打造锡纸船

时间：2023-03-11 理论教育版权反馈

【摘要】：“尤里卡时刻”指的是灵光乍现的时刻，后文将细述。在本课中，学生们将会动手打造锡纸船，在装载一定量重物的情况下对造出来的船进行测试，看看它们是否适合航行。实验室用的砝码、弹珠和硬币，这些都是重量比较合理的“货物”。在不同的条件下，货物的移动可能会对船有一定的影响。这艘船将会搭载什么样的乘客和（或）货物？让学生们写下他们关于所造船只的一些想法，以及这艘船即将踏上的冒险征程。

8.打造锡纸船

1节课， 2小时

STEM说明：物理学、工程学

写作活动：技术写作、叙述写作、创意写作

该教案根据丹尼尔·约翰逊的创作课堂编写。

船总是能够激发我们的想象力。想想看，我们为什么把宇宙飞船称为“宇宙飞船”，而不是“宇宙飞机”或者“宇宙飞车”呢？我们用船将物品从一个地方运送到另一个地方，而且，我们还会给船命名：“皮廓德号”、“泰坦尼克号”“阿尔戈号”“美国海军亚利桑那号”“珍妮号”等等。

在本创意课堂中，学生们将会用一些在日常生活中极易获得的材料，将自己的想象力付诸实践，打造自己的船。在这一过程中，学生们会接触密度这个概念，密度在物理、化学及其他学科中都是非常关键的概念。在密度这一概念横空出世的时候，是我们科学史上少数几个空前绝后的顿悟时刻之一。（事实上，密度的发现是历史上第一个“尤里卡时刻”——尤里卡一词源自希腊语，意思是“我发现了”。“尤里卡时刻”指的是灵光乍现的时刻，后文将细述。）然后，学生们将会根据自己学到的新知识，创作乘船冒险和探险的故事。

课前准备

在本课中，学生们将会动手打造锡纸船，在装载一定量重物的情况下对造出来的船进行测试，看看它们是否适合航行。在课前，老师应该检验不同的材料，看看哪一种材料比较适合用来作为实验的“货物”。实验室用的砝码、弹珠和硬币（每艘船需要50~75克硬币），这些都是重量比较合理的“货物”。相较而言，选择硬币的话，它在船上一般不会移动。在不同的条件下，货物的移动可能会对船有一定的影响。

布置教室过程中的注意事项：尽管老师可以有很多种不同的安排，但是不管怎样，一定要注意，测试船只的过程可能会花费大量时间，而且学生们还很容易分心。在测试船只的时候，可能会出现瓶颈。当少部分学生正在测试自己的船只的时候，一些学生在一旁排队等待，而还有另一些学生已经完成了测试，只能待在一旁观看别人测试。你应该控制好测试区域的人流。最理想的情况是能够给学生提供多个装有水的容器，允许多个学生同时测试自己的船只。澡盆、桶和便携冷藏箱都可以。如果你可以使用儿童泳池，或者一个真正的泳池，那就更棒了！鼓励那些已经完成测试的学生将自己的测试结果记录下来，然后再对自己的设计进行改进。在这里，我要提及一下，本课中我们选用了站点模式来把控学生活动（具体来说，我们设置了测试站点、记录站点和改进再建站点）。

课堂简介（10分钟）

使用《造船蓝图》，让学生们设想一下自己所要建造的船，这船可以是历史上任何年代所用的船。让学生们描述自己的船只：这船看上去怎么样？造船的主要材料是什么？这艘船将会搭载什么样的乘客和（或）货物？这艘船将会驶向哪里？为什么？这艘船在航行过程中，可能会面临一些什么问题？这艘船有没有哪些独特的设计特点，可以让它更适合于这段航程？让学生们写下他们关于所造船只的一些想法，以及这艘船即将踏上的冒险征程。鼓励学生们在进行描述的时候，尽可能多地将一些细节囊括进去。如果时间允许的话，还可以让学生们为船作素描。

讨论物体的沉浮（15分钟）

向学生们提问：有哪些东西是会浮在水面的？又有哪些东西不会浮在水面？

这时候，你可以将事先准备好的一些物品拿出来——将这些物品放入水中时，有些会浮起来，有些不会，有些看上去可能会沉入水中，但事实上却会浮起来，还有一些看上去应该能浮起来，但事实上却会沉入水中。让学生们对这些物品在水中的沉浮进行预测，他们可以借助自己平时积累的经验和（或）对该物品的外在观察。然后，在事先准备好的水池中对学生们的预测进行检验。

检验完毕之后，问问学生：“为什么物品会浮在水面呢？”这个问题比较复杂。在学生们讨论结束之后，跟学生们分享阿基米德的故事。

真神奇！阿基米德是如何做到的？！（问问你的学生，可能现在他们还不太能理解这个故事中的道理，不过没关系。）想想之前对不同物品沉浮特性的测试，这跟故事里的道理有没有什么联系？是什么从本质上决定了物品在水中的沉浮？是物品的质量（物品中物质的重量，在地球表面上，质量就是物品的重量），抑或是物品的体积（物品所占的空间）？哈！这个问题比较微妙！学生们可能会反复进行讨论，不过，事实上，决定物品沉浮的是其密度——单位体积物体的质量。如果学生们在这时候还不能够理解这一点的话，没有关系，待会儿他们就理解了。

造船（15分钟）

虽然课堂刚开始不久，但我们想让学生涉足造船，哪怕把脚弄湿也没有关系。（是的，这里故意用了双关。）我们刚刚才向学生说明了什么是密度，在实际看到关于密度这个概念的例子之前，学生们恐怕很难理解密度的概念，更不要说在造船的时候运用这一概念。

一开始，让学生们回顾一下他们在本堂课最开头时想象出来的船。船具有什么普遍的特点？这些船有没有哪些特别之处，可以让它们更适合于某个特定的航行任务？（学生们可能会将船定义为“某种能够承载一定重量并浮在水面的工具”。）

接下来，给学生们一个任务：自己打造一艘可以承载一定重量并且不会沉入水中的船。为了制造一定的戏剧效果，取一张锡纸，然后不断地对折，直到成为一小块锡纸块，无法继续折叠为止。然后将锡纸块投入水池中，锡纸块会随即沉入水中，这样一来，学生们就知道自己将用某种会沉入水中的材料来造船。

在学生们开始动手之前，跟学生们说明，他们在测试船只之后会有机会去完善自己的设计。学生们应该好好思考、设计自己的船只，不过也要提醒他们要注意把握好时间，确保后面还有剩余时间去完成试航、完善设计、新设计船只试航等活动。交代完之后，让学生自由完成任务。

第一站点：试水航行——测试和观察（15分钟）

每个学生打造自己的船只耗费的时间不尽相同，而这其实是一件好事：如果所有人都同时完成的话，就会有很多人排队等着试航。如果有学生完成了自己首度设计的船只的话，鼓励他们到测试站点对船只进行测试。

根据上一个环节中我们对船的定义，如果满足下面这些标准的话，学生们的设计就是成功的：

这里可以设置一个额外的任务，如果学生们所造的船只符合以下这些额外标准的话，便可以认为他们的设计相当成功：

鼓励学生尽快完成测试并离开测试站点，以保证其他学生能够有机会对自己的船只进行测试。

第二站点：船长日志——记录（10分钟）

学生在完成试航之后，引导学生进入下一个站点。在这一站点，学生们将在《船长日志：试航》上记录自己船只的试航情况，即成功还是失败。跟学生们强调一定要留意自己船只的特征，学生们的记录越是详尽，他们越能够在之后的环节对自己的船只设计进行完善。

第三站点：再次造船！（15分钟）

到目前这个阶段，学生们应该已经见识了密度在实际活动中的应用，让学生们对自己的船只设计进行完善。如果他们的船只没能浮起来，或者发生了倾覆（翻船或侧翻），看看他们如何对船只进行改进，以防止同样的事情再次发生。如果他们的船只能够符合基本的条件，那可以鼓励学生们继续完善设计，争取可以承载更大的重量，或者争取让船的航行更快更平稳。以下这些问题，可能可以帮助你的学生思考如何完善自己的船只设计：

你的船只的密度在试水测试的过程中是否发生了改变？（例：船只进水或船只外形变形都有可能导致密度的改变。）

你的船只有没有哪个部分的密度要比其他部分大一些（或者小一些）？（这些密度上的不同可能会导致船只倾向某一方甚至沉入水中。）

有没有可能去改变你的船只的密度？或者有没有可能去改变船只某一部分的密度呢？

加载货物会对船只的密度产生什么样的影响？

学生们应该会在不同的时间段进入这一站点，这取决于学生完成初始船只试航以及试航记录的时间，另外，学生们完善自己的船只设计并完成改进船只建造的时间也会不一样，这也进一步将进入测试站点的学生分流。

再次试航——再次完成测试、观察和记录（15分钟）

还是使用之前试航的方法，如果可能的话，给船只增加一些压力（以更快的速度航行、装载更多的货物），让每一个学生都有机会去测试自己的新设计。使用《船长日志：再次试航》材料，同样，让学生依次通过测试、记录和完善这三个站点，并将这个过程记录下来，评估新设计的进步之处，将新设计与原设计作比较，然后对新一轮设计完善提出一些设想。

瓶中信（25分钟）

现在学生们已经了解了能够实际航行的船，他们应该能够更好地理解密度在其中的作用，以及密度的变化对船只有什么影响。

让学生们回顾一下在课堂伊始他们自己想象出来的船只及其冒险之旅。接下来，让学生们结合自己在本课中获得的经验，给这段冒险航行增加细节，编一个完整的故事。举个例子，学生们可能会描写这样一个场景：他们的船（这里的船的概念可以放宽一些，在之前的环节中，学生们想象的可能是潜水艇或者气垫船）的密度发生了出乎意料的变化，情况非常危急（事故的原因可以是额外的货物、船只漏水、存在偷乘者，甚至是货物的消失——如果一艘船密度不够，而且设计得不好的话，可能会因为过分浮出水面而倾覆）。也许，故事中的“我”最终挽救了一切。学生们的故事可以是各种各样不同形式的故事：船长日志、船员日志、给朋友或爱人的书信，还可以是一封瓶中信，让发现这个瓶子的人知晓这艘船最后的遭遇。

教师阅读材料

（这部分是学生要通过调查研究发现的内容）

到底是什么决定了物体在水中的沉浮，这个问题从表面上看好像很简单，事实上却是一个非常令人着迷而且复杂的问题。学生们对于密度这一概念的理解是需要慢慢建立的。这一点，你可以从集体讨论中明显地察觉到。学生们，包括那些年纪比较小的，都能够说出一些会浮起来或者沉入水中的例子。对于物体沉浮现象的调查研究，每个学生都会有各不相同的经历和体验，而且，他们对于物体为什么会产生沉浮现象的理解也很不一致。

用非科学语言来说，一个物体在水中是沉还是浮，取决于这个物体所占的“空间”里，存在“东西”的多少。这一概念相对来说比较容易将其可视化：一块实心钢块会沉入水中，但如果你将其内里的钢掏空，那么这艘简易的“船”就能够浮起来。实心的钢块里面有更多的“东西”，这些“东西”（在这个例子中，东西指的是铁分子）挤满了钢块占据的空间（或者可以说是体积）。

学生们可能会经常说“相对其大小这是比较重的”，或者“这么大的东西这算是轻的了”，这说明学生们正在逐渐建立对于重量和体积[1]的关系的理解。他们可能还会开始意识到那些相对其大小而言比较重的物体会沉（入水中），而那些相对其体积比较轻的物体则可能会浮起来。

如果用比较科学的说法，科学家们会将“东西”称之为物质，而在分子层面，物质是由原子或成群的原子（也就是分子）构成的。如果一个物体相对其体积来说比较重的话，其中分子与分子之间的距离就要比相对体积比较轻的物体中的分子间距离要小一些。可以想象有两个一模一样的袋子，现在我们往袋子里面装球，第一个袋子装棒球，而另一个袋子里面装威浮球。哪一个袋子会轻一些？你可以认为棒球“分子”之间比较紧密（每一个都是实心的，所以袋子里面的空气就相对比较少）；相较而言，威浮球“分子”是空心的，所以袋子里就会有很多空间可以容纳空气，因此，威浮球“分子”之间空间比较多，袋子里空气也比较多。

一个物体（不管是固体、液体还是气体）所占据的单位空间的数量，在科学上被称为这个物体的“体积”。

“密度”这一科学术语指的是在既定大小的空间（或体积）里所容纳的东西的量。现在让我们回到之前实心钢块和空心钢块的例子中去。尽管钢块的尺寸大小是一样的（两个钢块所占的体积是相同的），空心钢块在相同体积内的分子比较少，所以空心方块比实心方块密度要小一些。

当你在引导学生理解密度这个概念的时候，你可以提出很多非常棒的问题来激发学生们的思考。大部分学生都知道实际的船都很重（可以想想航空母舰的重量！），但是它照样可以浮起来。为什么呢？这便是一个很好的机会，能够让学生们去思考在既定空间里面物质的量的多少，或者说一个物体的密度。在这里，再次提醒，一定要让学生们主动去探索，用一些恰当的问题去激发学生们的思考，然后放手看看学生们会进行些什么样的探索。

确定物体的密度

不同的材料会有不同的密度。密度是材料的一个特性，测量某个物体的密度其实难度并不大（而且还很有意思）。而且，接下来你会看到，如何用密度来解决一个难题——去判断一个物体是由什么材料构成的（或者这个物体里面是否掺杂了其他的材料）。

要确定某个物体的密度，你需要知道两个数据：（1）这个物体有多少东西；（2）这个物体占据了多少空间。科学家们用“质量”来描述一个物体所有的东西或物质。就我们的探究目的而言，在地球的表面，物体的质量与物体的重量是等同的。所以，想要知道一个物体包含多少东西，你只需要称量其重量就可以了。（同时，因为我们是在做科学实验，之后你还需要就你的发现进行沟通和分享，所以，在测量物体的时候，你需要跟全世界其他科学家们一样：使用公制单位来进行测量，这里我们要用到的单位是克。）

要确定一个物体所占据的空间的大小，有很多有意思的方法。测量液体的体积相对比较容易，你只需要将其倒入量杯，然后读取上面的数据就可以了（这里用到的公制单位是毫升）。但是，要怎样才能够知道固体的体积（这个固体所占据的空间，以毫升为单位）呢？事实上，这也很简单，你只需要测量这个物体在水里面所占据的空间就可以了。

在日常生活中，你可能已经知道怎样去用这种方式来测量物体的体积了。举个例子，当你进入浴缸的时候，浴缸中的水面会上升。这是因为你的身体占据了水的空间，所以水要排走。你的身体和水不能够同时占据同一个空间。测量一个物体体积的其中一种方式，便是使用排水量计算法。首先，往量杯中注入一定量的水（记下此时量杯中水的体积——比如125毫升）。然后将一个物体放入水中（如火柴盒小汽车），记下此时量杯中水的体积（假设现在水的体积为150毫升）。这两次水的体积的差就是玩具车的体积（150毫升－125毫升=25毫升，也就是大概两汤匙的量）。你可以用这一方法，测量任何放入水中会完全沉没的固体的体积（一辆玩具车、一个钢块、一枚硬币、一把勺子），而且相对来说这种计算方法也比较简单。

接下来，我们来计算物体的密度。密度的计算公式如下：

密度 = 质量÷体积

因为质量的测量单位是克（g），而体积的测量单位是毫升（ml），密度的测量单位是克每毫升（g/ml）。液态水的密度是1g/ml。将物体放入水中的时候，任何密度大于1g/ml的物体都会沉入水中，而密度小于1g/ml的物体则会浮在水面。

STEM课外探究：什么让船浮起来

我们都知道船能够浮在水面，但是，你觉得能不能让水也浮起来（浮在水面）呢？接下来好好享受实验带来的乐趣吧！

所需材料

往玻璃杯里装水。然后加入几滴黄色的食用色素（直到水明显变成黄色）。将玻璃杯放进冷藏箱或者冷冻箱，直到玻璃杯里面的水变凉（但是还未结冰！）。

接下来，取另一个玻璃杯，从水龙头那接半杯热水，往水里面加入蓝色的食用色素。小心不要烫伤自己！

接下来，你可以用已经准备好的这两杯不同的水来进行实验，看看你能够从这两杯水的试验中发现水的什么特性。在这里有一个小技巧需要你注意，当你往一杯水中加入另外一杯水中的水的时候，动作一定要慢，而且要仔细小心。

密度不要太高：贪婪的商人与拯救生命的巧妙工程[2]

在商船上做船员一直都是一种非常危险的工作。从古至今，有很多船只因为恶劣天气或维护不当而失事，此外，船员们还必须冒着被海盗袭击的风险（而在战时，商船往往会被敌军当作袭击的目标）。一名船员还会面临一些比较普通的危险，比如因为船上的意外而受伤甚至死亡，或者因为没有淡水和安全的食物而生病。

这种工作在19世纪变得更加地危险。在19世纪，商船的所有者普遍都给商船及其装载货物购买相关保险。在出海航行之前，商船所有者会根据商船及其装载货物的申报价格，向保险公司支付保费。如果商船没能够安全抵达目的地，商船的所有者可以获得保险赔偿——赔偿的金额与商船所有者之前申报的价格等同。

很多贪婪且不诚实的商船所有者会借机谋取利益。在申报的时候，他们会填一个虚假的数据，声称自己的商船及其装载的货物价值十分高昂，这个数据要比实际高出许多。所以，对于商船的所有者而言，商船沉没所带来的利益比商船安全到达所带来的利益要高一些。商船的所有者于是会故意让船超载（从本质上让商船密度过高），致使商船沉没。他们一点都不关心船上船员们的生命安危。这种做法在当时非常普遍，以至于在1873年到1874年短短一年间，从英国海岸线出发的船只就有400艘沉入海底，直接导致超过500名船员丧生。所以在当时，这些船被称为“棺材船”就一点也不奇怪了。

在19世纪70年代，英国议会的一名议员塞缪尔·普利姆索尔对商船所有者的这一行径表示非常担忧，他积极推动相关政策规定的出台，以保障商船船员的生命安全。他解决问题的办法非常简单，而且非常巧妙，时至今日，仍在发挥作用。普利姆索尔出台的规定要求，在每一艘商船的船身外侧都应当标注一条载重线。这条线，往往被标在船体上，标明了这艘船在保证适航的情况下，所能够承载的最大重量。

任何一艘船在出海之前，其承重线必须可见（即在水面之上）。通过实验，你也知道船上装载的货物越多，船身吃水就越深。承重线，又称普利姆索尔线使得任何不在船上的人都可以直观地了解船舶的货物装载情况，从而能够判断船舶是否超载，已经无法安全地完成航行任务。

也因此，普利姆索尔本人以及以其名字命名的这条承重线变得非常受欢迎（特别是在航海船员当中——而船舶的所有者则不太喜欢普利姆索尔），社会上出现了好几首关于普利姆索尔的歌曲。弗雷德·艾伯特在1876年创作的这首《为塞缪尔·普利姆索尔欢呼》便是当时的一个例子，以下是这首歌的歌词和中文大意：

So a cheer for Samuel Plimsoll and let your voices blend

让我们为塞缪尔·普利姆索尔欢呼，让我们的声音交织在一起

In praise of one who surly has proved the sailors’ friend

赞美这位向世界证明了自己是船员的朋友的伟人

Our tars upon the ocean he struggles to defend

他尽心竭力保卫着我们海上的水手

Success to Samuel Plimsoll for he’s the sailors’ friend

让我们祝塞缪尔·普利姆索尔取得成功，因为他是我们船员的朋友

There was a time when greed and crime did cruelly prevail

曾几何时，贪婪和罪恶曾残忍地占据了上风