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用纸火箭学会科学方法:完整教案
课程速览
| 项目 | 内容 |
|---|---|
| 适用年级 | 6–8 年级 |
| 小组规模 | 1–4 名学生 |
| 动手时长 | 3–4 小时 |
| 总时长 | 3–4 小时 |
| 学科领域 | 空气动力学与水动力学、太空探索 |
| 核心概念 | 科学方法、飞行、力 |
| 作者 | Ben Finio 博士，Science Buddies |
Science Buddies 坚持由科学家和教育工作者亲自创作内容。
📺 纸火箭组装示范视频（英文）：Paper Rockets - STEM Activity
概述
想用一种有趣又简单的方式教学生科学方法吗？试试这份教案——只需纸、胶带和吸管，就能做出会飞的火箭。本教案还有一个小学版可供参考。
学习目标
- • 开展背景研究，并提出合理的假设
- • 设计并实施一个检验假设的实验
- • 根据实验结果得出结论
NGSS 对齐（下一代科学教育标准）
本教案帮助学生备战以下 NGSS 表现预期：
- • MS-科学与工程实践（MS-Science Practices）
本教案侧重 NGSS 三维学习的以下维度：
| 科学与工程实践 | 学科核心概念 | 跨学科概念 |
|---|---|---|
| 提出问题 | 适用的学科核心概念（如有）取决于学生选择的研究方向 | 模式：图表和图像可用于识别数据中的规律 |
| 开发和使用模型 | 因果：关系可分为因果关系或相关关系，而相关不一定意味着因果 | |
| 规划并开展调查 | 系统与系统模型：模型可用于表示系统及其相互作用——例如输入、过程和输出——以及系统内能量、物质和信息的流动 | |
| 分析和解释数据 | ||
| 运用数学和计算思维 | ||
| 构建解释 | ||
| 基于证据进行论证 | ||
| 获取、评估和交流信息 |
材料
材料一览（图片版权：Ben Finio, Science Buddies）
- • 纸
- • 剪刀
- • 胶带
- • 饮料吸管
- • 卷尺
教师背景知识
本节为教师快速梳理本课涉及的科学概念。
本教案借助一个有趣的项目——纸火箭，带领学生走完科学方法的各个步骤（图 1）。关于科学方法，你可以在这份指南中读到更详细的讲解，也可以布置学生自行阅读。
图 1. 科学方法的步骤。（版权所有 © Science Buddies，经授权使用）
学生将用纸和胶带制作小火箭。火箭套在吸管上，向吸管内吹气即可发射（图 2）。
图 2. 纸火箭。（图片版权：Ben Finio, Science Buddies）
教师最好先熟悉纸火箭飞行背后的基本科学概念。根据学生选择研究的变量不同，他们可能需要就其中某些概念做进一步的资料查阅。下方"延伸阅读"一节中的参考资料对这些概念有概要介绍。以下是学生容易混淆的几个知识点：
- • 推力、升力、阻力和重力的方向。 升力和阻力是依据火箭相对于空气的运动方向来定义的：阻力与运动方向相反，升力与运动方向垂直。平时这不会造成困惑，因为我们想象的大多是水平飞行的物体（比如纸飞机），升力朝上。但如果火箭是垂直发射的，升力就指向侧面而不是朝上（图 3）。
- • 真实火箭通过燃烧燃料获得持续推力，燃料从火箭尾部喷出。根据牛顿第三运动定律（每个作用力都有一个大小相等、方向相反的反作用力），燃料被向后推出，火箭就必然被向前推进。这一原理同样适用于某些玩具火箭，如模型火箭、水瓶火箭和小苏打+醋火箭——它们都会喷出某种"燃料"。但本项目中的纸火箭不携带任何燃料：它只靠吸管吹出的最初一口气向前推进，之后就不再产生任何推力。
- • 火箭的尾翼乍看之下像是机翼，若水平发射火箭，似乎能产生升力。但尾翼非常小，其主要作用是保持火箭稳定、防止翻滚——而不是提供升力。详见 Science Learning Hub 的"火箭空气动力学"参考资料。
图 3. 作用在火箭上的升力、阻力、重力和推力的方向。（图片版权：NASA，公有领域）
延伸阅读
- • 科学方法的步骤（Science Buddies）
- • 什么是火箭？（NASA）
- • 火箭如何工作（NASA）
- • 火箭空气动力学（NASA）
- • 火箭空气动力学（Science Learning Hub）
课前准备（5 分钟）
- • 自己先做一个火箭，作为课堂演示的教具。组装方法见这个视频。
- • 上网搜集一些真实火箭的图片和视频，课上放给学生看。
教师工具箱
- • 纸火箭组装视频：英文版、西班牙语版
- • 学生工作表（PDF）
- • 科学方法小测验（可布置到任意 LMS）
导入（10 分钟）
- 1. 给全班展示一些真实火箭的图片和视频。
- 2. 向学生演示你的纸火箭。解释纸火箭是一个"模型"——科学家常常用模型来代表真实系统。纸火箭之所以有用，是因为在教室里建造和测试真火箭并不现实；而纸火箭能让我们通过实验来回答关于火箭的问题。
探究（90 分钟）
以纸火箭为例，带领全班逐步走完科学方法。学生工作表可作为引导。你也可以把其中部分步骤布置为家庭作业，而不必全部在课堂上完成。
- 1. 提出问题。 根据看过的真实火箭图片/视频和纸火箭演示，每个学生应提出一个可以用纸火箭实验来检验的问题。以下是几个示例问题：
- • 火箭的长度如何影响它水平发射时的飞行距离？
- • 头锥的形状如何影响火箭的最大高度？
- • 尾翼的位置如何影响火箭的稳定性？
有些问题无法用纸火箭模型来回答。例如"哪种火箭燃料效果最好？"就不可行，因为这些火箭不使用燃料。
- 2. 做背景研究。 学生应思考与自己的问题相关的纸火箭特性，并针对真实火箭开展相关背景研究。
- 3. 建立假设。 学生需要明确实验中的自变量、因变量和控制变量。他们的假设应包含科学解释，说明自变量如何影响因变量，并就"改变自变量将如何改变因变量"做出具体预测。例如："更长的火箭更流线型，所以如果我把火箭机身加长，它就会飞得更远。"
- 4. 用实验检验。 开始实验前，学生应仔细列出所需的全部材料，并写好将要遵循的实验步骤。他们需要想清楚如何测量、如何保持控制变量不变、要做多少次重复试验等等。重要提示：出于卫生考虑，学生不得共用吸管，务必保证每人使用自己的吸管。
反思（90 分钟）
- 1. 分析数据并得出结论。 学生应运用与年级相称的数学方法（如计算平均值）来分析和作图，找出自变量与因变量之间的实验关系。这一关系是否支持他们的假设？提醒学生：实验结果与预测不符也没关系，只要他们尝试解释发生了什么。
- 2. 交流结果。 你可以自行决定学生汇报实验的方式：只提交工作表、写书面报告、做口头汇报，以及/或制作海报。要强调的是：学生应解释他们经历的整个过程——从提出的问题开始——而不仅仅是实验的定量结果。
评估
以学生的最终成果（工作表、报告、汇报和/或海报）作为本课的评估依据。
职业连接
有许多不同类型的科学家都在用科学方法探索自然世界。可以在 Science Buddies 的科学职业页面上了解他们。
本文翻译自 Science Buddies 教案 Paper Rockets to Learn the Scientific Method，作者 Ben Finio, PhD。插图版权：Science Buddies（经授权使用）与 NASA（公有领域），插图经由 LabXchange 官方转载版本恢复。