“用气球驱动小车”实验教学改进

一、原实验不足之处

《用气球驱动小车》一课指向两个核心问题：是什么力让物体从静止变为运动以及物体运动的距离或速度与反冲力的关系。教材安排了3个探究活动：①感受气球的喷气方向和运动方向，指向初步感受反冲力；②组装利用气球驱动的小车，指向利用反冲力驱动小车；③思考如何让小车行驶得更远，指向控制反冲力的大小。从单元角度来看，“运动和力”单元主要是让学生初步认识和感受重力、反冲力、弹力、摩擦力等几个简单的力，利用的器材有小车、垫圈、气球、橡皮筋、弹簧测力计等，材料丰富实用，有助于解决本单元的核心问题。但课时之间缺乏联系，材料与实际生活的联系不够紧密，导致学生难以将所学知识运用于生活中。

1.观察难——反冲力不可视、方向不可控

探究活动①中，由于气球太轻，喷气方向和运动方向时刻在改变，导致学生难以观察和感受。探究活动②中，气球的喷气方向和运动方向都是水平的，导致学生缺少了对水平方向的感受与研究。

2.思维窄——易演变成吹气球比赛

原实验过于追求小车行驶的距离，导致实验转变成看谁能将气球吹得更大的比赛，而气球的承受能力有限，增加了实验危险性。学生多想到通过改变气球大小来改变小车运动的距离，很难想到其他方法，如更换气球、喷嘴口等，思维发散不够，难以进入深度学习。

3.操作难——气球大小难控制、无明确衡量标准

气球大小全靠学生主观控制，没有明确的衡量标准，具体操作时还容易漏气，难以与结论之间建立因果关系。这些都导致最终结论的得出全靠学生的前概念，实验失去了应有的意义。

二、实验改进

针对以上分析，我们设计了“返回基地——反冲力实验装置”，它由轨道支架、月球车、喷嘴和皮卷尺等构成（如图1）。轨道支架的上部固定一根铁丝，上面串有气球固定装置，气球与滴管相连并在此穿入，使气球可以自由地在水平方向上运动。支架两边粘贴丝带，可将气球喷出的气可视化。喷嘴有三个：两个无阀门，但喷嘴口大小不同；一个有阀门，阀门喷嘴的气球上标记线段AB。

这套器材的改进及其在实际教学中的应用，主要为了更好地解决本课的两个核心问题（如图2）。

1.化抽象为具象

在具体教学时，首先，我们要用齐、用足、用好现有实验材料，让学生在不断动手探究的过程中解决科学问题，获得科学知识，提高探究能力。其次，针对现有实验材料的不足，我们应适当改进部分构造来优化实验，化抽象为具象。

（1）加滴管——使竖直方向的反冲力变直观

将1 mL塑料滴管的顶部减掉，用胶带将其固定在气球出气口上。塑料滴管膨大的顶部能与气球的出气口较好地吻合，保证密封性，且1 mL塑料滴管的重量合适，既不会太轻使气球乱飞，也不会太重使气球飞不起来。这样的组合能较好地保证气球的喷气方向和运动方向。教学时，我们还增加了双手的体验。

体验感受：一名学生把气球吹大，用拇指堵住喷气口并将气球调整成竖直，另一名学生将一只手放于气球上方，另一只手放于喷气口下方，感受喷气，并抓住气球。一轮结束后，更换新的气球，轮流体验。

通过体验感受，学生清晰地感受到气球的运动跟喷气时的一种推力有关。气球向下喷气时会向上运动，方向正好相反。

（2）加支架——研究水平方向的反冲力

学生将装有滴管的气球安装在支架上，研究气球在水平方向的运动，从而更精细、更全面地研究反冲力与喷气方向的关系。

直观现象：一名学生将气球吹大并用拇指堵住喷气口，松手后借助丝带观察气球的喷气方向和气球的运动方向。交换气球放置方向后再试一次，记录结果。交换气球放置位置后，再来一次。

通过直观现象学生发现，在水平方向上，气球的运动方向也与喷气方向相反。这两次体验让学生对反冲力及其方向有了丰富的体验和直观的认知，能科学地解释是反冲力使气球从静止到运动的，还能准确地判断气球运动的方向，从而顺利解决本课第一个核心问题。

总的来说，改进后的实验具有以下优点：从体验到直观，再到判断，现象对学生的视觉冲击逐渐加强；气球运动时，兼顾竖直方向与水平方向，注重细节的考量；增加支架构造后，将不可见的反冲力转化为可见的气球运动，将不可见的喷气转化为手的触觉和丝带的飘动，化抽象为具象。

2.化定式为发散

教学中，教师应提供更多项目式学习、创新发明制作等活动，激发学生的好奇心、想象力和探求欲，引导他们参与探究实践，并在此过程中获得科学知识、掌握科学方法、解决科学问题，从而促进其思维发展，化定式为发散。

（1）改进教材任务，提升探究意义

教师创设一个让月球车返回基站的情境（如图3），学生就不会再一味地想把气球吹到最大，而是有计划地通过改变气球大小、喷嘴口大小等来改变反冲力大小及其持续时间。这样做的危险性更小，趣味性、科学性更强。

（2）创设递进项目，促进思维进阶

教师设置递进性的项目（见表1），在第三层级教师提供多种组合条件，不设限制，促进学生思维的进阶。

教学时，学生首先需要利用反冲力让月球车运动起来——先组装月球车，将装有气球的喷嘴安装到月球车上；再吹大气球，用拇指堵住喷气口；然后，将月球车放在水平桌面上，观察月球车是否运动起来；最后，学生控制反冲力的方向，让月球返回基地。一轮结束后，重复上述操作，将月球车放到支架起点处，改变喷嘴口朝向，观察月球车是否能返回基地。这两个层级的项目是对反冲力及其方向的理解应用。

任务来到第三层级，学生需要控制月球车运动的距离，使其精准到达基地。学生容易想到，可以通过改变气球和喷嘴口的大小来改变反冲力的大小和持续时间，最终实现精准到达。但在具体操作时，学生会遇到一些困难，如吹完气球用拇指去堵住时会漏气、无法精确调整气球的大小等。学生在实践中发现问题并思考解决方法，能激发他们继续学习的内在动机，让他们综合判断已有现象和事实，不断质疑、改进、修正，突破定式思维，变为发散思维。

3.化烦琐为精简

“物质的运动与相互作用”这一核心概念的抽象程度较高，对学生探究水平的要求也较高，涉及的探究活动数量也较多。一节课的探究时间有限，所以，教师要精心设计实验材料，减少实验中过于烦琐的步骤，避免学生因操作不当得出错误结论。此外，还要明确衡量指标。针对学生在学习时发现的问题，教师要提出合理的解决方案，提供改进材料，让他们继续探究。

（1）巧妙利用阀门，精简细化操作

将输液管中的阀门剪下，加在喷嘴和气球之间，这样既能保证气球吹大后不用手堵住也不漏气，又能调节喷嘴大小，从而研究喷气多少对反冲力的影响。这样做还让气球运动的方向更稳定，使学生的操作更严谨、更简便，大大优化了直观体验。

（2）线段标记气球，明确衡量指标

先在气球两端标记AB两点（如图4），再用打气筒将气球吹大，将AB两点沿皮尺划线连接，最后将气球恢复到原样。在具体操作时，随着气球被吹大，线段AB的长度也会变长，起到了标记气球大小的作用。

具体实验时，首先打开阀门，将气球吹大，再关闭阀门，将整个气球装到月球车上，有阀门的一面朝上（以防气球吹大后接触地面）。接着，用皮卷尺测量气球上线段AB的长度并记录在活动记录单上（见表2）。然后，将月球车放到轨道支架的起点处，用拇指堵住喷气口，打开阀门，松开拇指，观察月球车是否到达基地。最后，根据实验结果不断修正，直至月球车成功到达基地。

结合实验，学生交流。除气球充气多少以外，学生还会从阀门打开的大小、气球本来的大小和伸缩能力等多方面进行分析，发散思维。至此，本课第二个核心问题也得以解决。

此时，课堂接近尾声，教师鼓励学生继续探究，将项目延伸到课外，继续设计实验。在持续探究中，学生思维不断发散，他们得以有机会真正解决生活实际问题。

三、实验优点

1.实验材料生活化

本次实验创新改进的材料均来自课堂和生活实际，易取得、成本低、易推广，便于学生在课后继续探究，也便于家长的参与。

2.实验器材通用化

本套器材还具有通用化的特点，能用到“运动和力”单元的其他课时，如第1课《让小车运动起来》、第3课《用橡皮筋驱动小车》、第5课《运动与摩擦力》，以及三年级“物体的运动”单元的部分课时。教师可以“返回基地”为主项目，形成一系列相互关联的项目群，从而将“物质的运动与相互作用”这一核心概念所涉及的课时加以融合，实现各学段的有机衔接。

3.学生思维主动化

本套器材可以使实验操作更简便，效果更明显，记录更方便，有助于提高学生操作的科学性和严谨性。项目化的任务驱动让学生从被动接受转变为主动思考，通过设计实验和改进完善，提升了他们思维的主动性以及建构知识的系统性。

参考文献

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