车辆模型，会说话的科学装置

○家庭实验室全国学校联盟 陈 耀

在中小学的科学课程中，机械、电学的内容占比比较大，据说很多学校教学这些内容是老师把知识写在黑板上，再让孩子们抄写，再刷刷题，就完成教学了。还有些比较好的老师是直接针对某个原理，让孩子们做做实验，得出结论。比如轮轴的概念，孩子们通过记忆的方法，记住“力作用在轴上费力，力作用在轮上省力”等知识，这样学习，孩子们对于这个知识点的来龙去脉是缺乏了解的，脑子里也是没有建立具体的概念的。

这种仅仅为了完成课程任务的背诵教学，其实并不是最理想的教学方式。

我们需要“能够基于真实任务的、真刀真枪的”科学探索。

关于机械、电学等知识的综合运用，车辆模型是一种比较理想的教学载体。但是作为体育竞赛的车辆模型运动，近年来又因为竞赛的原因，演变为一种以争名夺利为目的的比赛，甚至有些教练为了比赛结果，在调试车辆等任务上都是安排由成人完成的。调试车辆这些最有价值的教学资源，被白白浪费了。

NO.1 背着绳子的孩子

先科普一下车辆模型的知识。

车辆模型包括非遥控模型和遥控模型。遥控模型有以下分类：按其与真车的比例有1/24、1/12、1/10、1/8、1/5 等多种；按其动力方式可分为电动力车和内燃机动力车；按车模行驶的场地路面又可分为公路赛车和越野赛车。

遥控模型车在比赛中不仅要了解比赛对手、路线，还要针对气候、温度、湿度、场地等情况给出相应的对策，选手通常对整车很了解，必要时要拆装调试。遥控模型车是高科技的结晶，它绝对不只是一件高级的玩具。遥控模型车是涉及到电子、动力学、高等数学、化学等学科的一项高科技运动。遥控模型车的基本行走原理和真正汽车的行走原理是一样的：发动机（或者电动机）提供动力，转向系统完成我们的指令动作（就像我们打方向盘一样，只不过我们是通过遥控器来完成）。

我们团队是从2004 年开始进行车辆模型教学的。

时间回到2004 年的暑假。

因为备战浙江省省运会遥控车辆项目，我们团队带着孩子们进行训练。因为没有固定的训练场地，我们就需要在水泥地上铺上绳子，再模拟F1 赛车的场地，铺出赛车车道进行训练。为了防止晚上被人偷走绳子，每天晚上还要将绳子收走。此后，每天早上，孩子们背着几捆绳子，在水泥地上铺赛道。2 个月时间，他们在水泥地上，从早晨晒到傍晚。孩子们非常勤奋，他们知道铺好这样的场地实在不容易，要珍惜机会。每天中午，大家冒着地面40℃高温，坐在水泥地上吃馒头、盒饭，看起来很苦，但是却非常地开心。为什么这些孩子在如此恶劣的环境下还能如此热爱？原因就是我们非常好地利用了模型赛车，让孩子们自己拆装、清洗，并且自己进行维修和更换配件，特别是探究每个部件的科学原理。通过我们导师的设计，车辆维修检查的过程，成为科学课的一部分，这些过程的教学是独一无二的课程资源。孩子们弄清楚了避震器的工作原理，避震器是通过弹簧的弹性形变（弹簧的弹力属于弹性势能，也是科学教材的重要内容）来减缓车辆行驶中的震动，也知道了差速器能够在转弯时实现左右两边车轮转速不一样，从而实现转弯，还有比如小齿轮带大齿轮实现减速、化油器能够将燃油雾化、轮胎的花纹为了增大抓地力等科学现象，每天还要进行记录。而这种亲身经历，也让每个孩子对车子的工作原理了如指掌。这些科学原理，如果只是普通的课堂教学，大多数孩子都是一知半解的。而且，通过孩子们自己动手、自己维修出来的车子，能够让孩子跟车子之间建立某种情感。

摘录其中一个孩子的日记：

“我喜欢玩车辆模型，这一点从小时候就有迹象。牙牙学语后，我就对汽车非常感兴趣，爱玩玩具车，并喜欢收集各种型号的车辆模型。我对路上跑的轿车非常感兴趣，很快就熟悉大多数的汽车品牌了。打的的时候，跟很多出租车司机聊车后，他们都对我竖起了大拇指。似乎成了汽车专家，这让我超开心，很有成就感。

记得五年级的时候很幸运进入了校车模队，这更让我如鱼得水，玩得不亦乐乎。那时我训练非常刻苦，经常是练到天黑，几节电池全练没电了，才恋恋不舍地离开训练场。记得爸爸妈妈常说，从我中班开始，给安排了很多培训班，但最后全部停掉了，只研究遥控车辆模型了。所谓兴趣是最好的老师吧！”

我们在整个训练的过程中，首次提出了应该用真实的任务，让孩子们进行科学探究；避免用不切实际的教学，让孩子们一知半解。

炎热的夏季，也培养了这些孩子坚韧不拔的勇气和毅力，我们第一次发现科学能够促进孩子品德与思想的形成，也许这就是所谓的“格物致知”。当年，这些孩子一举夺得了多项省运会的大奖，更重要的是，其中好几个孩子，在后来的职业选择中，选择了化学、机械等专业，作为自己的职业。

NO.2 普惠性的车辆模型家庭实验室课程

但是，这些遥控类车辆模型项目，需要场地，需要专业器材，所以局限性比较大。而在欧美、日本乃至一些东南亚国家，遥控模型车比赛是一项体育竞赛，是一种运动，一种高科技的爱好；参加这项运动的爱好者年龄从8 岁到80 岁都有，可见这是一项不受年龄限制的竞赛项目，一场高水平的遥控模型车竞赛的刺激程度不亚于F1 大奖赛。但是目前我们是还没有办法做到普及的。

如果能够让所有的孩子都有机会参与探索，那么课程的价值会更大。

在团队老师的努力下，车辆模型家庭实验室项目应运而生。太阳能小车、石头重力车、水重力车、盐水动力车、气球反冲力车等普惠性的项目诞生了。

这些项目不需要专业场地，只要在教室空地就能够进行研究，大大提高了车辆模型课程的普惠性。

虽然这些普惠性的车子看起来像玩具，但是实际上不仅仅是玩具这么简单，它同样涉及到多门学科知识的交叉和运用，从组装到比赛，不仅可以培养学生的团体协作能力，还能在比赛的过程中提升孩子们的动手能力。

特别是画车模图纸、组建模型车等工作，模拟复制了汽车工厂工作的流程。

水重力车辆，是非常有价值的一个项目。在车辆上放置装水的瓶子，利用水流下的力量，推动叶轮转动，再带动轮子前进，水流的高度越高，冲击力越大，但是高度增加，也会让车辆重心上移，从而翻车。所以，这些研究都是具体的任务，稍微不小心就会导致车辆无法前进，减少摩擦力、提高水的势能的使用效率，就成了设计的最终目标。刚开始时，孩子们设计的水轮较小，导致能量转换效率低，后来设计了更大的水轮机，从而让车子前进的动力变大，最远距离达到17 米远，这也是重力势能运用的非常典型的案例。

为了让普惠性的车辆模型课程更加有趣，我们将这些系列的车辆开发成“机械传奇—车辆制造”课程。具体要求是：用各种方法制造车辆，并且让车子行驶起来。这样的开放式课程，让孩子们的积极性大大提高，有的孩子用橡皮筋制造了车子，将橡皮筋在车轴上缠绕，让车辆前进；有的孩子用水和易拉罐制造喷气机，推动车辆前进，发现喷出来的气体动力不够，无法让车子前进，但是将同样的装置放在小船上，小船却能够前进。后来，他们将斯特林发动机安装在车上，带动了车辆前进，孩子们以最简单的知识明白了生活中蕴藏的大科学。

盐水动力车，是将物理学与化学紧密联系的一个车辆项目，制作成本只有几元钱，只要食盐、碳片、镁片、小马达、齿轮，就能够带动小车子前进。将食盐溶解在水中，碳片和镁片放入其中，就能够产生较大电流让马达转动，从而推动车辆前进。孩子们会非常惊讶食盐怎么能够用来发电，很多大人也从没想到过厨房中的食盐居然可以用来发电。

如果孩子们做了这些项目研究之后，没有后续的任务推动，也就会不了了之，无法达到教学的目的。

我们要求所有孩子在所有项目中，需要设计图纸，并且要进行测试记录，要完成研究报告，还要发表演讲，这样就让一个普通的科技制作，变成了一个系统的全学科课程。

几年前，我们还把这些项目设计成了竞赛项目，让大家通过公平公正的竞赛，寻找差距，并进一步探索其中的原理，并改进自己的小小赛车。

就是这样的普惠性的项目，弥补了科学课堂教学的不足，通过真实的任务探究，让知识在实践中得到检验，真正做到了学以致用。