制作轮子

李佩宁

对于低龄段的学生来说，轮子是生活中常见的事物。它看似简单，但实际上直到公元前3500年才被发明出来，甚至比铸造金属还要晚。轮子并不是一个简单的圆环，它的正常工作需要考虑轮辋（俗称轮圈）、辐条、轮轴和组装等一系列的问题。

一、课程重点

本课程旨在让学生通过亲手制作轮子，认识到轮子的原理，以及识别从科学原理出发到工程实践的过程中可能产生的各种问题，练习使用STEM领域的工程循环思维。本课程主要培养学生理论联系实际的实践能力、识别问题和动手解决问题的能力。

【涉及领域】物理、工程、机械、科学、数学、历史

【建议年级】小学低年级

【建议时间】基础课程80分钟，拓展课程40分钟

【材料】小车模型、软糖或硬纸板、长木签、尺子、胶带或胶枪、剪刀

二、课程任务

学生以小组为单位，分别使用给定材料制作轮子，并将制作好的轮子安装在小车模型上，能够运输一些小的物件。在此过程中，学生会发现轮轴的连接、轮子的大小等各方面存在各种问题。学生需要重新设计并制作轮子以解决这些问题。课程最后引发学生讨论：为何轮子一定是圆形的？在本课程中，学生也可以制作一些其他形状的轮子进行试验。

在拓展课程中，教师向学生出示一段特殊的凹凸路面，请学生制作一套轮子能够在凹凸路面上前进而不上下颠簸。

三、课程步骤

1.导入（5分钟）

教师在课前要准备小车模型、重物和不规则路面：小车可以用一个底面积约30cm×50cm的空盒子来代替，也可以用现成的小车模型，把原来的轮子拆掉即可；重物要大小适中，以便放在小车里面不会掉出来，如铅块或者硬币；不规则路面可以用卫生纸纸筒稍作处理来充当，如将纸筒从中剪开，然后弧面向上粘在一个长条形的硬纸板上，可以多制作几段备用。

教师给学生播放有关车轮的简短视频，并让学生回答以下问题。

（1）你们见过轮子吗？

（2）见过那些轮子？请列举。

（3）轮子有什么特征？

（4）轮子为什么是圆形的？

部分学生可能会提到，只有轮子是圆形的，车才不会上下颠簸。但是学生很难抽象总结出其中的科学原理，即因为车辆连接在圆形轮子的圆心上，才能与地面的相对距离保持一致，这才是轮子通常是圆形的原理。教师暂时不用对此进行特别讲解，可以留在课程最后由学生自己得出结论或从现象中进行总结。

2.宣布任务及评价量规（5分钟）

【宣布任务】将学生分成小组，要求每个小组制作一组轮子，并安装在小车模型上，小车可以在地面上前进至少30cm，最好能够用来运载物品。宣布任务后，呈现评价量规（见表1）。

3.展示各种不同的轮子模型（15分钟）

教师预先制作好一些不同形状（如多边形、三角形、椭圆形等）的轮子，分发给各小组进行观察记录。各小组要对不同形状的轮子进行比较，并总结出异同。教师抽取两至三个小组发言，其他小组进行补充。

学生们很快会发现，圆形、椭圆形和多边形的轮子都能够比较轻松地滚动，圆形是最容易滚动的。之后，学生们要对自己小组的制作方案进行设计，画好设计图后领取制作材料。

4.设计和制作（20分钟）

正式执行轮子设计和制作任务。教师进行巡视，观察各小组制作情况，并用以下问题引导各小组。

（1）你们采用哪一种轮子设计方案？

（2）怎样保证轮子能够滚动30cm的距离？

（3）把车连接在轮轴上的时候，随着轮子的滚动，轮轴也会转动，怎样设计制作这一连接机构？

（4）怎样避免椭圆形的轮子一上一下运动？

（5）为什么有的轮子会颠，有的轮子不颠？

5.展示和总结（35分钟）

教师在各小组制作完成后，给每个小组至少5分钟的时间进行展示，并要回答其他同学提出的问题。教师对各小组的轮子进行测试，看是否能够达到滚动的距离，以及是否能够运载物品进行滚动。

6.拓展课程（40分钟）

【拓展课程】设计在不平路面上也能平稳滚动的轮子。教师出示一段道路模型（见图1），让学生制作一套轮子，要求能在这样的路面上平稳进行滚动。

教师宣布任务后巡视各组活动，并用以下问题引导学生。

（1）圆形轮子和非圆形轮子有什么不同？

（2）圆形轮子的特征是什么？

（3）这段路面的特征是什么？

通过前面的实验可以总结：轮子不颠的本质，是轮轴中心到地面的距离总是能保持相等。在这样一段特殊路面上，圆形的轮子显然不能保持圆心到地面的距离始终相等。引导学生思考：什么样的形状是中心到边缘的距离能够变化的？

教师在黑板上出示各种多边形，让学生仔细观察。学生很快会发现，所有的多边形的中心在旋转时到边缘的距离都是能变化的。之后，让学生将各种多边形中心到边缘的距离标注在黑板上，然后计算一下两种距离的差是多少。不难发现，多边形的边数越多，最长距离和最短距离就越接近。

教师指出，圆可以看成一种特殊的多边形，一种有很多条边的多边形。事实上，在很多实际运用中就是这么做的。在学生理解了这一性质后，让学生研究教师出示的不平路面，并与之前的多边形性质联合起来思考。学生会发现，只要测量一下路面最高处和最低处之间的距离，然后使设计出的多边形轮子能够弥补这个距离就可以平稳滚动。其中一種可行的解决方案如图2所示。

（责任编辑 张慧籽）