車輛模型，會說話的科學裝置

○家庭實驗室全國學校聯盟 陳 耀

在中小學的科學課程中，機械、電學的內容占比比較大，據說很多學校教學這些內容是老師把知識寫在黑板上，再讓孩子們抄寫，再刷刷題，就完成教學了。還有些比較好的老師是直接針對某個原理，讓孩子們做做實驗，得出結論。比如輪軸的概念，孩子們通過記憶的方法，記住“力作用在軸上費力，力作用在輪上省力”等知識，這樣學習，孩子們對于這個知識點的來龍去脈是缺乏了解的，腦子里也是沒有建立具體的概念的。

這種僅僅為了完成課程任務的背誦教學，其實并不是最理想的教學方式。

我們需要“能夠基于真實任務的、真刀真槍的”科學探索。

關于機械、電學等知識的綜合運用，車輛模型是一種比較理想的教學載體。但是作為體育競賽的車輛模型運動，近年來又因為競賽的原因，演變為一種以爭名奪利為目的的比賽，甚至有些教練為了比賽結果，在調試車輛等任務上都是安排由成人完成的。調試車輛這些最有價值的教學資源，被白白浪費了。

NO.1 背著繩子的孩子

先科普一下車輛模型的知識。

車輛模型包括非遙控模型和遙控模型。遙控模型有以下分類：按其與真車的比例有1/24、1/12、1/10、1/8、1/5 等多種；按其動力方式可分為電動力車和內燃機動力車；按車模行駛的場地路面又可分為公路賽車和越野賽車。

遙控模型車在比賽中不僅要了解比賽對手、路線，還要針對氣候、溫度、濕度、場地等情況給出相應的對策，選手通常對整車很了解，必要時要拆裝調試。遙控模型車是高科技的結晶，它絕對不只是一件高級的玩具。遙控模型車是涉及到電子、動力學、高等數學、化學等學科的一項高科技運動。遙控模型車的基本行走原理和真正汽車的行走原理是一樣的：發動機（或者電動機）提供動力，轉向系統完成我們的指令動作（就像我們打方向盤一樣，只不過我們是通過遙控器來完成）。

我們團隊是從2004 年開始進行車輛模型教學的。

時間回到2004 年的暑假。

因為備戰浙江省省運會遙控車輛項目，我們團隊帶著孩子們進行訓練。因為沒有固定的訓練場地，我們就需要在水泥地上鋪上繩子，再模擬F1 賽車的場地，鋪出賽車車道進行訓練。為了防止晚上被人偷走繩子，每天晚上還要將繩子收走。此后，每天早上，孩子們背著幾捆繩子，在水泥地上鋪賽道。2 個月時間，他們在水泥地上，從早晨曬到傍晚。孩子們非常勤奮，他們知道鋪好這樣的場地實在不容易，要珍惜機會。每天中午，大家冒著地面40℃高溫，坐在水泥地上吃饅頭、盒飯，看起來很苦，但是卻非常地開心。為什么這些孩子在如此惡劣的環境下還能如此熱愛？原因就是我們非常好地利用了模型賽車，讓孩子們自己拆裝、清洗，并且自己進行維修和更換配件，特別是探究每個部件的科學原理。通過我們導師的設計，車輛維修檢查的過程，成為科學課的一部分，這些過程的教學是獨一無二的課程資源。孩子們弄清楚了避震器的工作原理，避震器是通過彈簧的彈性形變（彈簧的彈力屬于彈性勢能，也是科學教材的重要內容）來減緩車輛行駛中的震動，也知道了差速器能夠在轉彎時實現左右兩邊車輪轉速不一樣，從而實現轉彎，還有比如小齒輪帶大齒輪實現減速、化油器能夠將燃油霧化、輪胎的花紋為了增大抓地力等科學現象，每天還要進行記錄。而這種親身經歷，也讓每個孩子對車子的工作原理了如指掌。這些科學原理，如果只是普通的課堂教學，大多數孩子都是一知半解的。而且，通過孩子們自己動手、自己維修出來的車子，能夠讓孩子跟車子之間建立某種情感。

摘錄其中一個孩子的日記：

“我喜歡玩車輛模型，這一點從小時候就有跡象。牙牙學語后，我就對汽車非常感興趣，愛玩玩具車，并喜歡收集各種型號的車輛模型。我對路上跑的轎車非常感興趣，很快就熟悉大多數的汽車品牌了。打的的時候，跟很多出租車司機聊車后，他們都對我豎起了大拇指。似乎成了汽車專家，這讓我超開心，很有成就感。

記得五年級的時候很幸運進入了校車模隊，這更讓我如魚得水，玩得不亦樂乎。那時我訓練非常刻苦，經常是練到天黑，幾節電池全練沒電了，才戀戀不舍地離開訓練場。記得爸爸媽媽常說，從我中班開始，給安排了很多培訓班，但最后全部停掉了，只研究遙控車輛模型了。所謂興趣是最好的老師吧！”

我們在整個訓練的過程中，首次提出了應該用真實的任務，讓孩子們進行科學探究；避免用不切實際的教學，讓孩子們一知半解。

炎熱的夏季，也培養了這些孩子堅韌不拔的勇氣和毅力，我們第一次發現科學能夠促進孩子品德與思想的形成，也許這就是所謂的“格物致知”。當年，這些孩子一舉奪得了多項省運會的大獎，更重要的是，其中好幾個孩子，在后來的職業選擇中，選擇了化學、機械等專業，作為自己的職業。

NO.2 普惠性的車輛模型家庭實驗室課程

但是，這些遙控類車輛模型項目，需要場地，需要專業器材，所以局限性比較大。而在歐美、日本乃至一些東南亞國家，遙控模型車比賽是一項體育競賽，是一種運動，一種高科技的愛好；參加這項運動的愛好者年齡從8 歲到80 歲都有，可見這是一項不受年齡限制的競賽項目，一場高水平的遙控模型車競賽的刺激程度不亞于F1 大獎賽。但是目前我們是還沒有辦法做到普及的。

如果能夠讓所有的孩子都有機會參與探索，那么課程的價值會更大。

在團隊老師的努力下，車輛模型家庭實驗室項目應運而生。太陽能小車、石頭重力車、水重力車、鹽水動力車、氣球反沖力車等普惠性的項目誕生了。

這些項目不需要專業場地，只要在教室空地就能夠進行研究，大大提高了車輛模型課程的普惠性。

雖然這些普惠性的車子看起來像玩具，但是實際上不僅僅是玩具這么簡單，它同樣涉及到多門學科知識的交叉和運用，從組裝到比賽，不僅可以培養學生的團體協作能力，還能在比賽的過程中提升孩子們的動手能力。

特別是畫車模圖紙、組建模型車等工作，模擬復制了汽車工廠工作的流程。

水重力車輛，是非常有價值的一個項目。在車輛上放置裝水的瓶子，利用水流下的力量，推動葉輪轉動，再帶動輪子前進，水流的高度越高，沖擊力越大，但是高度增加，也會讓車輛重心上移，從而翻車。所以，這些研究都是具體的任務，稍微不小心就會導致車輛無法前進，減少摩擦力、提高水的勢能的使用效率，就成了設計的最終目標。剛開始時，孩子們設計的水輪較小，導致能量轉換效率低，后來設計了更大的水輪機，從而讓車子前進的動力變大，最遠距離達到17 米遠，這也是重力勢能運用的非常典型的案例。

為了讓普惠性的車輛模型課程更加有趣，我們將這些系列的車輛開發成“機械傳奇—車輛制造”課程。具體要求是：用各種方法制造車輛，并且讓車子行駛起來。這樣的開放式課程，讓孩子們的積極性大大提高，有的孩子用橡皮筋制造了車子，將橡皮筋在車軸上纏繞，讓車輛前進；有的孩子用水和易拉罐制造噴氣機，推動車輛前進，發現噴出來的氣體動力不夠，無法讓車子前進，但是將同樣的裝置放在小船上，小船卻能夠前進。后來，他們將斯特林發動機安裝在車上，帶動了車輛前進，孩子們以最簡單的知識明白了生活中蘊藏的大科學。

鹽水動力車，是將物理學與化學緊密聯系的一個車輛項目，制作成本只有幾元錢，只要食鹽、碳片、鎂片、小馬達、齒輪，就能夠帶動小車子前進。將食鹽溶解在水中，碳片和鎂片放入其中，就能夠產生較大電流讓馬達轉動，從而推動車輛前進。孩子們會非常驚訝食鹽怎么能夠用來發電，很多大人也從沒想到過廚房中的食鹽居然可以用來發電。

如果孩子們做了這些項目研究之后，沒有后續的任務推動，也就會不了了之，無法達到教學的目的。

我們要求所有孩子在所有項目中，需要設計圖紙，并且要進行測試記錄，要完成研究報告，還要發表演講，這樣就讓一個普通的科技制作，變成了一個系統的全學科課程。

幾年前，我們還把這些項目設計成了競賽項目，讓大家通過公平公正的競賽，尋找差距，并進一步探索其中的原理，并改進自己的小小賽車。

就是這樣的普惠性的項目，彌補了科學課堂教學的不足，通過真實的任務探究，讓知識在實踐中得到檢驗，真正做到了學以致用。