STEM项目之化学动力汽车装置

温迪·史密斯

项目介绍

该项目要求五年级学生运用所学的科学知识设计并制作汽车装置，项目的标准和限制条件如表1，该汽车装置只能用化学原料作为动力驱动。在制作前，学生讨论以下问题，并分享各自对项目的理解：

采用何种材料进行制作？

如何形成化学动力？

能使用家里的玩具车吗？

完成这个项目需要多长时间？

可以选择项目搭档吗？

小组成员既可以由教师指定，也可以由学生自己选择。项目开展所需时间，可以每天2—3个小时，总用时3—4天，也可以每天1小时，总用时2周左右。下面描述的项目的两个部分，所花的时间大致一样。由于学生在以前都已体验过工程设计，在项目开始前只需要让学生观看视频网站Youtube上的一些短小有趣的视频，快速回顾一下工程设计过程。

项目的第一部分关注科学的应用，学生要确定动力装置内最有效的化学物质与水的组合，以产生化学反应推动车辆前进。项目的第2部分侧重于工程设计，学生运用工程设计流程建造一个包含化学反应装置的汽车底盘。

项目第一部分：科学的应用

可用材料有柠檬酸、小苏打、水、咖啡过滤纸、各种大小的汽水瓶、胶卷盒、任一窄嘴的小塑料瓶、软木塞、橡皮塞等。

1.安全和清洁事项

用醋代替柠檬酸也可以，但清洁起来比较麻烦。学生可以从家里带瓶子，只要符合尺寸标准，不存在安全问题即可。接触化学物质时应始终佩戴好安全护目镜。测试区域要隔开，只有测试组才能进入。在测试之前要得到教师准许，以确保安全和化学材料的使用剂量合理，教师演示如何使用水桶、海绵和干毛巾清洁、擦干测试区域后，学生才能测试。

2.反应原理

学生对物质混合后的化学反应进行研究，并根据颜色和温度的变化或者气体的形成来推断是否有新物质生成。参见附件1。

3.研究动力

在250毫升的塑料杯中加入5克小苏打、5克柠檬酸，还有50毫升室溫水。学生分享观察结果，教师引导学生就变量进行讨论。学生确定的变量包括：反应容器、水量、小苏打的剂量、柠檬酸用量。

4.改变变量

学生讨论了如何一次只改变一个变量，找到最有效的化学物质与水的组合，放入现有的各种容器内以产生推动车辆前进的化学反应。比如：改变容器，其他变量保持不变（5克小苏打、5克柠檬酸、50毫升水）。虽然水的温度也可以是一个变量，但在测试过程中保持水温的恒定太困难，因此只使用室温水进行所有测试。

5.测试

每个小组选择好了各自认为最有效的容器，并开始测试化学反应以推动汽车装置前进。三次测试中，学生对每一次车辆行驶的距离都进行了测量并记录下来。第一轮测试后，学生分享他们的测试结果。学生比较了不同小组收集的关于容器体积与汽车行驶距离之间的数据，并与自己的结果进行对比。

6.明确影响因素

学生有约4—5个小时来研究、测试物质和水所需要的量。通过测试、比较和分享，学生发现了各种因素对动力以及车辆行驶的影响，包括：反应物的量、容器的大小、气体形成的压力、软木塞的紧密程度、装置的起始位置是否靠墙。

7.记录整理

学生把项目第一部分所有做过的事都记录在实验记录本上，并使用项目清单作为指导。一旦学生最终确定了反应容器以及用于化学反应的物质的确切用量，车辆动力装置这一部分就不允许有变动了。

项目第二部分：工程设计过程

制作车辆使用的材料包括但不限于纸板、铝箔、CD光盘、卫生纸和厨房用纸纸筒、木串和木钉、稻草、各种乐高零件。学生可以从家里带额外的材料来制作汽车，但不能是现成的玩具车。教师希望学生为已经测试好的容器装置制作一辆搭载车（如图1）。

1.设计底盘

学生先自己思考如何设计车辆，然后与同伴进行分享。车辆设计的模型包含所用材料的标记和底盘上安装动力装置的位置。同伴讨论每种设计可能的优缺点，并决定初步的制作。依靠材料和车辆图形设计，进行分享、交流、改进。有些小组很快就做出了可运行的汽车模型，有些小组抛弃了传统的汽车底盘，改为雪橇设计，这样就无须构建轮轴系统。

2.安装动力装置

车辆底盘做好后，装上容器装置，加入化学物质和水，测试车辆的整体效果。测量车辆的运行距离并记录多次实验的结果，作为改进车辆的依据。由于项目的一个限制条件是“一旦选择了反应装置，就不能对这一部分进行改动”，所以，项目第2部分的所有改进工作都集中在车辆的设计上，而不再是容器装置内的化学反应。

3.车辆设计改进

很多学生发现了底盘的重量与化学反应驱动车辆能力之间的因果关系。因此，各小组纷纷改进底盘，要么简化设计，要么对车轮的设计、容器装置的位置或影响车辆直线行驶的变量进行修改，为解决某个问题进行多种设计并一一测试，最后确定哪个方案最符合设计标准。例如：一个小组以三种不同的方式调整安装在底盘上的容器装置的角度，朝上30度、水平放置、朝下30度，以确定哪个角度能最好地推动车辆向前行驶。

4.记录整理

学生继续在实验笔记本上记录整理自己做过的事情，对照项目清单以确保所有重要的工作都记录在册。教师定期展示实验笔记本上所做的各种记录，以便学生进行自我反思，并指导他们对所做工作进行有效整理。

项目测试

学生需要在指定的区域对设计好的汽车装置进行测试（如图2），虽然测试结果显示并非所有小组的车辆都达到了行驶1米的标准，但他们仍然是成功的，因为容器装置内的化学反应至少使车辆移动了一段距离。比起车辆实际的行驶距离，更重要的是学生对反复设计修改过程有了体验，对科学家和工程师的工作有了体验。一开始，许多小组未能成功启动车辆，这给教师提供了契机去指导学生分析每次失败的原因，比如：软木塞没有固定牢，瓶塞塞上前气体就产生了，添加的化学物质的量不够以至于气体不足以形成冲力。每当状况发生后，学生就会讨论修改方案，在笔记本上勾画出想法，对车辆进行改进，并再次进行测试。

整个项目中要保证有足够的时间让学生发现可能出现的问题，并通过头脑风暴集体讨论解决方案，让他们就像真正的科学家和工程师那样工作。

项目评估

学生和教师都对照项目清单进行评估（见附件2）。学生的实验笔记本上用例子说明了项目清单上的每个要点，包括车辆符合项目标准和限制条件等内容，并注明这些内容在笔记本中的页码。学生还做了一个自我反思的清单（见附件3），以反映他们的有关情况，比如：他们是否较好地掌握了学科核心概念、科学和工程实践，以及学校制订的克服困难和合作的培养目标。

教师评价学生时，应考虑化学动力车辆装置清单中的“科学应用”与“工程设计过程”这两个部分，以及学生所做的笔记资料是否达成了学习目标。教师要注意，即使有些小组的车辆没有行驶1米远，也应该当作实现了项目的学习目标。除了笔记本和清单，项目期间对学生的随堂观察也应成为对学生的学习作总结评价的依据。

项目修改

有些学生可能会在项目第一部分时努力完成一个功能正常的车辆和动力装置。为确保所有学生最大限度地符合项目标准，教师可考虑向某些学生提供预先构建或设计好的汽车组件，可以是能安装动力装置的玩具车，能运转良好的动力装置设计，也可以是由教师改良后的车辆与动力装置的组合，这些都可能对有一定操作障碍的学生有所帮助。在项目第2部分中，教师可建议起始的化学物质的用量，并帮助学生研究和记录合适的增量。这些修改既有助于构建学生的学习经验，也能使他们持续获得兴奋感和成就感。

通过与学生互动，关注学生开展活动，教师探索出了多种方法来应对项目中出现的特殊问题。

第一，教师观察到，学生想要车辆行驶得尽可能远，就马上加入更多剂量的化学材料，结果导致材料不足。教师就建议调整标准，将“车辆必须行驶至少1米的距离”改为车辆的行驶距离在1—2米。这个约束条件不仅可以限制材料的使用，防止浪费，还会提升难度，增加学生操作所需的精确性。

第二，教师提出在项目中增加一些成本元素，帮助学生思考材料的使用数量。这样，最成功的车辆装置不仅能够行驶至少1米的距离，而且最具经济效益（即使用最少量的材料）。这两项改进建议将为学校节省资金和材料，并提升学生的项目挑战水平。

第三，教师发现有些小组的车辆未能达到标准，即行驶1米的距离。但这些团队仍然达成了项目预期，他们设计、测试车辆模型，对化学动力进行探究。对待有特殊学习需求的学生，则可能需要对项目标准作出修改。

（作者王平系北京桂馨慈善基金会科学课项目专家）

湖南省株洲市石峰区报亭学校（412004）

附件1：物质变化活动

在此次活动中，你要研究什么证据能表明当两种或多种物质混合反应时一种新物质产生了，仔细观察并搜集证据。

1.探究：第一部分

先阅读第一部分的所有内容；再在笔记本上设计一个收集数据的方法，来记录你所做的事和你所做的观察，请确保其格式易于阅读，并可与他人共享；然后再开展活动。

戴上防护目镜

将1/4茶匙的碳酸氢钠（NaHCO3）和1/2茶匙的氯化钙（CaCl2）放入密封袋

在烧杯里装5毫升酚红溶液，将杯子小心放入密封袋中，保持杯子直立，尽可能挤出袋子里的空气，将袋子密封

保持袋子密封，将杯子翻过来，与化学药品混合，观察结果

在笔记本上记录“你做了什么，你观察到了什么现象”

活动结束后，做好卫生清洁工作

2.探究：第2部分

选择A或B选项，继续你的调查研究。在笔记本中设计好数据记录的方法。只有在时间允许的情况下才去完成第二个选项。

选项A

预测少用其中一种化学物质进行实验会发生什么

验证你的预测，记录你所做的和你所观察到的

少用另一种不同的化学物质，再次进行该实验

选项B

预测改变其中一种化学物质的剂量会发生什么

验证你的预测，记录你所做的和你所观察到的

重复该实验几次，每次均改变其中一种化学物质的剂量

3.记录

在笔记本中写好你的陈述、证据和推理。

陈述——用完整的句子回答问题

证据——支持陈述的具体数据

推理——用科学的解释或概念说明你所得结果的原因

附件2：化学动力汽车装置的项目清单

动力设计挑战项目限制条件（见前文，略）。

动力设计挑战项目成功标准——汽车装置至少行驶1米远。

科学笔记本的资料整理——项目完成后，记下每个要点在笔记本中的页码数。

1.科学应用

进行调查，找到驱动车輛最有效的化学反应（第一部分）

清楚记录、整理所进行的观察、得到的数据（第 _________ 页）

一次改变一个变量（第 _________ 页）

开展2次或更多次测试（第 _________ 页）

陈述：问题回答（第 _________ 页）

证据：支持陈述，并与记录的数据匹配（第 _________ 页）

推理：对结果的科学解释（原因）（第 _________ 页）

2.工程设计过程

科学笔记本用于记录车辆设计的过程（第2部分）

提问：记录关于项目挑战的问题（第 _________ 页）

想象：生成多个想法，包括图表（第 _________ 页）

计划：包括材料清单和最终设计图（第 _________ 页）

制作：设计和修改都有文档记录（第 _________ 页）

改进：基于测试结果进行修订（观察和数据）（第 _________ 页）

附件3：化学动力汽车装置的自我反思清单

根据自身情况对每一题进行打分，看看自己在工程设计挑战项目中学到了多少。在你的科学笔记本中寻找相关证据。

（以下前6个问题，学生按照1-5的指数表明认可程度，并在每一题后加一个实例以支撑自己的主张。）

1.我能做出计划并进行调查，包括控制变量，清晰、有条理地记录数据（观察和精确测量），并写好CER（主张、证据和推理）。

2.我能创建一个基本的化学反应，并理解物质性质的变化。

3.我能始终遵循恰当的安全操作程序。

4.我能运用工程设计过程来解决问题（提问、想象、计划、创建、改进）。

5.在解决困难问题时，我展现出了自信和灵活性。

6.我展现出与他人沟通、合作以实现共同目标的能力（合作）。

7.请分享关于该项目、你的学习或者其他意见和建议，以帮助你的老师改进化学动力汽车装置的工程设计项目。