第2部分中，教師可建議起始的化學物質的用量，并幫助學生研究和記錄合適的增量。這些修改既有助于構建學生的學習經驗，也能使他們持續獲得興奮感和成就感。

通過與學生互動，關注學生開展活動，教師探索出了多種方法來應對項目中出現的特殊問題。

第一，教師觀察到，學生想要車輛行駛得盡可能遠，就馬上加入更多劑量的化學材料，結果導致材料不足。教師就建議調整標準，將“車輛必須行駛至少1米的距離”改為車輛的行駛距離在1—2米。這個約束條件不僅可以限制材料的使用，防止浪費，還會提升難度，增加學生操作所需的精確性。

第二，教師提出在項目中增加一些成本元素，幫助學生思考材料的使用數量。這樣，最成功的車輛裝置不僅能夠行駛至少1米的距離，而且最具經濟效益（即使用最少量的材料）。這兩項改進建議將為學校節省資金和材料，并提升學生的項目挑戰水平。

第三，教師發現有些小組的車輛未能達到標準，即行駛1米的距離。但這些團隊仍然達成了項目預期，他們設計、測試車輛模型，對化學動力進行探究。對待有特殊學習需求的學生，則可能需要對項目標準作出修改。

（作者王平系北京桂馨慈善基金會科學課項目專家）

湖南省株洲市石峰區報亭學校（412004）

附件1：物質變化活動

在此次活動中，你要研究什么證據能表明當兩種或多種物質混合反應時一種新物質產生了，仔細觀察并搜集證據。

1.探究：第一部分

先閱讀第一部分的所有內容；再在筆記本上設計一個收集數據的方法，來記錄你所做的事和你所做的觀察，請確保其格式易于閱讀，并可與他人共享；然后再開展活動。

戴上防護目鏡

將1/4茶匙的碳酸氫鈉（NaHCO3）和1/2茶匙的氯化鈣（CaCl2）放入密封袋

在燒杯里裝5毫升酚紅溶液，將杯子小心放入密封袋中，保持杯子直立，盡可能擠出袋子里的空氣，將袋子密封

保持袋子密封，將杯子翻過來，與化學藥品混合，觀察結果

在筆記本上記錄“你做了什么，你觀察到了什么現象”

活動結束后，做好衛生清潔工作

2.探究：第2部分

選擇A或B選項，繼續你的調查研究。在筆記本中設計好數據記錄的方法。只有在時間允許的情況下才去完成第二個選項。

選項A

預測少用其中一種化學物質進行實驗會發生什么

驗證你的預測，記錄你所做的和你所觀察到的

少用另一種不同的化學物質，再次進行該實驗

選項B

預測改變其中一種化學物質的劑量會發生什么

驗證你的預測，記錄你所做的和你所觀察到的

重復該實驗幾次，每次均改變其中一種化學物質的劑量

3.記錄

在筆記本中寫好你的陳述、證據和推理。

陳述——用完整的句子回答問題

證據——支持陳述的具體數據

推理——用科學的解釋或概念說明你所得結果的原因

附件2：化學動力汽車裝置的項目清單

動力設計挑戰項目限制條件（見前文，略）。

動力設計挑戰項目成功標準——汽車裝置至少行駛1米遠。

科學筆記本的資料整理——項目完成后，記下每個要點在筆記本中的頁碼數。

1.科學應用

進行調查，找到驅動車輛最有效的化學反應（第一部分）

清楚記錄、整理所進行的觀察、得到的數據（第 _________ 頁）

一次改變一個變量（第 _________ 頁）

開展2次或更多次測試（第 _________ 頁）

陳述：問題回答（第 _________ 頁）

證據：支持陳述，并與記錄的數據匹配（第 _________ 頁）

推理：對結果的科學解釋（原因）（第 _________ 頁）

2.工程設計過程

科學筆記本用于記錄車輛設計的過程（第2部分）

提問：記錄關于項目挑戰的問題（第 _________ 頁）

想象：生成多個想法，包括圖表（第 _________ 頁）

計劃：包括材料清單和最終設計圖（第 _________ 頁）

制作：設計和修改都有文檔記錄（第 _________ 頁）

改進：基于測試結果進行修訂（觀察和數據）（第 _________ 頁）

附件3：化學動力汽車裝置的自我反思清單

根據自身情況對每一題進行打分，看看自己在工程設計挑戰項目中學到了多少。在你的科學筆記本中尋找相關證據。

（以下前6個問題，學生按照1-5的指數表明認可程度，并在每一題后加一個實例以支撐自己的主張。）

1.我能做出計劃并進行調查，包括控制變量，清晰、有條理地記錄數據（觀察和精確測量），并寫好CER（主張、證據和推理）。

2.我能創建一個基本的化學反應，并理解物質性質的變化。

3.我能始終遵循恰當的安全操作程序。

4.我能運用工程設計過程來解決問題（提問、想象、計劃、創建、改進）。

5.在解決困難問題時，我展現出了自信和靈活性。

6.我展現出與他人溝通、合作以實現共同目標的能力（合作）。

7.請分享關于該項目、你的學習或者其他意見和建議，以幫助你的老師改進化學動力汽車裝置的工程設計項目。