科学与超级英雄

内森·多伦茨 阿贾·伍德 梅根·沃什伯恩 亚当·巴特森 布列塔尼·范 维多利亚·狄更斯 香农·阿姆斯特朗

0 引言

角色扮演已被证实能提高学生的参与度，并改善课堂的整体环境。当角色扮演活动得到有效运用时，可让学习任务变得更易于被学生接受。不同于面对考试，当学生遇到与其性格完全冲突的新角色时，某种程度上会激发他们表演符合该角色举止的欲望。当学生在课堂上扮演的新角色产生出积极作用时，他们就会尝试将其运用到现实生活中。我们在课程中借助角色扮演这种教学策略，让学生通过扮演超级英雄来学习相关科学知识并操作科学仪器。

我们使用一种逆向思维来策划这门课程，将重点放在学习目标上——空气压力的概念，即空气可以施加力从而产生气压。利用结构化探究的方法，让学生自主解答科学教师提出的问题，进而理解空气和气压的特性。将学习目标与活动环节互相关联，并融入超级英雄的故事情节中：学生们扮演成维护正义的“特工”，共同对抗虚构的“反派”。为了避免学生的语言暴力行为，科学教师将以身作则，引导他们保持正确的心态。

1 奋力向前冲

最近，超级英雄们招募了一批新成员，来帮助他们击败威胁城市安全的大反派。这些新成员已经学会了一系列小工具的用法。戴上面具，披上斗篷，隐藏好自己的身份，他们开始了第一个任务——化学家“恶氟”释放出大量有毒气体，特工们要驾驶“气球火箭”（见图1）飞离城市，消除这些正在入侵的危险泡沫。

第一部分的学习目标在于让学生明白气球中的空气如何推动其穿过房间，以及气球的运动状态与动能、势能有何种关联。在活动前的小组分工、活动中的动手操作以及活动后的作品演示中，我们通过形成性问题，完成对学生的评价。

首先，我们要创设教学情境。作为超级英雄的一员，在课堂上每个学生都戴着各自的纸面具，身穿布斗篷。我们相信，秘密身份的确立会将学生们凝聚成一个团队。

然后，组织学生观看事先准备的背景影片，并提出一个问题：气球里吹进空气的量将如何影响气球的飞行距离？指导学生学会使用“气球火箭”，要注意是否有人对乳胶过敏，在释放气球时必须戴上护目设备。将不同量的空氣吹入“气球火箭”中，并测量它们的飞行距离。吹入气球的空气越多，被储存的潜在能量就越大。当气球被释放时，势能转化为动能，气球就可以飞得更远。为了解释这一现象，引入“推力”一词来描述气球与空气之间的相互作用力，就是这种力使“气球火箭”向前推进。

在第一部分的活动中，学生们吹起气球，穿越教室击中目标。胜利之后，超级英雄们举办了一场新闻发布会，讲述“气球火箭”背后的科学原理。

2 极地涡旋

现在，超级英雄们信心倍增。然而，他们又发现了另一个威胁——“极地涡旋”。这个野心勃勃的冰雪女王来自遥远的国度，正准备把大都市变成她的新宫殿。对此，超级英雄们准备用“漩涡加农炮”来摧毁纸杯组成的“冰墙”。

如图2所示，“漩涡加农炮”由密封的、中等大小的纸箱（50 cm×35 cm×35 cm）制作而成，每个纸箱都从最窄边裁出一个直径约12 cm的圆孔。

施加力之后，空气会移动吗？第二部分的学习目标是让学生了解空气占据了一定的空间，在力的作用下可以发生位移。

为了直观地反映大都市需要应对的两大问题：“恶氟”与“极地涡旋”，要求学生以绘画的形式描述科学英雄与大反派对决的细节。绘画练习可以提高学生解决问题的能力，帮助他们回顾科学知识、展开头脑风暴。在这一过程中，科学教师要仔细观察学生所绘的插图，并记录下他们对所学知识的表述。

接下来，学生们同时击打“漩涡加农炮”的两侧。通过对纸箱的侧面用力，一股强气流会从纸箱里冲出，将距离纸箱1 m左右的物体掀翻。我们将烟雾送入“漩涡加农炮”中，以显示空气离开纸箱时的形状。同时，向学生展示塑料瓶被挤压的过程：当拧紧瓶盖时，塑料瓶根本挤压不动，因为里面的空气无法逃逸；当打开瓶盖时，瓶子就会被完全挤扁。

在第二部分的活动中，学生们拍打纸箱，形成气流冲击目标。胜利之后，超级英雄们分别接受电视台的专访，讲述“漩涡加农炮”背后的科学原理。

3 发射体

大都市里的超级英雄们又有了新的任务：一只名叫“垃圾鼠”的超级大老鼠，肆无忌惮地在各个角落乱扔垃圾，让整个城市臭气熏天。超级英雄们想要借助“跺脚火箭”（见图3）消灭它，让清洁重回城市。

第三部分的学习目标建立在“由力产生的空气压力可以作用在另一个物体”上。正如之前所学的内容，可以通过将气球中的空气释放出来，或是拍打纸箱的侧面将空气挤出。此外，调整发射装置的角度也能影响物体的运动轨迹。

以什么角度发射，“跺脚火箭”飞得最远？从数据收集的三个步骤出发，要求学生自己找出答案。首先，我们将泡沫火箭与脚踏气泵相连，以产生足够的空气压力。接下来，我们将发射装置调整成三种不同的角度（20°、30°、40°），对每个角度进行三次测试。最后，我们实施模拟发射，用卷尺来测量飞行距离。为了确保安全，“跺脚火箭”要面朝远离学生的方向，等到所有学生都离开着陆区后才能进行发射。

在第三部分的活动中，学生们根据“垃圾鼠”所在的位置，调整“跺脚火箭”发射装置的角度，打得它无处可去。胜利之后，超级英雄们在模拟演播室中侃侃而谈，讲述“跺脚火箭”背后的科学原理。

4 援军

“恶氟”“极地涡旋”“垃圾鼠”合伙对大都市进行破坏，必须在它们溜走之前将其抓获！好像心有灵犀一般，超级英雄们从天而降，让我们携起手来，共同拯救这个城市！

在最后一部分的活动中，家长也参与了进来，与孩子们一起回答关于“气球火箭”、“漩涡加农炮”和“跺脚火箭”的问题。

下列说法哪些是对的？

（1）“气球火箭”

吹进气球的空气越多，它就越有动力飞越整个房间。

吹进气球的空气越少，它就越没有动力飞越整个房间。

当气球释放空气并向前运动时，空气的势能转化为动能。

当气球中的空气被释放出来时，产生了一个向前的动力，我们把它称为“推力”。

气球推动空气的力与气球的运动方向是相同的。

（2）“漩涡加农炮”

因为空气是无形的，所以空气不占用空间。

空气有质量并且占用空间。

当你击打纸箱的侧面时，空气会从纸箱里跑出来。

当塑料瓶里的空气无法逃脱时，可以彻底把它挤扁和压碎。

从圆孔中出来的涡流环被认为是一种通过空气流动的流体。

（3）“跺脚火箭”

脚踏气泵对空气产生的作用力是泡沫火箭飞到空中的原因。

脚踏的力量越大，空气对泡沫火箭的作用力就越强。

即使泡沫火箭的顶端有个大洞，它仍能发射。

在力量相同的情况下，泡沫火箭以40°发射的飞行距离比20°更远。

泡沫火箭以20°发射的飞行距离比40°更远。

5 结语

通过在科学课程中使用角色扮演的策略，我们创造出一个更像游戏而不是学习的环境。学生在活动中表现出了高水平，积极融入故事情节并认真学习相关内容。他们不仅掌握了一系列工具背后的科学原理，并且意识到自己所担负的责任。

文章来源

Nathan Dolenc， Aja Wood， Megan Washburn， et al. Science and superheroes： In this role-play activity， K-1 students act as superhero agents while learning the science behind a series of gadgets[J]. Science and Children， 2016（10）： 56-61.