作者：杜媛/中国铁道博物馆
(相关资料图)
“火车是如何转弯的”课程以“基于展厅资源，引导学生自主探究，提升学生科学素养”为宗旨，以“火车车轮结构与轨道转弯功能研究”为主线，借鉴《义务教育小学科学课程标准（2022年版）》中针对5-6年级必做探究实践活动“观察轮轴在生产生活中的应用”的要求，聚焦“火车轮对为什么里大外小”问题，引导相应学龄段学生开展实验探究进行验证，带领学生深入“铁路背后的科学”，激发探索精神，发展科技创新能力。
教学过程
阶段1.课前引入
阶段目标 ——
提出问题，引入主题
学情分析及教学策略 ——
学生容易对有些熟悉但又不太确定的问题产生浓厚的兴趣，辅导教师可通过提问，将学生的注意力转移到教学内容上。
教学活动脚本 ——
在“火车是如何转弯的”课程开始之初，辅导教师提问：“火车有方向盘吗？汽车是靠操纵方向盘实现转弯，轮船和飞机利用舵转弯，那火车如何实现转弯呢？”通过一系列提问引发学生思考，在一问一答过程中激发学生的好奇心。
阶段2.创设体验环境
阶段目标 ——
利用生活中的跑道为学生创设熟悉的现实情境，引导学生将已有知识与生活经验相联系，为下一环节引出车轮踏面形状影响火车转弯内容作好铺垫。
设计意图——
创设体验环境，让学生能从真实情境中获得启发，从对跑道真实情境的理解迁移到对火车转弯可能原因的猜想。
学情分析及教学策略 ——
当所探究问题与个人的现实生活、行为习惯相关联时，会激发学生思考和解决科学问题的兴趣，但仅通过思考和推理有时并不能完成探究性思维的过程。因此，辅导教师在这一环节创设了跑道这一真实的环境，进一步激发学生探究的兴趣。
教学活动脚本 ——
辅导教师提前在博物馆室外展厅画好起跑线（无论哪条跑道，起跑线均为水平线），让学生选择跑道，学生均倾向于选择最内侧的跑道，认为内侧跑道距离会短一些。辅导教师利用提问进行引导：“为了确保公平，大家认为应该如何划起跑线？”学生回答：“不同跑道不能在同一条起跑线上，应该按照跑道跑圈距离确定起跑线的位置。”随后，辅导教师可自然地将学生的注意力引导至火车转弯过程中也存在类似问题：“火车的起跑线是一样的吗？它是如何实现转弯的呢？”
阶段3.观察火车轮对
阶段目标——
通过参观，了解火车车轮的形状结构，分析车轮哪些结构可能会对火车转弯产生影响？
设计意图 ——
通过观察让学生了解火车车轮踏面对火车转弯的影响。
学情分析及教学策略 ——
学生对火车车轮有一定的前概念，比如火车车轮与其他交通工具的车轮质地不同，火车车轮比较大，火车车轮中间有1根轴，火车车轮踏面不一样等，但通常不能准确将思路引至火车车轮形状对火车转弯的影响上，通过设计“找”“做”“问”三部曲，让学生自主寻找探究主题，找到车轮的哪些结构会影响火车转弯。
教学活动脚本 ——
博物馆展品是开展基于实践的探究式学习最合适的教育载体之一。博物馆教育不同于学校教育最大的特点是博物馆的情景式教学方式，因此，最大限度利用好博物馆内模型、展品或文物具有重要意义，尤其是博物馆特有的展品，更能体现博物馆教育活动的可辨识度。在课程中设计了参观环节，通过在真实情景中“找”“做”“问”提升学生的学习体验。①找。找到与火车转弯相关的展品（火车轮对）。②做。通过观察，聆听辅导教师讲解，动手触摸实物，动脑思考，提升学习效果。③问。通过教师与学生的互动问答，讨论与轮对相关的科学知识，加深理解。
阶段4.提出假设
阶段目标——
设计意图 ——
假设的提出源于学生的知识储备及对日常事务的细致观察和思考，在科学探究环节，要把学生提出的各种假设聚焦在能通过科学研究（实验）解答的部分。
学情分析及教学策略——
该阶段学生提出的假设是基于前概念提出的，一开始学生可能并不知道能提出什么可探究的假设，辅导教师可将学生进行分组，并给出相应的提示。
教学活动脚本——
①提出假设。抛出“火车车轮哪些结构特征会对火车转弯产生影响？”这一问题，运用头脑风暴法开展小组讨论，提出不同的假设。
②分析问题。将提出的假设进行分类，比如“火车转弯是因为车轮上的车轴”“火车转弯是因为火车车轮踏面的形状”等。
③确定可探究的假设。通过分析法帮助学生筛选出可继续探究的假设，并解释不能用作科学探究的假设是出于什么考虑，比如“火车车轴的存在是为了负担车辆重量，并传递各方向的动、静载荷，与火车转弯并无直接关系”。根据火车转弯时车轮踏面与钢轨直接接触这一现象分析讨论确定“火车车轮踏面的形状可能会对火车转弯产生影响”这一假设。
阶段5.实验教具的选择与实验探究验证假设
阶段目标 ——
学生能够通过推理论证，分析、比较等思维方法，建立证据与解释之间的关系，并提出各个实验步骤使用不同实验教具的合理见解。
设计意图——
实验教具的选择是激发学生探究兴趣的重要环节，需要注意，实验教具并不是由辅导教师直接提供给学生，而是引导学生了解实验教具的选择应该通过推理讨论得出，以便获取实验教具后能够更好地开展实验探究。
学情分析及教学策略——
在此环节，由于实验教具是学生通过推理获得的，因此在后续的实验过程中学生依然保持着浓厚的探究兴趣，辅导教师的主要任务是引导和规范学生的动手操作技能，注重培养学生的观察、记录、分析、推理能力。这种验证性的实验，侧重于让学生体验科学探究的过程和方法。
教学活动脚本——
通过实地观察，学生发现，火车左右2个车轮被牢固地安装在同一根车轴上，等比例缩小后像健身用的杠铃，但杠铃两边的装置为圆柱形，那么火车的车轮踏面可以为圆柱形吗？辅导教师拿出圆柱形车轮实验教具，通过圆柱形车轮曲线运行实验，学生可以得出结论：圆柱形的车轮在进行曲线运行时会脱轨。那还可以尝试什么形状的车轮呢？采用排除法排除三角形、方形和菱形后，学生发现车轮必须为圆形，既然圆柱形不行，那么是否可以通过改变圆柱形的大小解决车轮通过曲线的问题呢？什么样的圆形可以又大又小呢？学生通过讨论圆锥形车轮进行曲线运行的实验，认为锥型的车轮可分为外缘大内缘小，以及外缘小内缘大2种。这时，辅导教师拿出实验教具，分别是外缘小内缘大、外缘大内缘小2种车轮教具，以及若干可弯曲的轨道模型，学生进行圆锥形模拟轮对弯道实验，并将数据记录于“车轮踏面外形对列车曲线行驶性能影响研究数据记录表”内。学生通过分析、推理、判断、实验后得出结论，只有外缘小内缘大的车轮可以顺利通过曲线轨道。
阶段6.交流分享
阶段目标 ——
该阶段要求学生能选择合适的呈现方式，准确表达影响火车转弯的踏面实验过程及结果，分析得出影响火车转弯的原因。
设计意图 ——
辅导教师鼓励学生分享得出实验结论的证据，对他人的探究过程和结果进行评价并提出建议，培养学生的批判性思维。
学情分析及教学策略——
学生能够通过实验得出结论，但是很难对结论进行科学的阐释，可通过交流进一步完善自己的发现，并从辅导教师的讲解中得到更为系统的答案。
教学活动脚本 ——
通过交流分享，教师解释，得出最终结论，火车车轮与钢轨的接触面是一个多弧度的踏面，车轮与钢轨实际接触的圆周也不是固定的大小，当火车进入曲线时钢轨相对车轮向曲线内侧发生了偏移，曲线内侧的车轮接触圆周的直径变小，曲线外侧的车轮接触圆周的直径变大，当车轮转动相同的周数时，曲线内侧的车轮滚动长度小于曲线外侧，从而使火车顺利通过曲线。因此，在同样的转动下，铁轨内外侧的距离差通过车轮踏面滚动距离差达到平衡，就像运动员跑过弯道时，如果要始终保持在一条直线上，外侧跑道的运动员需要在同样的时间内跑过更长的距离。
阶段7.效果评估
阶段目标 ——
以小组为单位，遵循客观性、鼓励性和反思性的原则开展评估，客观性要求从学生的态度、参与度、完成度、合作情况多个角度进行评价。
设计意图 ——
评价是课程管理非常重要的一个环节,是权衡教育目标设置与达成、提高教学质量的重要因素。
教学活动脚本 ——
在整个活动过程中，学生遇到了各种各样的挫折与困难，辅导教师需要与学生保持良好的沟通并给予有效的引导，积极寻找解决问题的方法。
—— END ——
来源 | 本文节选自《中国科技教育》第9期科教展台栏目，作者：杜媛/中国铁道博物馆
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