关于超能力的科学

10.关于超能力的科学

4节课，每节课2小时

STEM说明：物理科学、生命科学、工程学

写作活动：科技写作、叙述写作、诗歌创作

该教案根据玛利亚玛·J.罗金顿和彼得·卡尔霍恩·霍尔的创作课堂编写。

比小长假还长，比优等生还优秀，比欢乐屋还欢乐，说什么呢？哈哈，说的就是《关于超能力的科学》！正如其主题，这个系列课堂将会给你带来非凡的感受，在接下来的四个课时里，你将会进行很多活动。不过，不要觉得你有义务去成为一名英雄——你可以根据你的喜好去对内容作调整。

我们都知道，某些英雄拥有一些特别的能力。不过他们的能力究竟是如何发挥作用的呢？钢铁侠为什么会飞？黑寡妇为什么会有超人的力量？在本系列创作课堂，学生们将会通过提取DNA、折叠纸飞机、打造秘密基地及设计鸡蛋降落伞等活动，探索超能力背后的科学和工程学，进行英勇的冒险。在这个过程中，学生们除了可以进行实验记录，还可以开展诗歌创作，我们为每一个课时都搭配了一首诗歌，这些诗歌体裁各不相同，而且都是根据相关课时的主题和活动来创作的。

这一系列的课堂其实都非常灵活。当然，在设计的时候，我们是按照系列课堂的思路设计的。尽管每个课时涉及到的科学内容都不一样，但是这些主题其实是有一定前后联系的。话虽这么说，你仍可以选择这个系列课堂的一部分加以教授，比如只进行第一、第二课时，或者只进行第三、第四课时。

第一课时： 我来自…… （跟出身相关的诗歌和DNA）[1]

每个英雄都有一个关于自己出身的故事。他（她）从何而来？他（她）如何获得自己的超能力？就说超人吧，超人有没有不为人知的弱点？生活在地球上的每一种生物都有关于自己出身的故事，而这个故事可以从基因密码DNA中来找寻。

但是，了解DNA并不等于了解了整个故事的全部。生活在地球上的物种是如何根据自身的基因密码，在各自的生活环境中不断进化发展的呢？同样，英雄们虽然有自己特有的能力，但是他们也可以选择不成为英雄。举个例子，蜘蛛侠虽然拥有特殊的能力，但这并不意味着他一定要成为英雄，成为一名蜘蛛侠。是他自己的选择，是他自己的决定促使他去承担更大的责任。

在本课时中，学生们将会探索生物的遗传特性（也就是父母遗传给后代的那些特性）。学生们会探究遗传和一个人的成长之间的关系，他们可能还会论及遗传和养育的问题。

课前准备

在第一课时开始之前，你需要事先将从草莓中提取DNA所需要的化学用品准备好。每一个学生都需要有一包装管的细胞裂解液（细胞裂解液的制作其实很简单）。按照下面这个配方，你可以调制出足够三十个学生使用的细胞裂解液。

你只需要将以下材料混合：

在每一管包装管中装入12毫升的混合溶液，然后将包装管放在杯子里，使其保持相对直立。（测量小贴士：12毫升约为2.5茶匙的量。）

另外，你还需要为学生们准备一管约10毫升的异丙醇（外用酒精）。在装有异丙醇的包装管上绑上橡皮筋作为记号（外用酒精外面绑有橡皮筋，这样比较好记！）。如果活动那天的气温比较高的话，最好能够将这些装有异丙醇的包装管存放在阴凉处，等到用时再取出，这样可能实验的结果会更好一些。

课前介绍（10分钟）

在课堂的一开始，正式地欢迎同学们来到超能力的科学课堂。简单地跟同学们说明一下这节课的任务：学生们将和老师一起动手创造并进行探索。你们将会一起进行DNA的提取实验，通过一些超级挑战，在寻求挑战完成路径的过程中，学习一些物理和工程学方面的内容。与此同时，学生们还将对自己的超级英雄角色进行设想，他（或她）有哪些超能力，然后，用诗歌的方式，将关于超能力科学的相关内容写下来，并且用这些诗歌进行相互沟通交流。

在开场的时候，你可以自己穿着超级英雄的服饰闪亮登场，这会让学生觉得你非常的酷炫。

第一课时的重点在于生命的来源，着重探索我们人之所以为人（或者超级英雄之所以为超级英雄）的原因。学生们将会回顾和探索自我身份的相关内容，什么方面是自己可以把控的，什么方面是自己无法把控的。向学生们提出以下问题：

在图表纸或黑板上用T型图表记录下学生们对于英雄个性特征的观点，一边用于记录英雄们与生俱来的个性特征，另一边则用于记录英雄们在自己身处的环境中形成的个性特征。

这两种不同类型个性特征的区别刚好呼应了对于先天遗传和后天培养的讨论。这个讨论在生物学中非常热门，特别是在面向包括人类在内的动物及其行为的研究中更是如此。英雄之所以能成为英雄，有些跟他们身处的环境息息相关，有些则跟他们的遗传基因（或者某种基因变异）有着密切联系，而还有一些是通过某些蕴藏巨大能量的工具或者媒介来成为英雄的（如绿灯侠的戒指）。让学生们说说看，他们知道哪些英雄及其具体的个性特征，这些特征可以是先天的，也可以是后天的。如果在讨论的一开始，学生们的反应不够热烈的话，你可以参考下面列出来的这些例子，不过可能你的学生知道的要比这里的例子多。

那么你呢？（10分钟）

在故事开始之前，作者们往往会对背景故事进行描述，解释故事主角经历境遇的来龙去脉。英雄的背景故事（往往被称为起源故事）解释了英雄成为英雄的原因及过程，他（或她）超能力的来源，有没有什么经历让他（或她）成长为漫画书中所描述的超级英雄等等。从本质上来说，英雄们的故事背景说明了先天遗传和后天培养对英雄养成的影响。

毋庸置疑的是，因为大部分的英雄都是人类，这些故事其实也是我们自身的写照。这一环节可以帮助学生们去思考自己的背景故事。问问学生：“你为什么会成为你？”

如果学生们对这个问题的回答五花八门，没有关系，你可以将学生们的回答记录在黑板上，然后开始将讨论引向基因。是什么决定了你会成为你，猫会成为猫，而蜘蛛人则成为了蜘蛛人？（在后面的内容中，我们最终会谈及后天培养。）将学生们的回答记录在黑板上。当回答中包含了一些比较复杂的内容的时候，鼓励学生在此基础上，用自己的方式对这个内容进行解释（不要仅仅说“这是因为基因”），以此来帮助全班同学进行理解。

什么是DNA？讨论及活动（10分钟）

活动进行到这里，你可以直接问问学生，看看他们有没有听说过DNA。我们建议你可以用They Might Be Giants （未来巨人）乐队的一个MV音乐短片[2]来引入DNA这一概念。接下来，你可以给你的学生们看各种各样的东西（比如奇异果、薯片[3]、花等，你可以用你手头上任何方便在课堂上使用的东西），然后问问学生，在这其中，哪些东西是有DNA的。

再一次跟学生们强调，有一些特征是通过遗传获得的（比如眼睛的颜色），同时，有一些特征则与后天习得的行为有关（比如举止有礼貌），而其他的则是先天遗传和后天培养（从所处环境中习得或受所处环境影响）的一种结合——比如人的身高，人的身高既跟父母双方的身高相关，又跟后天能否获取足够的营养相关。

DNA提取实验（35分钟）

告诉学生们，到了该披上自己的实验袍，用自己的双眼来观察DNA的时候了。如果没有实验袍的话，也没有关系，本课时中所使用的材料全部都是日常家庭中常见的物品。[4]没有什么东西是具有危险性的。不过，作为一次真实的科学实验，学生们是要遵守一定的实验规则的，所以，作为老师，一定要提醒学生以下这些注意事项：

将学生们分成两至三人的小组（尽管在理想情况下，组内每一位学生都单独进行草莓DNA提取实验）。将实验材料平均分配给各组：《草莓的秘密》材料复印件、咖啡滤纸、透明塑料杯、橡皮筋、草莓、塑料自封袋、裂解液试管、异丙醇、搅拌棒、艾本德微量离心管。

如果有其他成年人可以作为助教协助管理课堂，让每一位助教负责几个小组，对每一个小组的整个DNA提取过程进行监管（DNA提取步骤在《草莓的秘密》上可以找到）。如果没有助教的话，最好在分发材料之前，与全班同学一起看一下DNA的提取步骤，然后再让各组学生各自按说明去进行独立操作，老师应该在教室各处巡视，为学生们提供必要的帮助。

注意，学生们可能会看到大量的DNA （看上去像粘稠的鼻涕），而不是一条条的DNA，而且他们没办法看清DNA的螺旋结构（科学家们也没办法看清DNA的螺旋结构，哪怕是借助显微镜也无济于事。科学家们可以借助一种非常特别而且功能强大的电子显微镜，将DNA放大两万倍，然后科学家们就可以看到单独的一条DNA，但是还是不能清楚看到DNA的螺旋结构。如果一定要看清DNA的螺旋结构的话，需要借助一种被称为X射线衍射的可视化技术，间接地对DNA进行观察）。

关于出身的故事（20分钟）

重新组织学生，跟学生们说明DNA是关于出身的故事的源头，因为地球上每一种生命体的DNA密码都写明了这个生命体的完整历史。通过对DNA的分离和解码，我们可以了解一个生命体的父母是谁，这个生命体与哪些生命体是相互有联系的，我们可以知道这个生命体时间上临近或久远的祖先。了解DNA能够帮助我们了解地球上的生命是如何进化而来的，能够让我们更好地理解疾病的源头，并在此基础上，研发新的治疗方法来挽救生命。

接下来，将课堂的注意力转移到新英雄的塑造上来，这些新英雄将会遭遇一系列的冒险和各种各样的情境。跟学生们说明，一定要解释清楚他们笔下的英雄超能力从何而来（也就是要讲好这个英雄的身世故事，学生们将会用诗歌的方式来讲述英雄诞生的来龙去脉）。

因为DNA是生物体的烹饪书，学生在塑造自己的英雄的过程中，可以使用《超级烹饪书》这一材料。在进行这一环节的过程中，一个非常重要的任务就是要思考，自己的超级英雄将会有什么样的能力？这些能力是怎么来的？他或她是如何使用这些能力的？英雄所处的环境对其使用这些能力的方式有没有什么影响？对于这一能力的使用，超级英雄有没有一定的道德准则？如果有的话，这一准则是从何而来的？英雄将会面临什么样的压力？这些压力对他（她）来说是好事还是坏事？

头脑风暴（10分钟）

让学生们借助《超级烹饪书》，开始着手塑造自己的英雄并对其进行描述。

让你的英雄更具个性（15分钟）

在学生们完成了《超级烹饪书》之后，接下来我们将学生们的注意力转移到诗歌创作上来。

在进入诗歌创作环节之前，你可以花一点时间让学生提问和分享自己的意见，然后给学生们一个任务，让他们以自己笔下塑造的英雄的口吻，创作一首标题为《我从哪儿来》的诗歌，在诗歌中对英雄作简单介绍，同时说明他或她的能力到底是怎么来的。这样一来，学生们将会完成一首人物角色诗歌，或者说是一首用第一人称口吻来叙述的诗歌，换句话说，学生们将会站在当事人的角度，而不是自己的角度来写这首诗。

你可以给班上的学生分享一首诗歌作为例子，乔治·艾拉·里昂的《我来自哪里》就是一个非常棒的范例，可以让学生们知道什么是诗歌。在向学生介绍这一类型的诗歌的时候，我们强烈建议老师们自己创作一首并与学生分享。老师也跟同学们一样去塑造自己的超级英雄，这样对课程的进行将会十分有帮助。

让学生们找一个安静的地方，根据下面这个创作要求，静下心来创作自己的《我从哪儿来》：

假设为了与恶势力作斗争，你的英雄现在必须离开他或她的家园，去面对这个世界里的种种冒险。当他或她遇到陌生人的时候，会怎样向他人说明自己是从哪来的呢？你的英雄具备什么样的能力？你塑造的英雄之所以成为英雄，基因在这其中起到了什么样的作用？他或她所处的环境又起到了什么作用？有没有什么事情的发生是其能力发展的一个契机？在讲述英雄故事的时候，注意要留意自己在《超级烹饪书》上所着重说明的一些个性特征，把这些个性特征也写进你的诗中。

《我从哪儿来》这样的诗歌往往没有什么限制，而且非常个性化，哪怕所描述的是漫画书中的人物也一样。这些诗歌都是受诗人乔治·艾拉·里昂的《我从哪儿来》启发，在诗的最开始，有类似这样的诗句：“我的双亲分别来自阿蒂默斯家族和比利家族，烤焦的玉米和浓浓的咖啡”。这两行诗不禁让人想起美国南部的建筑和一些令人不太舒服的早晨，但是在乔治·艾拉·里昂的诗里往往不会让我们看到未来的方向。我们建议老师给学生们布置任务时，让学生们尝试一个额外的小任务。让他们回想先天遗传和后天培养的概念，然后考虑这些会怎样影响人物的选择，学生们应该思考他们的英雄可能会做出怎样的选择，这些选择又跟与其能力相伴相生的道德责任有着什么样的关系。在他们诗歌的末尾，学生们可以展望一下他们的英雄未来的壮举，他们可以从“过去的我”慢慢过渡到“今后的我”。

课堂总结（10分钟）

当学生们完成自己的诗歌的时候，让他们帮忙整理DNA提取实验所用到的用具和剩余的实验材料。注意，活动中使用的包装管可以留存起来，以后还可以重复利用。（如果你计划在不久之后再次进行这个活动的话，你只需要在包装管中加入裂解液和外用酒精就可以了。）

在完成活动现场的整理之后，重新组织学生归位坐好，简单总结这个课时的内容，同时跟学生们预告下个课时的精彩活动，让学生们兴奋起来。现在，学生们已经开始明白人类和英雄们究竟是怎么慢慢形成自己的个性特征的，接下来他们将会学习更深一层次的内容——或者也可以说更高层次的内容。在下一个课时中，学生们将会继续他们对英雄的研究，探索英雄为什么（更重要的是如何）能够飞起来。不管是捍卫一座城市，拯救一个无辜的普通人，还是在与坏人的搏斗中，很多超级英雄都会使用飞行的能力。他们是怎么飞起来的呢？他们是天生就具备飞行的能力（不需要任何辅助工具），还是需要借助某个工程系统（比如飞机或火箭装置）？这些装置为什么能够帮助他们实现飞行？通过研究这些装置，我们能够学到什么关于飞行的知识呢？

教师阅读材料

（这部分是学生要通过调查研究发现的内容）

在每个生命体的每个细胞里面，都隐藏着一个微小的生命密码，它有着一个非常拗口的名字——脱氧核糖核酸（DNA）。 DNA是生命出身故事的起点，是记录生命秘密的密码。在DNA中，不仅仅有如何形成生命体的信息（不管是细菌、植物、狗、人类或者其他生命体），而且隐藏了这个生命体的基因历史——这个生命体跟哪些物种相关联，这个物种的近亲是哪些物种，它的祖先又是什么，这个物种在进化的过程中是如何发生各种变化的？总而言之， DNA是一个非常重要的分子。

螺旋梯状结构

所有生命体的DNA的化学成分都是相同的。不管有没有借助放大装置，仅仅用观察的方式是不可能分辨草莓的DNA与大象或者人类的DNA有什么不同的，因为所有的DNA成分都是一样的，而且它们看起来也没有什么不同。

在分子层面， DNA的结构就好像一个呈螺旋状的梯子，这个螺旋状的梯子是由糖磷酸骨架（梯框）和含氮碱基（梯棍）组成。这个结构非常小，就算是用显微镜也不可能观察到。科学家们使用了X射线衍射的方法，才真正发现DNA的结构。通过这种技术，科学家们可以了解分子中原子的分布信息。在现代科学史上，弄清楚DNA的结构是一个顿悟的时刻。更令人兴奋的是，弄清楚DNA的结构之后，科学家们马上就提出了一些假说，对一些非常重要的细胞代谢过程进行了解释，并开展了实验检验。这些信息直接引发了一场生物革命。通过这场革命，科学家们正式解开了许多关于细胞的秘密，也带来了诸多的其他好处，例如帮助我们更好地理解了如何去治疗疾病。

生命的食谱

正如在教案中提及的一样，在解释DNA的时候，一个非常好的方法就是将DNA比作一本烹饪书。所有的生命体都有一本自己独有的烹饪书——那本书里写满了各种各样的食谱（基因），这些食谱让每一个生命体变得完整。当然了，不同烹饪书之间可能也有相似之处，我们人类的DNA烹饪书跟猴子的DNA烹饪书就非常相似（都包含了眼睛、心脏、肠道等等不同部位的食谱），不过，人类的DNA烹饪书跟植物的就有着非常大的不同。当然，这个比喻也不是完全贴切的，因为DNA中的基因编码包含了每一个部分的不同组成部分的信息，并不包含所有部分的完整信息。打个比方，眼睛的形成就需要非常多的食谱（基因）。

另一个需要特别注意的信息就是我们人体中每一个细胞都包含了一套完整的DNA烹饪书。换句话说，一个皮肤细胞里不仅仅拥有形成皮肤的那部分食谱（基因），皮肤细胞里面拥有形成眼睛、肾脏、血液及其他人体部分的所有信息，只不过皮肤细胞所使用的仅仅是形成皮肤所需要的信息而已（就好像在准备晚餐的时候，你可能只会看烹饪书中制作意大利面的食谱，哪怕这本烹饪书中有各式菜式的食谱）。不管任何时候，经过分化的细胞所使用的仅仅是整个DNA中它们所需要的那一部分（如果你想要做一个蛋糕，你根本不会去看烹饪书中关于意大利面的食谱）。

为什么DNA可以用洗洁精、盐和外用酒精的混合液提取出来？

仅仅用一些简单的家用物品就可以让你跟DNA来一次亲密接触，这无疑是一件非常酷炫而且令人难以置信的事情。

提取DNA的过程利用了一些非常简单的生物化学。我们可以从任何生命体的细胞中找到DNA （在多细胞生命体中， DNA被储存在细胞中一个特别的空间里，这个空间被称为细胞核）。不管是细胞还是细胞核，都被一种膜结构所包围，这种膜结构是由脂质组成的。洗涤剂（如洗洁精中的有效成分）能够溶解脂质（这也是为什么洗洁精在清洗油腻腻的碗碟时能够发挥作用）。科学家们正是利用了这一点。当他们往含有细胞的混合液中加入洗洁精的时候，洗洁精中的有效成分破坏了细胞的细胞膜和核膜，让细胞中的DNA进入到混合液中。洗涤剂和盐同时还能够使DNA和其他细胞成分（比如DNA上的蛋白质）分离开来。不过仅仅加入洗洁精和盐并不能够让你直接观察到DNA。为了看到DNA，我们还需要加入外用酒精（也就是异丙醇）。这一操作利用的是另一个非常有意思的化学原理：不同物质可以溶解在不同的溶剂中。举个例子， DNA和盐都可以溶于水中，但是DNA却无法溶解于外用酒精中。所以——如果往含有DNA的溶液中加入酒精， DNA因为无法溶解于酒精中，便会析出并沉淀（从溶液中分离出来），这样一来，你就可以观察到沉降在试管底部，看上去像一团云一样（也可以说跟鼻涕一样）的DNA。

第二课时：上升，上升，成功飞离！（关于秘密能力的诗歌和飞行）

人类一直痴迷于飞行，千百年来，人类向往飞行的脚步不曾停歇。早在公元9世纪，就出现了人类尝试飞行的记载。所以，当我们在塑造超级英雄的时候，我们往往喜欢赋予我们的英雄飞行的能力，这一点也不奇怪。在这个课时中，学生们会探索关于飞行的知识，并且为他们的超级英雄设计一款飞行的工具。在这个过程中，学生们会努力去弄懂结构和功能之间的关系，明白在自然和工程系统中它们所扮演的重要角色。同时，学生们会继续他们关于英雄的诗歌写作，写写他们的英雄是如何预判和克服各种艰难险阻的——工程师们也一样，他们通过对可能的问题和挑战进行预估，及早做好准备，让自己的工作变得简单一些。

课前准备

在上课之前，准备两三个飞机测试站。用胶纸在每一个测试站的地面上贴出一条直线（这条直线就是测试开始线，或者说是起飞线）。理想情况下，每一个测试站都要有一条非常清晰的飞行路线，这样一来，在进行飞机测试的时候，从飞机起飞到飞机落地，一路上都不会有什么可能影响试飞的障碍物出现。每一个测试站还应该配备有一把卷尺，好让学生们对试飞距离进行测量，另外，还应配备一个秒表用于测量试飞时间。如果教室里空间不允许的话，你可能要将测试站安排在走廊上。

课前介绍（15分钟）

给学生们看一些会飞的东西的图片（不管是天生会飞，还是通过工程设计实现飞行的，也不管是真实的还是科幻的）。这些图片可以包括鸟类、蝴蝶或者其他会飞的昆虫，也可以包括飞机、滑翔机；可以是神话中凭借用羽毛和蜡制成的翅膀飞翔的伊卡洛斯、达芬奇设计的飞行器，也可以是天生具备飞行能力的超级英雄，或者是那些需要其他装置（类似火箭服、直升机或飞机等）才能够实现飞行的人。

让学生们想想看，这些东西（不管是动物、超级英雄或者是其他工具）到底是怎么飞起来的？它有没有什么其他的特性（大小、重量）能够帮助它实现飞行？

课堂进行到这里，跟学生们讲讲什么是结构，将会对后续课堂的进行十分有帮助，举个例子，桥梁和房子都是一种结构体，而且每一种结构体都有其功能（通过桥梁，我们可以横穿高速公路、可以跨越一条河或者一个峡谷；而房子则为我们提供了一个可供居住的场所）。结构体也可以是一个物体的一部分。比如房子有各种各样的门，这些门的功能是为方便我们进出；而一个铁钉平整的头部是为了作为与锤子接触的接触面（不管是要钉钉子还是拆钉子，钉子的这个结构都很重要）。那么，在自然界中是否也是这样呢？让学生们说说看，我们人类身上有没有哪些结构让我们可以进行一些特定的活动？（老师可以用T型图表将学生的答案记录下来。）这个问题的答案可以包括我们的腿（让我们能够自由行走）、拇指（可以用于抓取东西）、眼睛（让我们能够看见周围的一切）、牙齿（用于咀嚼）及其他所有合理的答案。

而我们今天课堂上要关注的功能就是：飞行！不管是超级英雄还是人类，自古以来我们就一直向往这种能够带领我们离开地面的能力。在很多情况下，我们都失败了：伊卡洛斯因为飞得太接近太阳，导致蜡羽上的蜡融化，坠落失事；11世纪，英国的僧侣埃尔默用自己制作的羽翼绑住手脚从高塔上跳落，然而他的结局也没有比伊卡洛斯好多少；在朱迪·布鲁姆的Tales of a Fourth Grade Nothing （《四年级的无聊故事》）中，主人公彼得的弟弟法吉觉得自己能像鸟儿一样飞翔，他爬到公园里供猴子玩耍的架子上尝试，结果因此少了两颗牙齿。

不过也有一些英雄确确实实做到了，他们克服了重力和基因，拥有了飞行的能力。有时这种能力是他们的超能力赋予他们的，有时则需要借助他们的超级装备：超人能够不借助任何外力进行飞行，蜘蛛人则要利用自己的蜘蛛丝，在楼与楼之间穿梭，而蝙蝠侠则拥有各种各样非常漂亮的黑色战车，可以带他飞到任何他想去的地方。这些飞行装备（这些装备本身都是结构体）往往包含了好几个组成部分，接下来，学生们将会对这些结构进行分析。（在后面的环节中，学生们还会看到这些写在纸上的结构是如何组合成为超级结构的。）

继续上面关于结构体和功能的讨论，让学生们说说看，鸟类、超级英雄或者哪种交通工具上的什么结构能够让飞行成为可能。在这些东西身上，有没有哪一个部分能够帮助他（它）们实现飞行？观察这些形形色色具备飞行能力的东西的外形，有没有哪一种特别的形状特别常见？这些算不算是结构体？这些结构体，对其功能（飞行）又有没有什么贡献？对于最后一个问题，学生们可能会有各种各样不同的意见。学生们可以直观地理解翅膀对于飞行的重要性，但是，这背后的科学却比看上去要远远复杂得多。不过幸运的是，你将带领同学们一起进行一些探索试验，这有助于他们理解事物为什么能够飞行。

让学生们说说看，有没有什么因素会阻碍飞行？针对这一问题，学生们可能会有各种回答——从没有翅膀（或者更笼统地说，没有可以支持飞行这一功能的结构）到重力（也就是地球对地球上物体所存在的引力）因素。

设计飞机（55分钟）

将一个小球向上扔到空中，然后任凭其落到地面，问问学生，对于小球落回地面这一事实，他们是否觉得出乎意料？为什么？然后让他们说说，为什么比小球要重得多的飞机却能够在空中飞行，而不会坠落地面？拿出一架纸飞机，然后让其垂直做自由落体，问问学生为什么纸飞机没有飞起来，要怎么做才能够让纸飞机飞起来？学生们肯定会回答，要让飞机飞起来，要将飞机扔出去，而不是直接让其自由落体。接下来，将刚才的纸飞机扔出去，检验学生们所说的是否正确，然后问问学生为什么将纸飞机扔出去跟让纸飞机自由落体会有不同的结果，将学生们的回答写在黑板上或者图表纸上。

接下来，老师将会交给学生一个任务：

现在你面临一个挑战，你将为你塑造的超级英雄设计一款飞行器。你们刚刚发现这个世界上最邪恶的超级大反派在南极洲有一个秘密基地，你们需要尽快赶赴南极。因为南极那边异常寒冷，所以你们需要的飞行器应该是有一个密闭空间的，喷气背包、飞行斗篷和飞毯都不适合这次任务。作为本次任务的工程师，你决定用纸飞机来模拟你所要设计的飞行系统。

不管你相信与否，真正的航天航空工程师也是用纸来制造模型的，模型制造的过程包括设计、建模、测试和设计完善。在今天的课堂中，每位学生都会有机会设计并测试两个不同的飞机模型。

给学生们提供一些纸飞机折叠样板和直尺。学生也可以选择不使用老师提供的纸飞机样板，如果学生选择使用的话，鼓励学生在设计制造第二架纸飞机的时候，不要去重新选择新的纸飞机样板，而是在第一架纸飞机的基础上，对飞机的设计进行改进。我们希望学生们能够参与设计环节，然后通过实验，了解飞机设计的变化对飞机飞行性能的影响。

在设计和测试飞机的过程中，学生们应该使用《纸飞机技术规格书》。鼓励学生对他们的纸飞机进行两次（最好是三到四次）试飞，然后他们可以通过计算，得出该飞机试飞的平均飞行距离、时间和速度。

学生们在完成第一架纸飞机的设计和制作之后，便可以前往飞机测试站。学生们两两合作：一个人负责放飞，另一个人负责记录飞行的时间。在飞机着陆后，同组的两个人应该合力测量飞机的飞行距离（也就是从出发线到着陆点之间的距离）。

课堂进行到此处，是给学生们介绍变量控制的好时机（关于变量的内容，可以详见《科学百科》部分）。在进行试飞的时候，学生们如果能够保持其他因素的一致，得到的结果就越加可靠，同时也能够从中得到更多的信息。如果时间允许的话，你可以让学生们开动脑筋，想想有哪些变量可能会对试飞有影响，并鼓励学生尽己所能，减少或控制这些变量。

在学生们完成第一架纸飞机的试飞之后，让学生们借助《纸飞机技术规格书》，对试飞的结果进行思考，反思这架纸飞机的优势和劣势。让学生们试着根据反思结果去改进飞机设计，看看能不能造出飞得更远或（和）飞行时间更长的飞机。让学生们在着手设计第二架纸飞机的时候，也要使用《纸飞机技术规格书》一步一步进行活动。

让学生们对比两架纸飞机的技术规格书，问问学生还有没有什么方法可以进一步优化自己设计的纸飞机的性能？设计中有没有什么结构会影响飞机的飞行性能？对此可以做出什么改动？是增加一些其他的构造，还是对设计进行简化？为什么？

理解飞行（15分钟）

让全班学生回忆一下在课堂一开始老师所做的实验，当你让纸飞机自由落体的时候，纸飞机会直接落地，而不会飞起来，这是为什么呢？学生们可能会回答缘于重力因素，可是，重力也同样作用于正在飞行的飞机（或者超级英雄）上，所以，肯定有什么其他的力与重力作用相互抵消。让学生们想想看，在扔纸飞机的时候，有什么力能够帮助纸飞机克服重力实现飞行？经过上面的活动，学生们对于飞行也有了一定的体验，他们的观点是否发生了变化，或是有没有形成什么新的观点？

我们希望班上会有学生说，纸飞机之所以能飞，是因为在扔纸飞机的时候，老师推了纸飞机一把。这一点非常重要，这个力被称为推力。问问学生，为什么对纸飞机施加一定的推力会带来不一样的结果？在往前扔纸飞机（对其施加一个向前的推力）的时候，究竟发生了什么？为什么一个向前的推力可以让纸飞机不往下落？除了考虑纸飞机，还可以考虑考虑鸟类，鸟类又是如何获得推力的；或者可以想象超级英雄，在没有任何设备辅助的情况下，超人是如何起飞的？尽管这些飞行物的动力工作原理不尽相同，但是也有相似之处。飞行物的飞行与其周边存在的空气息息相关，同时也跟飞行物本身的设计有关系。

让学生们说说看，在骑自行车或踩滑板车，或者是在坐过山车的时候，他们脸上有没有什么感觉？如果前进的速度加快或减慢，这种感觉会不会随之发生变化？或者，老师也可以选择问问学生是否有过放风筝的经历。什么样的天气比较适合放风筝？回答无疑是起风的时候！在放风筝的时候，如果风并不是很大的话，我们要如何让一只风筝飞起来？学生们可能会回答说，可以带着风筝向前跑。这个答案中有很多值得我们思考的问题。

接下来，是时候回到前面关于“推力”的讨论。在推力的作用下，飞行器会穿过空气（飞机的推力来自于引擎；纸飞机的推力则是由放飞者在扔纸飞机的时候作用其上的；风筝起飞的推力可能是由于跑动而获得的，也可能是由风直接作用在风筝上）。这个推力会让空气擦过飞行器的翼（这一结构体的设计是有特殊功能的），就好像你在骑自行车或踩滑板车的时候，你会感觉到迎面的风掠过耳畔一样。接下来这部分的内容，才是关于飞行的科学中最有意思的一部分。想想看，如果河流的中央有一块石头，河水就会改变流动的方向，绕着石头流过。同样，空气在流动的时候也会绕过障碍物，不管这个障碍物是骑车过程中你的身体，还是鸟儿、飞机或风筝的翅膀。就如牛顿所发现的第三定律一样，任何作用力都有相同大小的反向作用力。翅膀对于周边空气有着非常特别的作用力，于是空气对翅膀也会有一定的反作用力。这个向上的力我们称之为升力，一个好的翅膀设计会呈一个合适的形状，借助这个设计，翅膀能够将升力最大化。当空气擦过飞机的翅膀而产生的升力足够克服一架载有货物和人的飞机的重力，飞机就能够飞起来。如果推力停止或减弱，飞机的速度就会下降，翅膀周围空气流动的速度也会下降，因此飞机获得的升力也会减弱——然后飞机就可以在重力的作用下重新降落在地面。

要让你的学生们更好地体验升力，你可以尝试以下几种方法。第一种方法需要用到一张长条状的纸条。让学生们取一张草稿纸，沿长边撕一条约1英寸（约合2.54厘米）宽的纸条。让学生们拿住纸条窄的那一头，观察纸条会出现什么样的情况？（纸条会下垂。）接下来，让学生们将纸条放到唇边，然后从纸条下方向前吹气，会出现什么样的情况？（纸条会向上飘起来。）你还可以让学生们进行更进一步的实验，让学生们从纸条上方向前吹气，看看又会是什么情况。（基本上观察不到什么。）如果家长允许的话，另外还有一个实验也可以让学生们去尝试一下。在车辆行进的过程中，让学生们将自己的手伸到车窗外，通过变换自己手臂的姿势（伸直手臂和弯曲手臂、张开五指和并拢五指等）和角度，感受其与风的变化之间的关系。学生们的手其实跟翅膀的形状很相似。关于升力和相关实验的更多内容，你可以由《制作纸飞机游戏》一课中获得更多的信息，里面介绍了许多非常有意思的实验可供选择。

如果我可以飞…… （25分钟）

正如学生们所见，飞行其实并不是一件很容易的事情——就算对超级英雄来说也一样，不管是否具备超能力。在真正面对各种各样需要勇气的冒险之前，英雄们都需要对自己的能力进行磨炼。你可以想想在21世纪前十年里所有蜘蛛侠电影中的彼得·帕克，或者是《蝙蝠侠：元年》中的布鲁斯·韦恩，还有许许多多去学校学习如何控制自身能力的X战警，以及皮克斯公司出品的《超人总动员》中的巴小倩和巴小飞。然而，在他们学会控制自己的超能力之后，有时候也会发生一些意外，比如托尼·斯塔克的盔甲也会没有电，当超人接近氪这种元素的时候会丧失自己的超能力。

超级英雄必须要具备坚韧不拔的品格，而且要事先做好计划以达到最终目的。同样，工程师们也需要对可能面临的挑战进行预估，然后他们才能够按照自己的计划，设计出具备某些特定功能的结构。土木工程师在地震高发区建造桥梁的时候，往往能够事先做好应对措施，使用一些抗震的材料和设计，让桥梁同时具备柔韧和稳固两大特性。或者再举一个例子，如果土木工程师负责在暴风雨频发的热带海岸设计建造一座摩天大楼的话，他（她）一定会拿出具备极强抗风能力的建筑设计。

不管英雄最终的目标是什么，以战胜困难为目的对困难进行预测，对于目标的实现是十分有帮助的。接下来，让你的学生思考一下他们塑造的英雄想要实现什么目标，在实现目标的过程中，可能会遭遇哪些困难。然后，给学生们一些时间，让他们将自己对这些问题的答案写成诗歌，每一节诗歌可以讲述一个困难及克服困难的过程。学生们可以写一写他们塑造的英雄在最初是如何成为英雄的（他们如何打造自己的装备，如何学会控制自己的能力），或者他们如何利用事先的准备和自身的智慧，巧妙地化解一场与自己超能力或装备相关联的灾难。学生们甚至可以写一写他们的英雄在事件进展到一半或者在尝试第二次向困难发起挑战之前是如何对自己的计划进行完善的——不断坚持最后取得胜利！

从门口往外飞（10分钟）

在学生们“飞离”课堂之前，老师可以对今天课堂的内容做一个总结，并借此引起学生们对下一个课时内容的兴趣。让学生们分享一下，通过本课时的学习，对于生命体或者工程系统中结构如何起到特定的作用有什么思考和收获（他们可以用飞机来举例子），以及他们回家后，还可能会怎样去完善自己的纸飞机设计。（到目前为止，他们对于自己的纸飞机设计有没有什么其他的想法，有没有想过要给自己的纸飞机增加什么结构，或者对其结构做出一些什么调整，看看这些改变会不会对飞机性能产生一定的影响。）鼓励学生继续完善自己的纸飞机设计——这一活动学生们在家也可以继续做，这样他们就有更多的时间继续进行探索和发现。接下来，重新回到“英雄”的话题上来：“那些不需要借助其他机械设备来飞行的超级英雄往往都会有自己的披风，根据你所学到的关于结构体和功能的知识以及关于飞行的知识，你觉得英雄们的披风对飞行有什么影响？是有助于飞行，还是有碍于飞行？为什么？”如果时间允许的话，还可以请学生们分享一下自己所写的诗歌。

在下一个课时中，学生们将继续聚焦工程设计，他们将为自己的英雄设计一款安全的飞行器，让他们可以顺利抵达自己的秘密基地。

第三课时：快点！到安全的地方去！（打造秘密基地与俳句）

对于几乎所有动物而言，庇护所都是必不可少的。庇护所为我们提供保护，使我们免受极端恶劣天气（酷热、严寒、暴雨）的摧残。同时，庇护所还为我们提供了一个安全的场所，让我们可以安心睡觉、照顾幼儿（崽）、休息和养伤。为了满足居住其中的人的各种各样的要求，人类居所的设计建造往往具备各种各样的功能。尽管其他的生物，比如蜜蜂和蚂蚁所筑的巢也会有不同的结构（房间），但是人类的居所是动物世界中最为复杂的，而超级英雄们的居所更是人类居所中最为令人惊艳的——隐藏他们秘密身份的秘密基地，保护他们免受坏蛋们的侵害，让他们在一个个冒险之旅的间隔期可以有一个休养生息（有时也用于学习或者创造）的场所。

课前准备

在课堂开始之前，用反复折叠的方法将纸张折成纸风琴状，制成用于晾干棉签的架子。你还可以用棉签蘸上一些橡胶胶水，制作一个简单的结构，让学生们可以大致感受一下这些材料的用途。

在上课之前，学生们也需要稍微准备一下（一定要留意本部分最后一段关于橡胶胶水的注意事项）。学生们进入教室之后，就可以让他们开始准备自己要用的棉签。准备棉签的过程并不需要很长时间——只需要简单地将棉签的两头蘸上橡胶胶水，然后将这些棉签放在事先做好的纸风琴状的架子上晾干。在蘸完橡胶胶水将要取出棉签的时候，学生们可以在胶水瓶口蹭一下，这样棉签上的胶水就不会太多。如果胶水太多的话，棉签要放很久才能够晾干（在通常情况下， 10分钟就可以将棉签晾干）。等到棉签干得差不多了，感觉有点发黏的时候，就可以用来作为建造材料了。在这里，我们要给老师们一个小建议：如果时间允许的话，我们建议你在正式上课前先尝试一下，试试看要蘸多少胶水以及要晾到什么程度最为合适。

准备棉签的过程可以这样安排，让学生们到不同的工作站完成棉签的准备工作，每个工作站最好要配备一名成年人一旁指导。如果课堂上没有其他成年人帮忙的话，老师们可以先教会那些早到的学生怎样用棉签去蘸适量的胶水，然后放到架子上晾干，再让这些学生帮助晚到的同学。每位学生将需要大概40到60支经过加工处理过的棉签。

橡胶胶水使用注意事项：在使用过程中，可能会有较多的挥发性物质，所以一定要确保活动进行的场所具备良好的通风条件。如果开展活动的教室相对较小的话，记得要打开窗户。学生们在做活动准备的时候，老师一定要时刻留意，注意不要让学生离橡胶胶水过近，并且提醒学生们在完成准备工作之后，一定要将胶水的盖子盖紧。

课堂简介（15分钟）

在课堂的第一个环节，学生们将会借助《超级烹饪书》，塑造一个新的英雄形象。然后，他们会利用他们对结构和功能之间关系的理解，为他们的新英雄设计一款飞行器，让他们可以去自己想去的地方。在今天的课堂里，学生们将会继续为英雄们设计他们的秘密基地，以满足他们的关键需要。在完成设计之后，学生们还将进行俳句创作，俳句的内容跟秘密基地的结构相关。

在课堂的一开始，可以跟学生们一起讨论关于静居处的话题。跟其他很多动物一样，人类也需要一个有安全感的地方。让学生们说说看，如果他们需要去一个这样的地方，他们会去哪儿？很多学生可能会选择回家，问问他们，家里有没有哪个地方让他们觉得特别安全？也有学生会回答学校或者教堂、某个朋友的家、附近的公园或者图书馆。不管学生们的回答是什么，一定要让他们给出尽可能详细的答案，然后让他们说说看为什么会选择那个地方。有些学生可能会说他们喜欢独处的空间，而其他人可能会喜欢有他人的陪伴；有些学生选择某个地点主要是因为自己能够感到放松，而其他的学生则可能是喜欢那里带来的挑战和兴奋感。同样，超级英雄在选择秘密基地的时候所考虑的也包括以上内容。

接下来，进入下面一个讨论话题，问问学生：“你觉得一个超级英雄会去哪里寻找安全感？或者说如果他需要躲避一段时间的时候，他会去哪里？”

在讨论中，可以说几个比较知名的超级英雄秘密基地。这些基地在哪儿？它们看上去怎么样？它们最关键的特点是什么？它们有哪些独特的特点能够助力超级英雄战胜挑战？举个例子，你可以说说超人的孤独堡垒、蝙蝠侠的蝙蝠洞、X战警们的X公寓和忍者神龟们的下水道。

让学生们开动脑筋想想，一个秘密基地的基本要素是什么？将学生们得出的结论写在黑板上。在理想的情况下，学生们会提出以下要素：

遗憾的是，大部分具备超能力的人都不具备建造秘密基地的能力。他们需要委托他人来设计并建造他们的秘密基地：一位工程师。同样，工程师们也具备超能力：他们能够根据一些重要的问题来设计解决方案，让世界变得更美好。正是这些工程师设计制造了飞机，让上百名乘客可以安全地从一个地方飞到另外一个地方；这些工程师们还通过研究交通情况，设计街道（设置红绿灯）等方式来减少交通拥堵；就连同学们所喜爱的各种各样的游戏也是由工程师们设计和打造的。

在应对各种问题的时候，超级英雄们也需要工程师的帮助。他们需要工程师设计一些装置，帮助他们打败坏人；他们也需要工程师们设计一些高科技的衣料，让他们可以免受敌人攻击（以及自己一些蛮勇行为）的伤害；他们还需要工程师们帮忙建造他们的秘密基地——打造一个可以让他们安心工作、计划、练习和从超强压力的冒险活动中抽身恢复疗养的地方。

给学生们布置下面这个任务：

在今天的这节课中，你将为你塑造的超级英雄设计一个秘密基地，你的超级英雄需要作为一名工程师的你的帮助。

将《如何成为超级工程师》的材料分发给所有同学，花几分钟的时间，跟同学们一起将这份材料通读一遍。工程设计本身就如同一种超能力，这种能力可以助力工程师们（以及他们的超级客户）成功完成自己的任务。

设计秘密基地（75分钟）

将《秘密基地蓝图》材料分发给每一位同学，让学生们自由开始自己的设计。几分钟后，告诉学生们他们将面临一个挑战。你可以直接使用下面这几个材料，也可以自己另外设计一个：

我们刚刚得知一个消息，现在全世界各地都找不到建造秘密基地所需要的材料。但是，在这种危急的情况下，你的超级英雄客户却仍要求你要用最少的材料，建造一个尽可能大的秘密基地。

或

这个世界上最强有力的恶霸“杀人狂魔”在今天的报纸上向全世界宣示，他誓要找到并摧毁所有超级英雄的秘密基地（以及基地的主人）。他发明了一种非常强劲的新式雷达工具，借助这个工具，他可以发现大部分的秘密基地。目前，有一种隐蔽方法可以躲过这种雷达的探测，但是这种方法仅适用于那些表面积小于某一特定值的基地。设计一个秘密基地，然后用半张报纸作为掩体，让这个基地不容易被雷达探测到。（半张报纸长约11英寸，宽约10英寸， 1英寸约合2.54厘米。各地报纸版面不同，可能大小也略有差异。）注意，你可以用剪刀和胶布将报纸剪接成各种形状的掩体，但是掩体的总面积不能超过一张完整的报纸。

或

最近，大都会的恶势力有所抬头，所有的超级英雄都搬到大都会来，想要保护这里的民众免受恶霸的欺凌。考虑到好几个超级英雄都需要一个新的秘密基地（而且在秘密基地的选址，建造的新楼房要求至少有25层楼高），你需要设计一幢高于25厘米的结实的高楼。

上面这些情境中模拟了工程师可能要面对的一些现实问题和限制。在工程师们所要面对的大大小小限制中，最常见的往往是项目成本的限制（可以花多少钱，或者某一种特定材料可以使用量的大小）和项目大小的限制（比如如何在尽可能不影响周边环境的情况下，建造一条新的高速公路或者一座桥梁）。

在学生们完成了自己的设计草图之后，将学生们分成几个小组，在不同的工作台用课前准备好的棉签来搭建自己设计的秘密基地。可以给学生们看看你事先做好的模型作为参考。在学生们完成模型建造后，你可以以讨论的方式，看看他们完成得怎么样。你可以问以下这些问题：

有没有同学在建造秘密基地的过程中，发现设计结构上的缺陷？如果愿意的话，可以跟大家分享一下，说说看最后你是怎么解决这个问题的。

在建造秘密基地的过程中，有没有哪些方式让你的设计更加稳固？相较于其他的组合方式，有没有发现哪一种方式组合起来的棉签结构会更稳定？如果有的话，要怎么拼接棉签呢？

在建造你的秘密基地的过程中，最具挑战性的是什么方面？你觉得最大的收获是什么？什么最令你感到兴奋？

下一次，如果超级英雄让你帮忙设计建造秘密基地，你会做出怎样不同的设计？这一次，你会不会事先向你的顾客提出一些具体的问题？在面对某一个问题的时候，你觉得有没有其他更有效的处理方式？你会怎样对这些备选的方式进行检验和评价，最后决定取舍？

秘密基地俳句（20分钟）

在学生们完成了一些工程设计的任务之后，组织学生们来进行写作。在这个过程中，你可以强调工程设计与写作之间的相似性。人们在写作的时候往往都带有自己的目的性，在进行工程设计的过程中也一样。而且，不管是写作还是工程设计，都难免会有一些限制。工程师们要面对项目大小的限制（正如前文中提到的）、成本的限制（关于这一点，前文中也提及了，这不一定是金钱上的限制，也有可能是资源上的限制，比如课堂上我们给每一位同学提供的棉签数量是有限的，这也是一种成本限制）。在写作的时候，我们也会受到一些限制。广播或电视广告的作者在创作的时候，往往会有时间上的限制，他们可能甚至需要避免使用一些复杂的词语和表述，以保证听众对内容的理解。有时候，写作的限制会更加的严格和正规——在入学申请书中，你的入学动机陈述不能超过500字；在莎士比亚的十四行诗中，要严格按照ABABCDCDEFEFGG的韵律格式来进行创作。

在本课中，学生们将会通过写作，进一步了解客户和工程师之间以及结构和形式之间的关系。问问学生们是否知道什么是俳句，学生们可能大概知道一些内容，但如果他们不记得的话，提醒他们俳句是一种“五—七—五”三句十七音的诗歌结构。可以给学生们几首传统俳句和非传统俳句的例子（或者可以让学生读你自己写的关于超级英雄的俳句，也可以看看下文方框中一位学生的俳句作品《橡子复仇者》）。如果需要的话，可以复习一下什么是音节，让学生们数一数自己的名字里面有多少个音节，练习一下，为进入写作环节做一个热身。

为了让学生们多接触一点关于结构的内容，让学生们写一首关于顾客和工程设计的俳句。前面两句可以是来自超级英雄的顾客要求，例如：“为我建基地，我需要疗伤之处。”或“我得藏起来，别让坏人找到我！”

而最后一句话则是工程师对于上述要求的一个回应，就上面这两个例子，最后一句可以是：“看，疗养之所！”和“铁壁最合适！”

鼓励学生们把自己当作是超级英雄，以顾客的身份，就俳句的前两句尽可能多写一些版本。这其实并不难，让学生们随便写个十个八个都不为过。

完成前两句的写作之后，让学生们将自己写了一半的俳句交给自己的搭档，接下来，搭档将充当工程师的角色，为顾客的要求提供一种解决方案，完成俳句的最后一句，并将俳句重新交给前两句的作者（顾客）。

最后，作为顾客的同学会仔细阅读完整的俳句，看看工程师的解决方案是否令自己满意。如果时间和情况允许的话，学生们还可以完善自己用棉签搭造的模型。作为额外的活动，他们可以将自己创作的俳句写在纸上并用作模型的墙面。

目前来说是安全的…… （10分钟）

在学生们写完自己的俳句之后，重新组织全班学生一起进行讨论。让一小部分学生与全班同学分享自己的俳句，如果学生们的俳句遣词造句和解决问题的方式方法非常好的话，老师应当给予恰当的表扬。

让学生们说说看，在写俳句的最后一句的时候，他们是怎么选择问题的解决方式的？为什么选择这个解决方式而不是另一个？很可能一些学生不选择某一个解决方式的原因是这种解决方式并不适合——一位冰雪英雄隐藏在火山口的入口可能会熔化，或者喷气发动机可能会暴露潜水艇的位置，使得其隐身性能无法发挥。注意，有时候一些结构体无法单独发挥应有的作用，而有一些结构体能够单独正常工作，但与其他结构体一起的时候却显得格格不入。让你的学生们想想看，纸飞机上有没有什么结构就是如此，这个结构能够完成自己的任务，然而却与其他结构不太兼容。

最后，让你的学生们知道，下一次将会是本系列课程的最后一节课。在下节课里，我们将继续聚焦工程设计：学生们将会为自己的超级英雄设计制造一款交通工具，好让超级英雄去拯救世界。

教师阅读材料

（这部分是学生要通过调查研究发现的内容）

本课时主要是让学生们为自己在第一课时中塑造的超级英雄设计一个秘密基地。所有的工程设计也好，或者具体到本次秘密基地的设计也罢，工程设计都必须是围绕顾客提出的需求来设计方案。在本课时中，超级英雄虚构的需求就是顾客的需求。此外，秘密基地的工程设计还受到本教案所设立的挑战的限制。这对于工程设计来说也非常重要——回应顾客的需求，并且服从条件限制。尽管学生们在本课时中不会完整完成一个工程设计过程，但是他们将会把注意力集中在工程设计过程中非常重要的一部分——如何让自己的设计与需要解决的问题更具相关性。注意一定要仔细阅读《如何成为超级工程师》部分内容，复习一下你们的工程设计准则。

具有稳定性的形状

注意：接下来，我们将会简单为各位介绍一下不同形状的稳定性。如果学生们提起这方面的相关内容的话，这里我们也提供了一些例子，你可以用这些例子来给学生讲解。要知道，授人以鱼不如授人以渔，最好还是让学生们在自己动手环节和讨论过程中去发现这些观点，然后老师再对这些观点加以强调。

自幼儿时期起，孩子们在搭积木的时候经常会选择搭建高塔，而且他们会因为高塔的变形而感到兴奋。如果直面挑战，通过在塔尖加一块积木的方式来让高塔重新回到平衡状态的话，他们会更加地激动（然后他们会接着挑战自己，再放一块，再放一块），直到最后整个高塔倒塌。搭积木，其实可以算是一种比较原始的工程结构设计练习。在搭积木的过程中，不同形状的积木会有不一样的作用。

经过一段时间之后，孩子们往往会发现，在搭积木的时候，如果底部比较宽，越往上越窄的话，他们就能够搭出比较高的塔。美国纽约的帝国大厦就是现实生活中一个形式优雅的例子。如果学生们坐过火车、汽车或者地铁的话（或者是尝试过滑板或冲浪板的话），他们可能对以下这一现象有一些亲身的体会。他们可能知道，当站在这些移动的平面上的时候，如果他们两脚之间距离放宽一些的话（学生们可以尝试两脚分开和两脚并拢），会站得更稳一些。

在建筑方面，三角形是稳定性最高的形状，这跟力的分解有一定的关系。古埃及建造了当时世界上最高的建筑，他们就是采用三角形作为基本的形状，当时所建造的大金字塔，历经四千年的风雨，仍旧屹立不倒。（可以试着进行下面的实验：用橡胶胶水和棉签弄出一个三角形，然后试着去破坏三角形的形状。除非你弄弯棉签，否则基本上不可能破坏这个形状。相较而言，像正方形之类的形状，很容易在边与边的结合处发生变形，根本不用弄弯棉签。）

尽管在很多当代的结构体中，你可能从外表看不出三角形的形状，但是在这些结构体的“骨架”中，你可能仍然可以找到很多三角形，这也是这些结构体稳固的原因。在这里，桥梁就是一个非常好的例子——你可以找一些比较老的铁路桥和桁架，看看其框架上面三角形的数量。在应对强风和地震的时候，我们有时候也利用三角形稳定性对一些建筑物进行加固。

一名建筑设计师在设计一座房子的时候，他首要考虑的是如何让这座房子免受飓风的危害，于是他设计了一座圆顶形状的房子。当然，这种设计非常标新立异，但是因为这种圆顶的外形，海浪和强风的力都会绕过这座房子，也因此，当常规的房子因为风暴受到严重损坏的时候，这座圆顶的房子却完好无损。这种圆顶的房屋设计也是设计师利用科学原理来解决现实问题的一个典型的例子。

第四课时：拯救世界（散文诗及鸡蛋坠落实验）

在为超级英雄设计交通工具的时候，安全一定是非常重要的考虑因素之一，不管是一架隐形飞机，还是一块会飞的银制冲浪板。在这一课时中，学生们将会为超级英雄的交通工具设计一个安全系统，好让他们的英雄能够利用这个系统，平安抵达各个现场。在设计这一系统的过程中，学生们可以探索一些物理的规律。在本课时的最后，学生们还会进行散文诗创作。在诗中，他们将描述英雄们所面临的一次前所未有的挑战，告诉读者他（或她）是怎么直面挑战的以及故事的最终结局。

课前准备

本课时的材料清单上列举了相当多的材料，但是，并不是所有的学生都需要用到每一种材料——但在课前准备的时候，还是要为学生们准备各种各样的材料，让学生可以根据自己的需求和设计方案，自由地选择材料。如果可以的话，你可以在第一课时结束后，让学生们将本课时所需要的材料清单带回家（或者直接与家长取得联系），让家长们帮忙收集一些可回收材料以及其他的一些材料。在学生们进入动手环节之前，我们建议老师看一下学生们的设计，然后再让学生们自由去选择材料。当设计获得老师的肯定之后，学生们可以根据自己的设计选取需要的材料，而不是什么材料都任取一点。老师可以通过一些手段，控制材料的平均分配，比如，不要批准会使用大量泡沫纸的设计。

学生们将会用这些材料来打造交通工具，保护鸡蛋从一定高度下落而不受损伤，所以，需要安排一定的空间用于鸡蛋坠落实验。适合进行实验的地点其实不少：如果教室附近有阳台或者教室里有窗户的话，你可以利用这些地点进行试验（注意，实验地点离地面的高度最好要大于10英尺，约合3米——但也不要超过两层楼高）。当然，实验也可以在室内进行，可以由一名成年人从一个10英尺高的梯子顶端让鸡蛋进行自由落体（注意：梯子仅允许成年人使用）。在实验地点的地面上铺上一次性防水布、一次性塑料桌布或者几个比较大的垃圾袋，以便于实验结束后的现场清理。

课堂简介（10分钟）

所有的英雄，特别是那些具有超能力的英雄，都因为自己的奉献精神和责任感而为人所知——他们愿意以牺牲自己为代价去阻止恶势力戕害生灵。不过，就算你没有超能力，你也可以尽自己的能力帮助那些处于危难中的人。哪怕只是一个小小的举动（邀请经常独自用餐的同学共进午餐；不用家长开口，主动承担一些家里的事务或者杂务），也可能会有所助益。让学生们自由进行讨论，跟其他同学分享自己的一次善举，讲讲自己是如何帮助他人或者做成一件好事的。问问学生：“当时是怎样的情况？事后你感受如何？身边的人有没有做出什么回应？”

告诉学生们在今天的课堂上，他们有机会再次成为一名英雄。他们的任务是为自己的超级英雄设计一款交通工具，确保英雄们能够迅速并安全地出现在需要他们的地方。注意，最重要的是安全。

让学生们想想，他们都接触过哪些交通工具？（汽车、飞机、自行车等等。）在使用这些交通工具的时候，是否曾留意到上面配备了哪些安全装置可供使用或穿戴？让学生们开动脑筋，列出他们所能够想到的任何跟安全性能相关的设施结构，将学生们的回答写在黑板上。（你也可以给学生们几分钟的时间，让他们将自己能想到的都写下来。通过这样做，你可能会得到更多更鲜活的例子，而且这短短的几分钟时间，对学生们语言能力的提高也很有帮助。）

接下来，问问学生这些与安全相关的结构其功能是什么？然后，是时候将黑板上的例子誊移到一张T型图表纸上， T型两侧可以分别注明“与安全相关结构”和“功能”，这样学生可能更容易理解。如果学生们需要老师做进一步说明的话，可以提醒学生所谓的功能就是相应结构体的作用以及这个结构体为什么能够保障安全。

设计逃生装置（70分钟）

接下来，让学生们开始打造自己的交通工具。现在，你可以告诉学生今天代替英雄们来试乘他们设计的交通工具的将会是一个鸡蛋。没错，学生们需要设计出一款可以将脆弱易碎的东西从A点安全转移到B点的交通工具，而且在今天的试验中， A点相对来说位置比较高，而B点则在地面。

鼓励学生开动脑筋，思考如何合理整合各种各样的安全设施。可以重新回顾一下之前关于与安全相关结构体的列表，然后根据这些结构体的不同功能，对其进行分类，例如：

跟学生们一起讨论一下原型机，或打造一个模型来检验设计，然后问问学生，看看他们知道交通工具安全测试方面的哪些内容。问问他们，是否曾听说过测试假人？问问他们，为什么要使用这些假人？汽车制造商会进行一些什么实验来测试产品的安全性？（老师可以在网上找一些汽车碰撞试验的视频。）跟学生们说明，他们每个人在测试自己设计的交通工具的时候，也会有自己的“测试假人”——一个生鸡蛋。他们的目标，就是要让自己的鸡蛋在交通工具受到撞击之后仍然完好无损（最好是连裂缝都没有）。

提醒学生们，真正的工程师们在开始动手之前，都会做好计划。他们会画出设计的草图，甚至在设计的过程中，还会进行一些小规模的测试，然后他们才会去打造完整的原型机。将《保全鸡蛋》材料发给每一个学生，给每个学生大概十五分钟的时间去完成自己的设计。让学生们知道，在完成设计之后，他们应该将自己的设计交给工程设计总监（老师）审阅。在征得总监同意之后，才能够去拿取自己所需要的材料。

以上任务全部完成后，接下来，给学生们约20分钟的时间让他们去打造自己的原型机。

学生们完成原型机后（这时候他们应该已经将鸡蛋固定在原型机里面了），是时候让学生们进行实际的测试，即让他们在坠落测试站对自己的设计进行测试。安排给学生们10分钟（或者更多）的时间。注意实际坠落测试应该由一名成年人进行操作，而且要尽可能保障每一次测试其他变量的一致性（也就是说，将学生的设计带到某一特定高度让其自由下落——不要向下扔，也不要以其他的方式为原型机加速）。学生们应该站在着陆范围之外，保持一定的距离，以免摔碎的鸡蛋溅到身上。委派一名学生，或者找一名学生志愿者，在每个测试后将经过测试的原型机收放在一边，以免影响下一部原型机的测试。

在测试完所有人的设计之后，给全班学生约10分钟的时间，让他们在《保全鸡蛋》材料上对有效和无效的设计进行记录。在学生们完成后，组织学生进行讨论，让学生们说说看他们的“乘客”的遭遇。然后引导学生边讨论边进行反思，看看他们能够从自己设计的原型机中学到些什么，以及他们会在下一次的设计中做出哪些改动。有没有哪一种类型的安全装置似乎最能够保障“乘客”的安全？有没有哪些设计是完全不可行的？可不可以通过什么样的方式，将不同学生设计中的不同安全装置整合成一个终极版的设计，为乘客提供最为安全的服务？在教室里挂一张图表纸或者直接在黑板上将学生们的想法记录下来，然后全班同学一起完成超级交通工具的终极设计。这个设计将融合学生们在本课中所学到的知识，最大限度保障“乘客”的安全。

散文诗创作（25分钟）

散文诗是一种介于散文和诗歌之间的文体。你可以把散文诗看作是一段具有诗歌的手法、语言、韵律和流畅度的散文。或者你也可以把散文诗看作是一首由句子和段落构成，而不是由诗句和诗节构成的诗歌。学生们最终创作出来的作品应该是以段落的形式呈现，但又具备诗歌的语言特征。

在完成鸡蛋坠落实验之后，不管成功与否，学生们应该对于不同选择所带来的不同后果有了更好的理解。在现阶段，学生们所考虑的是作为工程师（在设计交通工具过程中）所面临的各种选择，但是时候让学生们考虑一下他们笔下塑造的英雄所面临的选择和挑战了。

在简短的讨论过后，给学生们布置一个新的任务，让他们根据自己笔下英雄面临的最大挑战，写一首散文诗，这首散文诗应当：

课堂总结（15分钟）

如果时间允许的话，让学生们分享他们自己创作的散文诗，分享内容长短不限。跟全班同学一起讨论，他们塑造的英雄所做的选择是如何影响最终的结局的？另外，也可以间接讨论一下工程设计上的一些选择是如何影响鸡蛋坠落实验的结果的。这些是否在散文诗中有所体现？有没有一些别的选择？如果做出不同的选择的话，事件的结果会有怎样的逆转？

在本节课的最后，让学生们回忆一下他们所塑造的英雄在本系列课堂中所做出的所有选择。这些选择跟英雄天赋才能和后天养成的性情有什么关联？这些选择对于“顾客”与“工程师”之间的关系有什么影响，对学生们的任务完成质量又有什么影响？这些选择对英雄所处的世界产生了什么影响？

将“选择”这一话题重新带回到学生们的现实世界中，“你的选择是如何影响你的为人以及你今后方向的？”

告诉学生们，尽管我们在目前这个阶段，不能够改变我们的本性和环境，但是我们仍然有选择的余地，我们的选择将会对我们日后成为什么样的人有着十分重要的影响。在面临挑战的时候坚韧不拔，在面对灾难的时候自强不息，这些都是成功的英雄、科学家和工程师们的标志——不管是真实世界还是虚拟世界中的英雄们，无论境遇几何，他们都会选择不断向前，永不放弃。

教师阅读材料

（这部分是学生要通过调查研究发现的内容）[5]

汽车制造商在汽车内部系统工程设计方面投入了大量的资金，目的就是为了让乘客更舒适，并且在发生碰撞事故的时候，能够更有效地保护乘客。同样，美国国家航空航天局的工程师们在设计火星漫游者系统的时候也格外细致，竭尽全力确保漫游者在火星表面着陆时，不会损坏到一些关系到任务成功的精密（而且昂贵）零部件。

在鸡蛋坠落实验中，学生们在为自己的“乘客”设计安全装置的时候，他们所面对的任务其实是一样的，也要利用一些物理的原理，辅助自己完成任务。

碰撞发生的时候会出现什么情况？

要了解物体发生碰撞的过程，以下这几个物理概念比较重要：

当我们综合考虑上面这几个概念的时候，我们能知道些什么呢？如果你坐在饭厅的一张椅子上，除非有人推动椅子，或者你自己站起来离开，否则你明显就不处于运动状态。如果你坐在一辆时速为55英里的汽车里，尽管你感觉自己坐着没有动，但是你运动的速度（快慢和方向）跟你所乘坐的汽车其实是一样的。在这个例子中，整个系统（汽车和作为乘客的你）的动量等于汽车本身的动量加上乘客的动量。

在正常驾驶车辆的过程中，在大部分时间里，乘客和汽车的动量同属于一个运动系统。当你踩刹车停车的时候，车轮会随之减速，并对车身起一定的作用力，然后车会通过摩擦力和安全带的拉力对乘客有一定的作用力——在这个过程中，你的动量和车身的动量能够基本同步减小。但一旦汽车是因为某种原因突然停止，比如在时速55英里的情况下突然撞上砖墙，这时候撞击会对车产生一定的作用力，但是车上的乘客却会保持向前的运动。因为惯性，乘客依旧具有一定的动量。如果乘客没有系安全带，而且车内的摩擦力太弱，不够使乘客停止运动，也就是说，没有足够的力能够使乘客的运动发生改变，乘客的身体（以及体内的器官）将会继续向前运动，直到有其他作用力能够改变其运动，并使之最终停下来。这种情况下，乘客会向前滑动，直到被什么东西挡住（而你的器官也会向前运动，直到被类似你的肋骨之类的物体挡住——这种情况的发生当然不是一件好事）。当发生碰撞的时候，希望作为乘客的你身上有系好安全带，而且车里的其他安全装置都能够正常工作，因为这些安全装置的设计就是为了（1）吸收或分散撞击所带来的作用力，（2）延长作用力作用的时间，减弱作用力的影响。

汽车在发生碰撞时发生了什么？

根据牛顿第二定律，力的大小取决于物体速度变化的快慢。如果一辆汽车在很短的时间内停下来，那说明作用于汽车上的力很大。如果能够在发生撞击之前，尽可能降低车辆的速度的话，让该车辆停止所需要的力也会随之减小。也就是说，汽车停车所花的时间越长，让汽车停下来所需要的力就越小。我们可以利用汽车刹车降低车速（理想情况下，我们希望能够借助刹车，将车停下来，不让撞击发生）。汽车制造商在制造汽车的时候，在乘客安全区周围设计了碰撞缓冲区。如果一辆拥有碰撞缓冲区设计的汽车在驾驶的过程中撞上一面砖墙的话，汽车最前端会因为撞击而停止，但是汽车车身会继续向前，车身碰撞缓冲区部分（也就是乘客安全区前面的部分）会因此而发生变形。这个过程将会耗费一定的时间，也会吸收撞击产生的力——这就意味着车内乘客所要承受的撞击力会相应减弱。

过去，汽车制造商在打造汽车车身的时候，往往会选择一些刚硬的材料，所以，在发生撞击的时候，车身变形幅度很小，而车内乘客将会受到完整的撞击力（如果发生事故，这种汽车车身受到的损害可能会比现在的汽车要小很多，但是车内的乘客却要承受更大的力，导致更严重的伤亡）。现在的汽车往往具备双碰撞缓冲区和加固的乘客安全区（可以防止发动机等其他部件在发生撞击的时候进入乘客安全区），这两种设计（以及下文我们将要提到的几个设计）都大大地增强了汽车的安全性能。

不要弄坏安全气囊

就好像碰撞缓冲区可以通过降低车速来减弱撞击力一样，安全气囊通过降低乘客的移动速度来减弱乘客所受到的撞击力。当汽车受到撞击达到一定程度时，乘客因撞击而向前滑动，安全气囊会充气展开，这样，乘客就不会直接撞到仪表盘上，而是会撞在安全气囊上面，安全气囊会因为乘客的撞击而发生形状上的变化（想想看，当你拍打枕头的时候，枕头的形状是不是也会发生变化）。这种变形同样也能够吸收撞击的一些能量，降低乘客移动的速度，因而乘客的向前运动不会因撞击而猛然停止，这就意味着不会因为瞬时停止而受到巨大的撞击力。

STEM课外探究：第一课时（追踪特征）

每个人（包括英雄在内）都是独一无二的，不过我们跟自己的父母和兄弟姐妹们会有很多共同的特征。这里所指的特征，是那些可以观察到的特点，而且这些特点往往是由父母遗传给子女的。想想看，你跟你的亲戚们有没有哪些共有的特征？

特征清查

采访你的亲戚们，看看谁遗传了祖辈的哪些特征。在下表中，你可以填写两个受访者的信息。如果你想要采访更多的亲戚，当然更好，你可以自己找一张纸记录采访的结果。[6]

父母的特征之所以能够遗传给子女，是因为DNA （脱氧核糖核酸）。DNA就好像是一本烹饪书——人类体内的每一个细胞都拥有构成人体的全套“菜谱”。每一个个体（比如，你和你的同学） DNA上些许的不同，让每一个人都是独一无二的，我们也因此拥有各自不同的个体特征（头发颜色、眼睛颜色、是否能够将舌头卷起来等等）。

关于DNA的小知识[7]

STEM课外探究：第二课时

尽管纸飞机看起来非常简单，但是在平凡无奇的纸飞机中，也蕴含了非常多的工程学道理。

自我挑战

要让纸飞机起飞，其实有很多种不同的方式。改变放飞纸飞机的方式，对纸飞机的飞行会有什么影响？

你可以尝试以下这几种方式：

注意：这是在模拟飞机在顺风和逆风两种情况下的飞行状态。

你也可以自己想想看，还可以用什么方式来进行飞机实验！

关于飞行的小知识[8]

了解更多

STEM课外探究：第三课时

今天，你帮助你的超级英雄解决了一个非常重大的问题，你帮他设计并建造了他（或她）的秘密基地。你能否继续像工程师一样思考呢？

跟你的家人聊一聊，看看有没有什么重要的问题是你可以帮忙解决的？有没有什么事情令你的家人感到沮丧？有没有什么事情他们期待发生一些改变？

例如：

你可以尽情列举出一些生活中可能存在的问题，看看自己能不能借助工程设计来解决这些问题，然后针对问题进行设计，并对自己的设计进行检验，根据检验结果和从家人那里获得的反馈，改进你的设计。

STEM课外探究：第四课时

从古至今，人类已经发明了许许多多的设备，这些设备帮助人类一次又一次地化解危机，同时拯救了许许多多的生命，例如：

要让世界变得更美好，不是说一定要通过拯救生命来实现，问问你的父母、祖父母，姨妈、姑妈、叔叔、舅舅或者是任何一个成年人朋友，什么可以让他们高兴起来。这有可能是他们引以为豪的一项成就，也有可能是他们为他人所提供的一次帮助。

你能否想象一下，你可以通过什么方式来让世界变得更美好？在你的生活中，你可以做出哪些选择，来帮助你达到这一目的？

[1] 本活动改编自《草莓DNA提取》，详见http://seplessons.org/node/217

[2] MV音乐短片链接：http://www.youtube.com/watch?v=ZK6YP1Smbxk&list=PL44C7ADBD6A22FF0B&index=1

[3] 当你问到“食物里面有没有DNA”的时候，就算是生物专业高年级的学生也有可能答错。

[4] 如果没有实验袍，学生又想要穿上某种制服的话，可以让学生们将毛巾或者夹克衫披在自己身上并绑好，装扮成超人的披风一样的效果。科学家们其实也是英雄！

[5] 本部分信息来源：

《撞击缓冲区如何起作用？》 ， http://www.autoevolution.com/news/how-crumple-zones-work-7112.html

《撞击缓冲区的物理特性证明塑料等较有弹性的材料能够减少伤亡并拯救生命》，

http://www.plastics-car.com/Todays-Automobiles/Automotive-Safety/Physics-in-the-Crumple-Zone-2.html

[6] 这部分内容选自http://teach.genetics.utah.edu/content/begin/traits/traitsinventory.pdf。

[7] 这部分内容改编自《共同的基因》 http://genetics.thetech.org/online-exhibits/genes-common；《神奇的DNA》http://sciencecentres.org.uk/projects/handsondna/4.8%20-%20Amazing%20facts%20and%20quiz%20questions.pdf；艾米丽·C，《老鼠和人类基因相似之处》 http://blog.23andme.com/23andme-and-you/genetics-101/genetic-similarities-of-mice-and-men/。

[8]这些关于飞行的小知识来自于《纸飞机协会——令人好奇的小知识》， http://www.augq07.dsl.pipex.com/paamain/facts.html。

[9] 《安全带：唯一最有效的安全措施》 http://www.nsc.org/safety_road/DriverSafety/Pages/SeatBelts.aspx

[10] 《常见问题》 http://www.sanofipasteur.com/en/faq.aspx

[11] 《霍乱防治》 http://wonder.cdc.gov/wonder/prevguid/p0000002/p0000002.asp

[12] 《被拯救的生命》 http://www.scienceheroes.com/

[13] 斯蒂娜·卡克西，《恒温箱的历史》 http://stinacaxe.hubpages.com/hub/caxe21incubator