欢迎转载，须注明作者与来源（《自然科学博物馆研究》2019年第5期）
【摘要】
本教案以“足球中的伯努利原理与马格努斯效应”为主题，结合中小学《科学课标》的要求，在科技馆现场模拟足球场景并依托有关流体力学的展品和实验等资源，以体验式学习、多感官学习、情境教学和做中学为主要教学方法，以实验探究、角色扮演相结合的活动形式，以视频播放为辅助教学技术手段，从而实现“了解力作用于物体，可以改变物体的形状和运动状态”“液体压强与流速的定性关系”等教学目标。
【关键词】
科技博物馆；教育活动；伯努利原理；马格努斯效应
一、教学对象与学情分析
教学对象：
100
人，具体实验针对小学高年级和初中年级学生，表演针对所有观众。
学情分析：足球比赛中的“香蕉球”“落叶球”和“电梯球”等是很容易让学生产生兴趣的，但学生们难以理解其中的伯努利原理和马格努斯效应，也难以用所学知识去解释或判断生活中的相关现象。在小学高年级科学课和初中物理课已经学习了流速、常见力以及压强等概念，已经形成初步认知。小学生主要围绕“力作用于物体，可以改变物体的形状和运动状态”这一物理学概念开展学习活动，对“力”有了最基本的认知，做一些常见的摩擦力、弹力等实验，没有学过伯努利原理内容。初中生对于力、流速和压强的知识已有掌握，已在学校探究并了解流体的压强与流速的关系及其在生活中的应用。他们能运用课堂所学的伯努利原理知识来简单判断什么“香蕉球”，但对马格努斯效应不是很了解。
二、教学目标与教学难点
（一）教学目标
科学知识——理解“力作用于物体，可以改变物体的形状和运动状态”概念，了解流速与压强的概念以及两者之间的关系，了解伯努利原理与马格努斯效应，了解物体的运动可以用位置、快慢和方向来描述。
科学探究——通过“实验—验证”的方法来收集和分析足球的不同飞行方式，经过推理得出结论，并相互交流自己的探究结果和观点；初步了解从发现问题，做出判断到进行验证，最后得出结论的科学发现过程，在活动中运用该方法依据伯努利原理和马格努斯效应解释生活中遇到的实际问题。
科学态度——以培养学生科学素养为宗旨，倡导学生亲身经历以探究为主的学习活动，参加观察、实验、制作、调查等科学活动，培养他们的好奇心和探究欲，发展他们对科学本质的理解，使他们学会探究解决问题的策略，为今后的学习生活打下基础；通过实践来发现问题，并再次通过实践过程验证、判断所做探究方案是否可行，最后通过实践检验。培养学生的科学实证精神以及科学的方法论和价值观。
科学、技术、社会、环境——了解伯努利原理和马格努斯效应在日常生活中的应用及其对人类生活以及交通的影响，了解社会需求是推动科学技术发展的动力，了解科学技术已成为社会与经济发展的重要推动力量。
（二）教学重点与难点
教学重点——运用“力可以改变物体的形状和运动状态”等所学知识，在理解流速和压强关系的基础上，解释伯努利原理和马格努斯效应。通过“香蕉球”和“落叶球”实验再次验证、解释伯努利原理。学会用科学发现的规律和过程进行实验探究，从而解决实际问题。
教学难点——让学生理解“香蕉球”和“落叶球”的飞行过程并与流速和压强的概念相关联，区分伯努利原理与马格努斯效应的相同点和不同点。理解力、流速、压强之间的关系，运用伯努利原理解释生活中其他类似的科学现象。遇到问题时，会运用所学知识进行判断、验证。
三、教学场地、教学准备、活动时间
教学场地：多功能报告厅
教学准备：计算机、显示屏、实验以及表演器材（见表
1
）
活动时间：本教育活动在科技馆所有开放日进行，总时长为
1
小时。
四、教学过程
第一阶段：情境导入有奥秘
阶段目标：通过参与踢球、观看足球比赛视频，思考自己踢出的足球为什么无法越过“人墙”，认识“香蕉球”和“落叶球”。
学情分析：学生模仿能力很强，善于表现自己，很愿意参与踢球活动。但对足球为什么能越过“人墙”不清楚，有的学生说出“香蕉球”，但不清楚“香蕉球”和“落叶球”的原理，对足球的认知还停留在“间接经验”中。
设计意图：从“球星踢出的球为什么会拐弯”出发进行情境设计，通过悬念和好奇心激发学生学习探究欲望，引发学生自觉参与学习活动的积极性。
教学策略：通过学生的参与和实践了解，踢出绕过人墙的球很不容易。再观看足球世界杯视频并引导其观察球的运动轨迹，与此前学生踢球的实践形成强烈的对比。通过“认知冲突”进行“问题导入”。通过创设世界杯赛场情境，让学生在丰富、有趣的活动情境下进行学习。让学生从感兴趣的角度切入，在特定的气氛中积极主动地模仿以及尝试。
教师活动：
1.
邀请学生参与射门（无人墙），享受进球乐趣。
2.
设置人墙，引导学生想办法越过“人墙”进球。
3.
思考：为什么没有办法越过“人墙”踢进去？
4.
观看世界杯精彩进球，看足球运动员是如何做到越过“人墙”进球。
5.
观察视频中运动员踢出的足球的运行轨迹，为什么这样的线路可以使足球飞进球门？引发对比，学生可以联系生活进行大胆猜测。
第二阶段：实验探究知原理
阶段目标：小组合作设计一个科学实验来观察、分析生活中的科学现象（第一阶段的踢球和视频）并发现其中的关键现象。
学情分析：经过第一阶段的活动，学生们非常兴奋和激动。他们了解了什么是“香蕉球”，但不知道球为什么会这样飞行。学生们一下子从“足球场”转入“科学实验”稍有不适应，教师要逐渐引导大家尝试思考。
设计意图：用探究式的科学问题，激发学生对伯努利原理条件及其特点的思考，考验学生观察、对比、思考的综合能力。用实验的方法展示伯努利原理、马格努斯效应的特征，使复杂的原理形象化，便于学生理解。
教学策略：
1.
学生自主进行实验组合，通过多个探究实验，是否可以得出统一结论。
2.
设计实验、演示、观察、体验的环节，设计一些不同形状物体、不同气流量、不同气流方向的对比演示或体验，在演示或体验之前让学生先发表对于实际效果的预判，并进行讨论。
3.
让学生提出利用不同形状物体、不同气流量、不同气流方向的设想，发表对于实际效果的预判，并进行讨论。
教师活动：
1.
提出问题：活动第一阶段中，学生踢出不会拐弯的球是用什么方式踢的？球是如何运动的（通过足球的花纹判断球的旋转）？视频中运动员是怎么踢球的？球是怎样运动的？
2.
根据“球的旋转对球在空气中运动轨迹的影响→空气对球产生的力”这一问题的提出，准备相应的实验道具。请学生在进行实验前先说明对实验效果的预判并讨论，分组探究，尝试得出科学结论：“不同的空气流动对物体产生不同的力并导致物体不同的运动状态”。同学们在进行实验之前先发表对实验效果的预判并讨论，分组探究，观察结果并尝试得出科学结论。
实验一：风机吹纸
实验道具：
A4
纸、
A3
纸、吹风机。
教师活动：这些实验道具可以完成哪些实验测试？
学生活动：
1.
用吹风机吹纸张，观察纸张的运动情况（见图
1
）。
2.
增加纸张数量，横竖放置，观察纸张的运动情况。
3.
将纸张折叠，再观察吹风机吹纸张的现象。
4.
将纸张平行放置，分别向左中右三个方向用吹风机吹，观察纸张的运动效果。
教师活动：根据学生对实验效果的预判，先进行讨论，教师不做评价。通过学生亲身体验和实验的验证结果来证明实验前提出的预判是否正确，并进行分析。再次引导学生验证准确的实验结果并尝试得出实验原理。
结论
1
：等大的纸张平行放置，打开吹风机，纸张吸到一起。
结论
2
：不同大小的纸张平行放置，打开吹风机，纸张吸到一起，但效果和等大的纸张不同，尺寸小的纸张被吸到尺寸大的纸张上。
实验二：跃动的小球
实验道具：吹风机、鼓风机、乒乓球、饮料瓶、灯泡、气球、方形纸盒、电子秤。
学生活动：
1.
鼓风机（功率大、气流速度快）和吹风机（功率小、气流速度慢）产生的气流吹起的物体不一样。
2.
吹风机可以把轻的物体（乒乓球）吹起来，吹不起来重的物体（灯泡）。
3.
吹风机可以把小的物体吹起来（乒乓球），吹不起来大的物体（灯泡、饮料瓶）。
4.
不同的气流方向可以吹的物体不一样。
5.
吹风机可以吹起来不同形状的物体，如圆弧形的，吹不起来方形的纸盒子等等。
学生提出不同气流量、不同形状物体、不同气流方向的想法，说明自己设想的观点和预判并进行讨论，教师不做评价。学生再次通过做实验来验证自己的观点和预判，如果错误，分析原因是什么，如果验证正确，尝试得出实验原理（见图
2
）。
对比实验：用质量和大小不同的方形纸盒、饮料瓶、灯泡、气球，由学生自行选择实验物品进行分组实验。可能出现的实验如下：
实验
1
：吹风机吹乒乓球
实验
2
：鼓风机吹乒乓球
实验
3
：鼓风机吹饮料瓶
实验
4
：鼓风机吹灯泡
实验5：鼓风机吹方形纸盒（失败）
实验6：吹风机吹气球
探究结论
1
：不同大小的气流可以悬浮的物体不同。
探究结论
2
：同样重量的物体，圆弧形的物体比有棱角的物体更容易悬浮。
探究结论
3
：物体能否悬浮与形状有关，与质量无关。
探究结论4：物体的悬浮都跟气流有关。
教师活动：这么些实验揭示的科学原理是什么？同学们的答案很接近实际的真相。
第三阶段：足球飞行“道明白”
阶段目标：结合第一、二阶段的实验，运用气流（流速、力、压强）知识以及伯努利原理与马格努斯效应，来尝试解释“香蕉球”和“落叶球”飞行的原理。
学情分析：学生通过前两个阶段的学习，对本活动有了更浓厚的兴趣。尽管他们进行了观察、对比和分析等，但是一部分学生并没有把实验观察到的关键现象和“香蕉球”“落叶球”联系起来。这一阶段，注意结合之前的实验进行对比，并解释“香蕉球”“落叶球”飞行的原理。同时注意学生反馈，及时补充知识点。
设计意图：通过对比、现场足球演示的方式，引导学生思考、分析，把“香蕉球”和“落叶球”这些现象中具有规律性的东西分析总结出来：如何通过气流影响物体的运动状态，流速和压强的影响怎样在球飞行的过程中表现出来。
教学策略：分析实验现象，结合足球的运行轨迹，请学生尝试利用伯努利原理和马格努斯效应来解释我们看到的足球飞行路线。引导学生利用所学原理尝试新的小实验，对比解释“香蕉球”和“落叶球”的飞行过程。
教师活动：让学生们在观察第二阶段实验中的现象后，听取教师指导建议，掌握其中的科学原理，并结合世界杯赛场中的“香蕉球”和“落叶球”，尝试解释“香蕉球”和“落叶球”越过“人墙”的原因。
1.
了解第二阶段实验中蕴含的科学原理。
在不可压缩的流体中，流速大的地方压强小，流速小的地方压强大，这就是伯努利原理。
活动引导：利用伯努利原理来解释“香蕉球”越过“人墙”的原因。
根据
伯努利定理
，流体速度增加将导致压强减小，流体速度减小将导致压强增加，这样就导致旋转物体在横向的压力差，并形成横向力。在这个横向力的作用下物体飞行轨迹发生偏转的现象称作
马格努斯
效应。同时由于横向力与物体运动方向相垂直，因此这个力主要改变飞行方向，即形成物体运动中的向心力，因而导致物体飞行方向的改变。
2.
根据原理尝试解释“香蕉球”（见图
3
）和“落叶球”（见图
4
）的飞行轨迹。
“香蕉球”，因为球的运动轨迹是弧形的，类似香蕉形状，因此得名“香蕉球”。在“香蕉球”飞行过程中，足球存在水平方向的旋转。而“落叶球”飞行过程中，足球则存在垂直方向的旋转，类似乒乓球中的弧圈球。如果前进的球体同时向前旋转，这个球达到最高点后会急速下坠，弧度比正常的抛物线大。
物理学对此类现象的解释为：球的一侧，旋转产生的气流和飞行中相对气流的方向相同，气流速度加快；另一侧，旋转产生的气流和飞行中相对气流的方向相反，气流速度减小。两侧气流相对球的速度不同，会形成压力差。气流速度小，压强大；气流速大，压强小。这个时候，会产生一个从高压区指向低压区的力（见图
5
）。旋转的足球在飞行中受到这个力的影响，会有明显的偏转，从而形成弧线轨迹。这就是马格努斯效应（见图
6
）。
第四阶段：加强验证“做中学”
阶段目标：
通过前三阶段的活动，让学生根据自己的理解动手制作会飞的“落叶球”和气球圈，在“做中学”的过程中再次强化对伯努利原理与马格努斯效应的认知。
学情分析：学生通过“足球赛场—实验探究—原理解释”的过程对伯努利原理和马格努斯效应有了初步理解，但印象不够深刻。他们需要再通过几个相关小制作，在自己动手的过程中加深对其原理的理解，并进一步利用伯努利原理解释生活中的现象，对学到的知识加以巩固。
设计意图：通过“做中学”的形式加深理解，把所知的“间接经验”转化成“直接经验”。这一过程既是判断、设计、发表、交流的过程，也是探究的过程，而且是“实证”的过程。学生们不是通过教师的说教而被动接受，而是通过亲身实践的经历来体验和感受，再次加强对伯努利原理和马格努斯效应的认知。
教学策略：纸杯、皮筋、气球等物品制造悬念，引发学生的好奇，进而去动手制作了解其中蕴含的科学道理，印象会更加深刻。同时小组分享合作学习的实验过程，在合作中提升团队意识。
教师活动：根据学生所掌握的原理，进行探索性深度实验，与学生一起完成会飞的“落叶球”和气球圈制作，加深对伯努利原理以及马格努斯效应的认知。
学生活动：提出问题
1.
用手扔出纸杯，纸杯是如何飞行的？
2.
如何让纸杯像“落叶球”一样飞行？
3.
是否可以借用道具，让纸杯飞行得更远？
4.
扔纸杯的力量大小是否有关系？
5.
扔纸杯的方向是否有关系？
6.
是否能改变纸杯的旋转？
7.
纸杯数量的多少和连接方法对飞行有没有影响？
学生提出问题后，根据所掌握的原理，自我进行预判与验证，通过实验验证，理解实验原理，进而掌握马格努斯效应。
教师活动：安排小组实验制作——制作会飞的“落叶球”
1.
将橡皮筋连接起来（建议
9~12
根）。
2.
将两个纸杯的杯底对齐，用胶带固定。
3.
用连好的橡皮筋缠绕在“朝鲜鼓”中间。
4.
固定缠绕好的橡皮筋，剩余一部分，拉长。
5.
不要松开橡皮筋，将杯子松开，连在一起的杯子就发射出去了。
学生活动：提出问题
1.
气球圈能被吹起来吗？
2.
气球圈会不会被吹跑？
3.
气球圈的连接方式和重量对其能否被吹起来有什么影响呢？
4.
不同的气流量对气球圈的悬浮有什么影响？
5.
不同的气流方向对气球圈能否被吹起来有何影响？
学生提出问题后，根据所掌握的原理，进行自我预判与验证，通过实验验证理解实验原理，进而掌握伯努利原理。
教师活动：安排小组实验探究制作——会飞的气球圈
