小編得話
中國中學科學教育界的三劍客之特級班主任李子平老師，來了！本期公眾號，桂馨基金會和大科學家團隊傾情為您奉獻李子平老師《走向探究的科學課》專題講堂第1課《測量寬度和速率》。
新一年級科學課的第二單元就是《測量》，聽了李老師的講堂，對你們會有什么啟發和幫助呢？
專家介紹
李子平：桂馨科學課項目特聘專家，原北京市建委教研室綜合組教研員，原北京科學教育出版社《自然常識》、《科學》、《科學與技術》教材主編，學校中級班主任，全省知名特級班主任。
科學探究之“器”
諸位老師：
你們好！明天講堂的名稱稱作《科學探究之“器”》，這個“器”是哪些意思呢？雖然它就是科學和技術的結晶物，我們把它稱作“器”。
想一想，人類發覺自然界里有電，科學家探究它的奧秘，發明了電板，電能才得到了實際應用。這個電瓶就是“器”，它是技術的產物。100多年之中，經過不斷的改進，電瓶的種類越來越多，應用也越來越廣泛，手機、電腦、電子表、錄音機、攝像機、照相機……到處都少不了電板，電瓶成為現代人須臾不可缺乏的“器”。
在其他的行當里面，例如文化領域里面也有“器”。古時侯寫字用哪些寫呀？用樹葉在地上寫，之后發覺這塊巖石比那塊巖石軟一點，就拿去在巖壁上繪畫，做記號。之后發明了羽毛筆、鉛筆、鋼筆、毛筆、圓珠筆…..這也是“器”。
軍事領域里，裝備幾乎是決定戰爭勝負的關鍵。大刀箭矢打不過船只和槍炮，普通裝備打不過原子彈、氫彈，那也是“器”。科學家發覺了個別物質的科學規律之后，才會出現新型的裝備。所以我們說，“器”是科學與技術的結晶。
明天我想把這個“器”分兩部份來講，第一部份講在科學探究活動中的“器”，跟其他的“器”有哪些區別。
科學探究活動所用的“器”，其主要作用是在檢測這個領域。科學探究的范圍很大，我明天給你們介紹一些不太常見的“器”，講講怎樣用這種“器”做科學探究。
近來，國家科技部和教育部課程教材中心共同啟動了一個稱作《中中學探究學習與創新人才培養機制實驗研究》的課題，在全省范圍里舉辦。我參與了一所項目中學的課題研究，同時做中學科學探究學習案例的探求和開發。其中的感受和你們一上去切磋。
這所項目中學探究課的研究對象是民航航天科技，這個題目很窄，非常是航天。讓小女兒去探究一些航天的東西確實比較難，她們的市長很不簡單，他動員了該校全體的老師，不管你是英語、數學、思想品德課的老師，還是體育課，品社課，科學課的老師，全校總動員，你們想辦法，在半個多月里，開發出了適宜中學生探究的16個課題。
這種研究課題很巧妙，初看有點稀奇奇特，但是對培養兒子的創新能力是很有價值的，對我們科學老師的教學設計也極有啟迪。我幫助她們設計一些“器”來完成這種探究課題。
科學探究中用于檢測的“器”
檢測是探究技能里很重要的一部份，它的技能是你們都熟悉的如：觀察、排序，解釋數據、推理、比較、提出假定、預測、分類、使用變量、交流、調查、實驗、計算、建立模型等。
“測量”如何來定義呢？就是運用各類工具檢測一個物體或風波的大小、距離、時間、體積、面積、容積、重量和濕度等，同時還要學習使用檢測工具。（如尺子、秒表、量杯、量筒、彈簧秤、溫度計及各類傳感）。
對傳感老師們比較生疏。我明天會給老師們重點講一些用于檢測的傳感。
檢測寬度——輪式測距儀
1、測量寬度
我們明天要做的第一個功課就是來檢測厚度，在諸位的手中都有一張圖，要求你們檢測圖上的腰線的寬度，想一想用哪些工具來檢測它們的寬度呢？在我們的文具盒里面有一些工具，你們可以用它來試試，之后把檢測下來的結果用鋼筆寫在線的后面，你們一上去試試，好不好？（聽課老師分組進行檢測。）
盡量用文具盒里面的工具或材料，看上去檢測有困難的是那根曲線。
（小組匯報檢測結果。）
剛剛第二小組匯報了她們檢測的厚度以及用哪些工具測的。很非常的一點是她們檢測曲線的寬度，她們用一根線去量曲線的寬度，再把線剪短置于尺上檢測一下就測下來了。總的來說，還是那根曲線測上去比較麻煩，是不是啊?
既然有這個需求，我們是不是來做一個檢測曲線的“器”呢？你們想想看，在物理里面，哪些東西的寬度與它的半徑有直接關系？半徑定了邊長肯定是一定的，那是哪些啊？那是個圓。我們用紙做一個測距儀，很簡單。我們來看一下，我們手里有材料，有工具，最后做好的測距儀是這樣子的，老師們一看就曉得如何做的。
拿來制做測距儀的材料
那個小組來談談這個測距輪該如何做？就用文具盒里的材料來做。一個是圓珠筆，帶橡皮頭的鋼筆，一個圖釘，有膠帶和剪子，還有一張彩紙，里面有印好的三個圓，你瞧瞧這三個圓各有哪些好處？你們討論一下（討論后交流）。好，感謝那位老師。你們動手做吧。好多組早已做好了，想想做好了測距輪之后，第一件事應當做哪些？啊，檢測半徑，還有呢，是不是可以直接把它的邊長量下來？你們手上都有尺子，從零開始滾過去，看一下滾一周有多長，這樣就更直接，不用估算了。
我們剪的時侯會有些偏差，有些人剪在線的外邊，有些人剪在線的上面，所以最后滾一圈的厚度會有些差別，還有些老師可能剪得不太平整，有些坑坑凹凹的，所以還不如你就拿著輪，在尺子上從零開始滾過去，輪上有個記號，瞧瞧回到記號這里是多長。
我們為何要做這個活動呢？就是要讓諸位老師曉得，這是一種挺好的檢測曲線的方式。也就是說，用它來檢測曲線會很便捷。這樣的“器”現在早已有了。并且是個極其簡單的一個“器”，我如今給你們看一下。
李老師出示履帶測距儀
這個“器”就稱為履帶測距儀，目前美國應用的比較多，它的輪子轉一圈剛好是一米，這里有個計數器，歸零之后，你要檢測寬度的時侯，只要拿著這個柄推著走就可以了，請看，這段路是2.4米，這個測距儀用上去十分便捷。它的精確程度是一米以下，特別準的。它最大可以測到五位數，用在哪些地方呢？一個是用在農村檢測農地，一塊地面積有多大，多長、多寬就可以用它來測；之后就是交通警員檢測高速道路交通車禍的現場，例如車相撞了軌跡是一個圓弧，用尺子量可能有問題，就可以用這個去測；另外還有就是排線纜，從這里要排到哪個地方去，彎彎曲曲的，不曉得線該有多長，拿著它去測一下；據悉，還有運動場旁邊畫場地的時侯，籃球場長應當多少米，寬應當多少米，都可以用它去測。
明天我也想讓老師們來試一下，從這條線開始，推著測距儀繞著這個場子轉一圈，每位組派個人來做。為何要請你們都上來試一試呢？昨晚這個小組的老師早已講了，要精確地檢測，要提升精度，有個哪些辦法？求平均值，通常來說三次加上去減去三，平均數有了，精度就高了。采樣的次數越多，精度就越高。所以要每位組都派人來做一下。（各組派人測距。）之后老師們上課，也要盡量讓中學生動手來做。
老師們使用測距儀檢測彎曲小道的寬度
老師們看，我們用了電子表格手動求平均數，平均值是21.36875米，其實用不著如此高的精度，可以把前面的數值四舍五入，近似值是21米。這個彎曲的小道，沒有規定你走這么精確，有的老師偏出去一點，有的進來一點，都可以，我們取了九個樣，平均得下來的是這個數值。也就是說，我們檢測曲線可以采用這些技巧。這個器材應當說是挺好用的，很便捷。這里就反映了平均值的意義。你們可以瞧瞧這個曲線，在統計學里面稱作“正態分布曲線”。
檢測數據都集中分布在中間這一段，用物理的辦法，取它的平均值就就能得到比較精確的結果。中學語文里就有這個內容。
剛剛有位老師提出來，我們摩托車上的里程表是不是用的這個原理呀？就是它。明朝科學家張衡發明的記里鼓車，也是用這個原理制造下來的。也就是說，1900多年前，中國就有這樣的“器”。
我們騎著摩托車，開著車輛，大多數人并不曉得車上的里程表數值是如何來的。原理和我們的測距儀是一樣的。
古時的記里鼓車是為了檢測路的寬度，例如要曉得從京城到屏山這個地方路有多遠，就用馬或則人拉著這個車，它每走一里路有一個木頭人敲一下鼓，走了十里路呢測量平均速度教學設計，另外一個木頭人再敲一下鼓，記里鼓車旁有個人在記數，當時科技不發達，就是手工記的，記到最后，究竟走了多少路就可以得下來。
記里鼓車這個“器”就是科學與技術的結晶。這樣一個古時的機械，我們明天還在用。其實，隨著科學技術的發展，里程表也在不斷改進。譬如說曾經用蝸桿來推動計數器，如今有好多是感應式的，上面沒有蝸桿了，就是一個感應頭，它轉一圈數字跳一個，單車上、山地車上都用得好多。這種計數器都是感應式的，不是用蝸桿傳動計數，蝸桿傳動不論做得多么精致就會有些阻力，開車會倍感重，并且都會銹蝕，用感應的辦法就不會銹蝕，這是檢測路程的“器”。
檢測寬度——超聲波和激光測距儀
下邊我們介紹另一種檢測寬度的“器”，一個是超聲波的測距儀，一個是激光測距儀。激光測距儀檢測的距離可以長一點；超聲波檢測的距離會短一點。像這個激光測距儀就可以測到30米，我們來看一下。
激光測距儀
請看用這樣一個測距儀，測出從我這兒到前面墻壁的距離是7.7米。前面墻壁有一點紅的，就是激光發射的一個指示燈，看你瞄準得對不對。激光測距儀還有一個功能，測好之后你可以在里面估算面積。測了厚度，你只要按一下減號，再測長度，4.7米，這一塊的面積等于多少呢？33.96平方米；假如我要測這一塊的容積也可以，我把它翻過來置于地面上，測它的高，2.77米，你把昨天的面積除以這個數，就是這一塊的體積，很便捷吧。
像這樣的測距儀用著也很便捷。比方說路老師縱火箭的時侯，只要對著灰熊一照就曉得，哎呀，飛到30米高啦。就是尼克斯飛到70米高也能測到，它還能測得的最長距離是150米。
像這些測距方式，在那所研究民航航天科技的項目中學里如何用呢？中學生放飛的鵜鶘增長時有個降落傘，比較容易瞄準，中學生就對著降落傘測鵜鶘飛的高度。這似乎是一種挺好的科學方式的訓練，不一定測得多么準，就是要讓中學生曉得，現代科技有這樣的東西可以拿來測距離的，他在今后的科學探究活動當中，在生活當中還會想到用它。例如說你去買車子，這個房屋面積多大，進深多少，售樓材料寫的是否確切，那你就測好了，測了就可以判定里面的數據對不對呀，這個協議簽了是不是值得啊。
檢測寬度——數碼顯微鏡
還有一種檢測寬度的器械，是一個數碼顯微鏡，這個是測微小的距離的器械，我們可以來看一下，演示一下它可以如何測。
檢測微小距離的顯微鏡
顯微鏡我們你們都曉得，中學配備的中學生顯微鏡是生物顯微鏡，或則是大家在工具箱里看見的手持式的顯微鏡。
教育部配的那個中學生顯微鏡，光都是從下邊照上來的，我們把它稱作透射式的，標本是要透明的，例如動物的切塊呀，巖石的切塊呀等等，切得很薄，夾在玻璃片里，置于顯微鏡載物臺上，光從下邊照上來，透過標本。而這個測長焦的數碼顯微鏡是前面有光下邊也有光，何必將標本切薄就可以觀察。
我們主要講它的檢測功能。先來看一下（放映幻燈），例如我要測一元的硬幣里面那種“1”的寬度，測下來的寬度是1.42毫米；它還可以檢測圓，檢測角度，都可以。假如說我要測這個“Y”的角度，這個字大家都看不見，我們來看一下，角度是七十二度。
我們再來看一下這個60倍鏡下腕表的機芯。它好就好在光從里面照出來。我們可以用它來觀測各類材料，例如紙張和絨線的纖維，電路板上導線的長短，等等。
你們看，這是胡蜂的頭，我們可以檢測胡蜂的毒腺的厚度和粗細，還可以分辨字畫的真偽。
像這樣一些器械，用在我們科學課教學上是十分有利的，它除了可以觀測微小的事物，還可以拿來拍照，也可以儲存好多的資料，老師要上課也很便捷。
有所中學做了這樣一個研究，看臥室的抹布和便器蓋上那個的真菌多，結果是臥室抹布上的真菌要比便器蓋上的真菌還多。
臥室抹布上的真菌
這個是臥室抹布上的一個真菌群，很多中學生看到了都認為難受，如何這么多真菌哇。由于她們平常沒辦法見到它，它太小了。這個對面是一個打結的毛發，這個是頭虱，你看頭虱這么大，這個也是對中學生的衛生習慣的教育。
有些寬度單位我們接觸不到，并且關于寬度的故事或則距離的故事，會給我們帶來感動。下邊我就用幻kt板來描述一個寬度、距離抵達極至的令人驚訝的故事。
播放幻kt板《從鏡頭看世界》：
我們來進行一次高速的旅行，從一米開始，之后根據十的乘方降低，漸漸往起來進行宏觀世界的探求，祝你們一路順風。
這是從一米處見到的樹根；從十米上空見到的一片樹林；一百米，見到我們房屋的屋頂；一千米，十千米，這時城市早已很小了，看不清房屋了；這是一千公里，這兒聽到的是德國佛羅里成都的一個角，一萬公里，這是人造衛星上見到的，要離開月球了；十萬公里，看上去月球很小了，我在那里呀？一百萬公里，月球和月亮的運行軌道，紅色部份是月亮的運行軌道；一千萬公里，月球軌道的一部份；一萬萬公里，金星和月球的軌道；十億公里，水星、金星、木星和月球的軌道；一百億公里，這時我們能看見太陽系和行星運行的軌道；一千億公里，太陽系看上去顯得有點小了；一萬億公里，太陽看上去就是諸多星體中的一顆，就是紅框旁邊的那一顆，邊上都是星體；一光年，（光年是天文學里檢測距離的單位，光一秒鐘走30萬公里，光一年所走的距離就是一光年。在天文距離上用公里就沒辦法來統計了，數字太大了。）十光年，一百光年測量平均速度教學設計，在這個距離上我們早已在銀河系里面旅行了，你看漫天的星斗，我們還沒有出銀河系；十萬光年，開始接觸銀河系的外圍了；好，這就是銀河系，一百萬光年，從哪個距離我們看見的銀河系；一千萬光年，我們能夠往遠處走，可是，我們還是早點回去吧，回家了。宇宙是這么的廣闊，人類生活在月球上真是太渺小了，我們是誰？我們將去哪些地方？我們從何而至?這樣看了之后，我們的眼界也寬闊了，不要老看著我們眼前的生活上的一些事兒啊，經濟上的一些事兒啊，想想我們在自然界太渺小，我們要為小同學的科學教育而拼搏。
如今是往小的地方去，昨天是往宏觀的方向，如今是往微觀的地方去。一片枝葉，這是十分米的距離，我們看見的樹枝的樣子；再往上面，一個分米，我們才能看見它的結構了，葉脈呀等等；一個毫米，細胞組織開始顯露；十個微米，細胞內部結構；一個微米，細胞的核；這個是染色體了；這是埃米；一百埃，這是DNA的顯微相片，不是模型；十埃米；一埃，你們認清楚啦，這是一個碳原子；十個皮米，我們可以看見電子了；這是一個飛米；我們可以見到原子核；十個飛米，碳原子的原子核，一個飛米，才能看見質子。如今你想想，你是宇宙的中心嗎？看了這之后呢，我們對整個自然界有個比較深的了解，從檢測展開去，我們聽到了宇宙的還有物質內部的一些情況，都跟檢測有關，都跟我們的厚度單位有關。
（放映幻燈）厚度單位
檢測速率——風速計
2、測量速率
接出來我們再講一個“器”，就是檢測風速的，檢測風速現今有好多的用具，這里是一個便攜式的，適宜我們中學用的風速儀，它是一個用風力驅動的設置，我們看見這當中有一個像小電吊扇一樣的東西，假如有風的話，它都會轉上去，它不但可以測風速，還可以測溫度，或則說風溫。剛才我在空調風出口的地方測了一下，是7.9米|秒，風溫是24.8度，若果家里面或則是中學里買了空調、修了空調，是不是可以用它來測試風的大小？出口的風溫也可以測了。
檢測風速的風速計
如今“器”有了，我們探究的課題究竟是做哪些呢？我昨天說的那所實驗項目中學，以前用它來做風箏的探究。
中國唐朝的高官萬戶是世界上第一位航天人，他在一個桌子上，綁了兩個大風箏，在桌子上安裝了六十四個湖人，他坐在里面想飛上天去，結果摔得粉身碎骨。為了記念萬戶對航天事業勇敢的探求，地球上有一個環形山被命名為萬戶。
這所中學的老師們想到做風箏，研究關于風箏的科學問題。
下邊我們就來看一下她們如何來設計這個探究活動。項目名稱是“放風箏的科學”，所須要的器材有：風箏、風速計、一個強力吊扇。這個吊扇還要裝上一個檢波罩。為何呢？由于假如后面不裝檢波罩，下來的風會有些旋風，對我們的測試，對我們的探究會有些影響。在上面裝一個檢波罩，這個罩上面有一格、一格、一格，有大約如此長吧。風下來之后經過檢波，還會橫著吹，不會帶旋。目前主要是這三個器械。還要做什么事情呢，第一個，我們你們都曉得，風箏下邊這個細繩，就是拉住它的那根繩子，它和風箏的聯接點很有學問。太靠下了，迎角都會大，假如系在上面一點呢，迎角就比較小，假如再下呢，迎角就更大了，這三種不同的系繩的位置，三個迎角的大小是不一樣的，放在吊扇上面去做實驗，風速的大小，就拿剛剛那種風速計來測。不是要控制可變誘因嗎？控制風速，我改變系繩的位置，改變那種迎角，來看它是不是就能保持穩定，不會翻掉。
照理風箏是有尾巴的，為了簡約一點，圖上沒有出現尾巴。
這個研究風箏迎角的案例，中學老師早已試過了，就在普通電吊扇下試，還沒有用我昨天所說的那種強力電吊扇，療效還比較好。并且，有一個問題，就是風速一定要穩定，那就是要用風速計測試好以后來做，控制好一個變量。
探究的第二個問題，是風速和風箏能夠放飛的關系。這兒有風扇，風速不同，你看紅顏色的是強悍的風，這個是中等大小的風，這個是小點的風，角度都一樣，系繩的位置都一樣，之后看風箏在電吊扇前的穩定情況，風小時風箏肯定容易掉出來，由于風箏本身有重量；我預測強風其實沒問題；中等風可能會搖搖晃晃；低速風會掉出來，這是她們研究的第二個問題。
第三個問題，是風箏的重量和能夠放飛的關系，這就比較容易理解，假如風箏本身很重，其實放飛會有些問題；太輕或則說風箏的重心調整不好可能也會出現一些問題，老師們如今早已在做風箏，等我回家就開始做實驗。
我們把“器”和探究活動的案例結合上去，使實驗做上去更科學，更便捷，實驗的結果更確切。女兒們也會特別有興趣。
上期預告
李子平
《科學探究之“器”（二）》
檢測體溫、電流、聲音等
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