作者：杜媛/中國鐵道博物館
(相關資料圖)
“火車是如何轉彎的”課程以“基于展廳資源，引導學生自主探究，提升學生科學素養”為宗旨，以“火車車輪結構與軌道轉彎功能研究”為主線，借鑒《義務教育小學科學課程標準（2022年版）》中針對5-6年級必做探究實踐活動“觀察輪軸在生產生活中的應用”的要求，聚焦“火車輪對為什么里大外小”問題，引導相應學齡段學生開展實驗探究進行驗證，帶領學生深入“鐵路背后的科學”，激發探索精神，發展科技創新能力。
教學過程
階段1.課前引入
階段目標 ——
提出問題，引入主題
學情分析及教學策略 ——
學生容易對有些熟悉但又不太確定的問題產生濃厚的興趣，輔導教師可通過提問，將學生的注意力轉移到教學內容上。
教學活動腳本 ——
在“火車是如何轉彎的”課程開始之初，輔導教師提問：“火車有方向盤嗎？汽車是靠操縱方向盤實現轉彎，輪船和飛機利用舵轉彎，那火車如何實現轉彎呢？”通過一系列提問引發學生思考，在一問一答過程中激發學生的好奇心。
階段2.創設體驗環境
階段目標 ——
利用生活中的跑道為學生創設熟悉的現實情境，引導學生將已有知識與生活經驗相聯系，為下一環節引出車輪踏面形狀影響火車轉彎內容作好鋪墊。
設計意圖——
創設體驗環境，讓學生能從真實情境中獲得啟發，從對跑道真實情境的理解遷移到對火車轉彎可能原因的猜想。
學情分析及教學策略 ——
當所探究問題與個人的現實生活、行為習慣相關聯時，會激發學生思考和解決科學問題的興趣，但僅通過思考和推理有時并不能完成探究性思維的過程。因此，輔導教師在這一環節創設了跑道這一真實的環境，進一步激發學生探究的興趣。
教學活動腳本 ——
輔導教師提前在博物館室外展廳畫好起跑線（無論哪條跑道，起跑線均為水平線），讓學生選擇跑道，學生均傾向于選擇最內側的跑道，認為內側跑道距離會短一些。輔導教師利用提問進行引導：“為了確保公平，大家認為應該如何劃起跑線？”學生回答：“不同跑道不能在同一條起跑線上，應該按照跑道跑圈距離確定起跑線的位置。”隨后，輔導教師可自然地將學生的注意力引導至火車轉彎過程中也存在類似問題：“火車的起跑線是一樣的嗎？它是如何實現轉彎的呢？”
階段3.觀察火車輪對
階段目標——
通過參觀，了解火車車輪的形狀結構，分析車輪哪些結構可能會對火車轉彎產生影響？
設計意圖 ——
通過觀察讓學生了解火車車輪踏面對火車轉彎的影響。
學情分析及教學策略 ——
學生對火車車輪有一定的前概念，比如火車車輪與其他交通工具的車輪質地不同，火車車輪比較大，火車車輪中間有1根軸，火車車輪踏面不一樣等，但通常不能準確將思路引至火車車輪形狀對火車轉彎的影響上，通過設計“找”“做”“問”三部曲，讓學生自主尋找探究主題，找到車輪的哪些結構會影響火車轉彎。
教學活動腳本 ——
博物館展品是開展基于實踐的探究式學習最合適的教育載體之一。博物館教育不同于學校教育最大的特點是博物館的情景式教學方式，因此，最大限度利用好博物館內模型、展品或文物具有重要意義，尤其是博物館特有的展品，更能體現博物館教育活動的可辨識度。在課程中設計了參觀環節，通過在真實情景中“找”“做”“問”提升學生的學習體驗。①找。找到與火車轉彎相關的展品（火車輪對）。②做。通過觀察，聆聽輔導教師講解，動手觸摸實物，動腦思考，提升學習效果。③問。通過教師與學生的互動問答，討論與輪對相關的科學知識，加深理解。
階段4.提出假設
階段目標——
設計意圖 ——
假設的提出源于學生的知識儲備及對日常事務的細致觀察和思考，在科學探究環節，要把學生提出的各種假設聚焦在能通過科學研究（實驗）解答的部分。
學情分析及教學策略——
該階段學生提出的假設是基于前概念提出的，一開始學生可能并不知道能提出什么可探究的假設，輔導教師可將學生進行分組，并給出相應的提示。
教學活動腳本——
①提出假設。拋出“火車車輪哪些結構特征會對火車轉彎產生影響？”這一問題，運用頭腦風暴法開展小組討論，提出不同的假設。
②分析問題。將提出的假設進行分類，比如“火車轉彎是因為車輪上的車軸”“火車轉彎是因為火車車輪踏面的形狀”等。
③確定可探究的假設。通過分析法幫助學生篩選出可繼續探究的假設，并解釋不能用作科學探究的假設是出于什么考慮，比如“火車車軸的存在是為了負擔車輛重量，并傳遞各方向的動、靜載荷，與火車轉彎并無直接關系”。根據火車轉彎時車輪踏面與鋼軌直接接觸這一現象分析討論確定“火車車輪踏面的形狀可能會對火車轉彎產生影響”這一假設。
階段5.實驗教具的選擇與實驗探究驗證假設
階段目標 ——
學生能夠通過推理論證，分析、比較等思維方法，建立證據與解釋之間的關系，并提出各個實驗步驟使用不同實驗教具的合理見解。
設計意圖——
實驗教具的選擇是激發學生探究興趣的重要環節，需要注意，實驗教具并不是由輔導教師直接提供給學生，而是引導學生了解實驗教具的選擇應該通過推理討論得出，以便獲取實驗教具后能夠更好地開展實驗探究。
學情分析及教學策略——
在此環節，由于實驗教具是學生通過推理獲得的，因此在后續的實驗過程中學生依然保持著濃厚的探究興趣，輔導教師的主要任務是引導和規范學生的動手操作技能，注重培養學生的觀察、記錄、分析、推理能力。這種驗證性的實驗，側重于讓學生體驗科學探究的過程和方法。
教學活動腳本——
通過實地觀察，學生發現，火車左右2個車輪被牢固地安裝在同一根車軸上，等比例縮小后像健身用的杠鈴，但杠鈴兩邊的裝置為圓柱形，那么火車的車輪踏面可以為圓柱形嗎？輔導教師拿出圓柱形車輪實驗教具，通過圓柱形車輪曲線運行實驗，學生可以得出結論：圓柱形的車輪在進行曲線運行時會脫軌。那還可以嘗試什么形狀的車輪呢？采用排除法排除三角形、方形和菱形后，學生發現車輪必須為圓形，既然圓柱形不行，那么是否可以通過改變圓柱形的大小解決車輪通過曲線的問題呢？什么樣的圓形可以又大又小呢？學生通過討論圓錐形車輪進行曲線運行的實驗，認為錐型的車輪可分為外緣大內緣小，以及外緣小內緣大2種。這時，輔導教師拿出實驗教具，分別是外緣小內緣大、外緣大內緣小2種車輪教具，以及若干可彎曲的軌道模型，學生進行圓錐形模擬輪對彎道實驗，并將數據記錄于“車輪踏面外形對列車曲線行駛性能影響研究數據記錄表”內。學生通過分析、推理、判斷、實驗后得出結論，只有外緣小內緣大的車輪可以順利通過曲線軌道。
階段6.交流分享
階段目標 ——
該階段要求學生能選擇合適的呈現方式，準確表達影響火車轉彎的踏面實驗過程及結果，分析得出影響火車轉彎的原因。
設計意圖 ——
輔導教師鼓勵學生分享得出實驗結論的證據，對他人的探究過程和結果進行評價并提出建議，培養學生的批判性思維。
學情分析及教學策略——
學生能夠通過實驗得出結論，但是很難對結論進行科學的闡釋，可通過交流進一步完善自己的發現，并從輔導教師的講解中得到更為系統的答案。
教學活動腳本 ——
通過交流分享，教師解釋，得出最終結論，火車車輪與鋼軌的接觸面是一個多弧度的踏面，車輪與鋼軌實際接觸的圓周也不是固定的大小，當火車進入曲線時鋼軌相對車輪向曲線內側發生了偏移，曲線內側的車輪接觸圓周的直徑變小，曲線外側的車輪接觸圓周的直徑變大，當車輪轉動相同的周數時，曲線內側的車輪滾動長度小于曲線外側，從而使火車順利通過曲線。因此，在同樣的轉動下，鐵軌內外側的距離差通過車輪踏面滾動距離差達到平衡，就像運動員跑過彎道時，如果要始終保持在一條直線上，外側跑道的運動員需要在同樣的時間內跑過更長的距離。
階段7.效果評估
階段目標 ——
以小組為單位，遵循客觀性、鼓勵性和反思性的原則開展評估，客觀性要求從學生的態度、參與度、完成度、合作情況多個角度進行評價。
設計意圖 ——
評價是課程管理非常重要的一個環節,是權衡教育目標設置與達成、提高教學質量的重要因素。
教學活動腳本 ——
在整個活動過程中，學生遇到了各種各樣的挫折與困難，輔導教師需要與學生保持良好的溝通并給予有效的引導，積極尋找解決問題的方法。
—— END ——
來源 | 本文節選自《中國科技教育》第9期科教展臺欄目，作者：杜媛/中國鐵道博物館
中國青少年科技教育工作者協會會員可點擊閱讀原文瀏覽全文
（聲明：除本公眾號原創文章外，本公眾號分享和轉載的文章皆為促進我國青少年科技教育發展，僅做學習分享和交流，非商業用途，都會注明來源。如文章、照片的原作者有異議，請及時與我們聯系刪除，謝謝支持。）
學堂活動
學堂優選
?
?
科技學堂全新欄目“學堂優選”，致力于為廣大師生家長發現和精選多品類優質好物，為孩子的健康成長助力。
戳·分享
戳·點贊
戳·在看
