宁波海曙：2019STEM项目作业案例（二） 简易吸尘器 宁波市海曙外国语学校 周佳甜

项目作业——制作简易吸尘器

周佳甜 宁波市海曙外国语学校

一、问题与聚焦：

（1）老师出示图片（如图1）：生活中你们有没有这样的困扰？比如家里、车里经常有一些不好打扫的垃圾：掉落在地上的头发、瓜子壳、小纸屑，以及难以找到或扫进畚斗的缝衣针；电脑键盘上覆盖的细小的灰尘等。

生1：我在家里经常见到，我和妈妈梳头发时经常会掉很多头发，妈妈好不容易用扫把把头发都清扫掉，头发又牢牢粘在扫把上很难取下来。有时候床、柜子和墙的缝隙间也有头发很难清扫，常常需要我们搬动床和柜子才能清扫，很费劲费时。

生2：我在家里也见过，有些碎纸屑像粘在地上一样很难用扫把清理掉，有时刚扫进畚斗下一秒又被扫把带到地面了。

生3：我们家的电脑键盘上有好多灰尘，尤其是按键间的缝中灰尘更多，清理起来需要很长时间。

生4：我外婆缝衣服时经常会掉落缝衣针，每次都很难找到。缝衣针用扫把扫又很难扫进畚斗，我又怕它留在地上万一刺伤外婆，所以每次我都要帮她找好久。

生5：我爸爸的车里经常会有一些灰尘和细小的垃圾，有时候垃圾掉在座位底下或者细小的缝隙里就很难捡出来。

其他同学也纷纷表示生活中的确遇到过这样的困扰，更有很多孩子对爸爸、妈妈等长辈清理难打扫的垃圾时的辛苦表示心疼，想要帮忙分担。

（2）此时老师向学生提问：“那如何帮长辈们清理这些不好打扫的垃圾，你们有什么好办法？”

生1：“我觉得可以做个多功能的吸尘器，既可以方便地清理头发、瓜子壳、小纸屑、灰尘，还能吸起缝衣针。”

同学们都很赞同生1的想法。

（3）那如何来制作多功能的吸尘器，使它既可以吸起头发等细小的垃圾，又能吸起缝衣针呢？学生们都面临着这样一个问题。

二、调查分析和活动体验：

在探究此项目前，学生很早已完成电路单元的学习，他们已经掌握了一些关于电路方面的知识，知道如何连接简单电路，并且了解了串联、并联这两种连接方法组成的电路。此外，学生刚刚完成了六年级上册第3单元《能量》单元的学习，对电磁铁、小电动机、各种电池、电能和能量等方面的内容都非常了解。

1.体验生活中的吸尘器

教学目标：用吸尘器清理垃圾，熟悉生活中的各种吸尘器。

器材（如图2）：立式吸尘器、卧式吸尘器、手持吸尘器。

图2

优点：通过使用可以发现，三种吸尘器都能较方便地清理地面上的头发、纸屑、灰尘等垃圾。手持吸尘器体型小巧且一般都为无线设计，适合清理床铺和沙发。立式吸尘器收纳方便，使用方便，比卧式吸尘器占用地方小。卧式吸尘器容尘量大、吸力大。

缺点：卧式吸尘器体积有些过大，比较笨重，摆放和携带不是很方便，且因为卧式吸尘器常是有线设计，线缆长度会限制其清洁的范围。立式、卧式吸尘器因其体积较大较难清理沙发、床脚、门窗轨道、键盘、书架等边角、细缝里的角落垃圾。手持吸尘器吸力较弱。

本节课通过对吸尘器的使用体验活动，让学生了解生活中的吸尘器，使他们对吸尘器有感性的认识，为后续学习打下基础。

2.收集资料，了解吸尘器的发展历史、基本构造、工作原理

教学目标：调查了解吸尘器的发展历史、，知道基本构造、工作原理。

请学生通过翻阅书籍、网上搜索、询问长辈和老师（历史老师或语文老师或科学老师）等途径调查了解吸尘的发展历史、基本构造、工作原理，并在全班进行分享交流。

学习资料：

（1）吸尘器发展历史：

1901年，英国土木工程师布斯到伦敦莱斯特广场的帝国音乐厅参观美国一种车箱除尘器示范表演。这种吸尘器用压缩空气把尘埃吹入容器内，布斯认为此法并不高明，因为许多尘埃未能吹入容器。后来，他反其道而行之，用吸尘法，布斯作了个很简单的试验：将一块手帕蒙嘴巴和鼻子上，用口对着手帕吸气，结果使手帕附上了一层灰尘。于是，他制成了吸尘器，用强力电泵把空气吸入软管，通过布袋将灰尘过滤。

1901年8月布斯取得专利，并成立了真空吸尘公司，但并不出售吸尘器。他把用汽油发动机驱动的真空泵装在马车上，挨户服务，把三四条长长的软管从窗子伸进房间吸尘，公司职工都穿上工作服。这是后期吸尘器的前身。

1902年布斯的服务公司奉召到西敏斯大教堂，把爱德华七世加冕典礼所用的地毯清理干净。此后生意日益兴隆。1906年布斯制成了家庭小型吸尘器，虽名为 “小型”，但吸尘器却重达88磅（1磅=0.4536千克），因太笨重而无法普及。

1907年美国俄亥俄州的发明家斯班格拉制成轻巧的吸尘器，他当时在一家商店里做管理员，为了减轻清扫地毯的负担，制成了一种吸尘器，用电扇造成真空将灰尘吸入机器，然后吹入口袋。由于他本人无能力生产销售，1908年把专利转让给毛皮制造商Hoover。当年Hoover便开始制造一种带轮的“O”型真空吸尘器，并开始大规模生产这种吸尘器，并为此成立了Hoover公司，销路相当好，这种最早的家用吸尘器设计比较合理，发展到如今也无太大原理上的改动。

1910年，丹麦“Fisker& Nielsen”公司（现为力奇先进）出售第一台Nilfisk C1真空吸尘器。重量约17.5公斤，但由于可以单人操作，在当时，大受市场好评。

最早设计的吸尘器是直立式的。1912年瑞典斯德哥尔摩的温勒·戈林发明了横罐形真空吸尘器 ，由此成为真空吸尘器的创始者。吸尘器至今有150多年的历史。

（2）吸尘器基本构造：进气口、圆筒、风扇、电动马达、排气口等，如图3所示。

图3

（3）吸尘器工作原理（如图4）：风机叶轮在电动机的高速驱动下，使吸尘器内部空气排出形成瞬时真空，在外界大气压作用下，吸嘴近处的垃圾与灰尘随气流进入吸尘器，经过过滤器过滤后再排出，至此完成了整个吸尘全过程。

图4

3.动手做一做，制作一个吸尘器

教学目标：（1）通过体验制作简易吸尘器，了解制作和使用简易吸尘器时会遇到的问题。（2）通过实验，知道电动机与电池正负极的连接方式会对吸尘器“吸尘”还是“吹风”效果产生直接影响。（3）通过实验，了解影响自制简易吸尘器吸纸、吸尘效果的因素。（4）通过实验，知道电磁铁可以帮助简易吸尘器吸缝衣针，并且了解电磁铁对吸尘器吸缝衣针效果好坏的影响因素。

3.1初次体验制作、使用简易吸尘器

制作材料：塑料瓶、导线、风扇叶、电池盒、电池、小电动机、木棒、双面胶等。

制作方法：去掉塑料瓶底部，将导线、电池、马达连接成简单电路并用双面胶安装在塑料瓶上，马达在塑料瓶内部底部这端，将扇叶安装在马达上对着瓶口处。一个简易的吸尘器（如图5）就做成了。

（1）学生们利用材料尝试着制作简易吸尘器，通过小组合作完成制作任务后，学生们尝试着用自制的吸尘器去清理纸屑、缝衣针。

（2）师：你们在制作和使用简易吸尘器时遇到了什么问题吗？

生1：我们发现制作好的吸尘器根本吸不起纸屑，反而会把纸屑吹跑了。

生2：我们发现我们的吸尘器吸取纸屑、灰尘的效果不好，只能吸起一两片纸屑和少量灰尘，而缝衣针根本没法吸起来。

生3：我们发现我们的吸尘器吸取纸屑的效果倒是很好，所有的纸屑都能在很短时间内清理完，但就是吸不起缝衣针。而且要停止吸尘器的工作我们需要取出电池，不是很方便，如果连接入一个小开关就会方便很多了。

生4：我们发现我们制作的吸尘器也是只能比较好的清理纸屑，不能吸起缝衣针，而且我们在使用吸尘器时感觉手拿着不太方便，可能是我们在瓶子上安装电池、导线的位置不太合适。

学生们纷纷提出了自己在初次尝试制作和使用吸尘器的过程中遇到的一些问题和感受。

（3）师：同学们都提出了自己在制作和实际使用简易吸尘器时的困惑，我们总结一下，同学们遇到的大概是以下几个问题：①吸尘器不能吸垃圾反而是吹垃圾；②吸尘器吸纸屑的能力不够强；③吸尘器不能吸起缝衣针；④在使用吸尘器时手握吸尘器不方便。⑤自制简易吸尘器不够美观。

3.2研究电动机与电池正负极的连接方式对吸尘器“吸尘”还是“吹风”效果的影响

准备材料：具有吸尘、吹风效果的两种自制简易吸尘器。

（1）师：为什么有的同学制作的吸尘器不是吸尘，反而是出现吹风现象呢？

生1：是不是与扇叶的转动方向有关？

师：那如果是和扇叶转动方向有关，该怎样改变扇叶的转动方向呢？

生2：我觉得扇叶是和小电动机连接着的，要改变扇叶的转动方向，应该是改变小电动机的转向。

学生们都赞同地点点头。

（2）师：那如何改变小电动机的转向呢？

生3：改变电流方向和磁铁南北极可以改变小电动机的转动方向。

生4：我觉得改变小电动机里磁铁的南北极比较麻烦，直径通过改变小电动机与电池的正负极连接方式来改变电流的方向，从而改变小电动机的转向，这个最方便，且也可以达到效果。

很多学生表示赞同生4的想法。

（3）实验验证：跟换简易吸尘器中小电动机与电池正负极的连接方式，发现“吹风”效果的吸尘器可以吸尘，吸尘效果的吸尘器变成了“吹风”效果。

师：说明了什么？

生讨论后小结：小电动机与电池正负极的连接方式是导致简易吸尘器是“吸尘”还是“吹风”的重要因素。改变小电动机和电池的正负极连接符方式，可以使原本“吹风”效果的吸尘器“吸尘”。

3.3研究吸尘器吸纸、吸尘效果的因素

师：大家在尝试使用自制的简易吸尘器时，发现很多吸尘器的吸纸、吸尘效果不太好，只能吸起少量的纸片，吸尘时速度也很慢，你们觉得可能是什么原因导致的呢？什么因素会影响吸尘器的吸纸效果呢？

学生小组讨论后进行全班交流。

生1：我们组认为是不是自制吸尘器的瓶子太长了，导致扇叶和吸尘口距离太远，所以吸纸、吸尘效果不好。我们组猜测吸尘器的吸纸、吸尘效果可能和吸尘器的瓶身长短有关。

生2：我们组认为吸尘器吸纸、吸尘效果不好可能是电池电量不够足。如果增加电池数量可能可以提高吸尘器的吸纸、吸尘效果。

生3：可能小电动机的转速不够快，所以吸尘器吸纸效果不太好。因此我们组觉得吸尘器的吸纸、吸尘效果可能与电路中的小电动机的种类有关，有的类型的电动机转速快，连接在电动机上的风扇风力大，清理效果会好些；有的类型的电动机转速慢，连接在电动机上的风扇风力比较小，所以不容易清理纸屑和灰尘。

生4：我们组认为可能是扇叶不够大，所以吸尘器吸纸屑和灰尘效果不好。吸尘器的吸纸、吸尘效果可能和扇叶大小有关。

3.3.1比较瓶身长短对吸尘器吸纸、吸尘效果的影响

准备多种不同造型的矿泉水瓶、饮料瓶，且每款瓶子也按瓶身由长到短准备多份。

（1）师：刚才有同学提到，导致简易吸尘器吸纸、吸尘效果不佳的原因可能是瓶身太长。那怎么研究才能确定瓶身长短是否是影响简易吸尘器清理纸屑和灰尘效果的因素呢？研究时又需要注意什么呢？

生1：可以在瓶子去底处理时，保留不同长度的瓶身，长度从1厘米开始由短到长每间隔1厘米保留一个该瓶身长度的瓶子，然后用这个吸尘器去吸同样多的纸屑和灰尘，看清理的效果。

生2：我要补充，吸尘器使用的电动机、扇叶都要一样。

生3：我也要补充，还要保证电池种类和数量一样，保证除了瓶身长度以外的其他条件都相同。

生4：研究瓶身长短对吸尘器吸纸、吸尘效果的影响时要同一款瓶子做的吸尘器进行对比。

（2）实验验证：用其他条件都相同，而瓶身长度不同的同种瓶子做的吸尘器进行吸纸、吸尘比赛，发现一般吸尘器瓶身长度在15厘米-16厘米之间吸纸效果最好，且要达到最好的清理效果，不同造型的瓶子需要的长度也不一样。

师：实验现象说明了什么?

生讨论后总结得出：瓶身长短的确会影响简易吸尘器的吸纸、吸尘效果，我们一般把瓶身长度控制在15厘米到16厘米这个范围内比较好。且要达到最好的清理效果，不同形状的瓶子所需瓶身长度不一样。

3.3.2比较电池数量对吸尘器吸纸、吸尘效果的影响

准备多节5号干电池、自制吸尘器等材料。

（1）师：刚才也有同学提到，导致简易吸尘器吸纸、吸尘效果不佳的原因还有可能是电池数量不够多，电量不足导致吸尘器的吸力不够。那我们应该怎样来研究电池数量对吸尘器吸纸、吸尘效果的影响呢？

生讨论后得出：用同一个吸尘器进行对比实验。第一次在吸尘器的电路中串联入1节5号干电池，看吸尘器吸纸屑和灰尘的效果。第二次，在电路中串联入2节同样的5号干电池，然后用吸尘器去吸第一次实验时使用的纸屑和灰尘，看清理效果。第三次，在电路中串联入3节5号干电池，看吸尘器去吸同样的纸屑和灰尘时的效果。最后比较三次实验的吸尘器清理效果是否一样。

（2）实验验证：学生依次在同一个吸尘器的电路中串联入1节、2节、3节5号干电池，并用吸尘器去吸同样的纸屑、灰尘。实验发现吸尘器的电路中串联入的电池数量越多，吸尘器的清理效果越好。

师：说明了什么？

生：电池数量对吸尘器吸纸、吸尘效果的确有影响，电路中串联入的电池越多，清理效果越好。

师提醒：当然，实际使用时也要注意小电动机的最大工作电压，电路中串联入的电池数量太多会导致小电动机损坏。

3.3.3比较电动机种类对吸尘器吸纸、吸尘效果的影响

准备转速（每分钟转动圈数）不同的不同种类的小电动机（如图6）。

图6

（1）师：有同学们提到，电动机因为种类不同会导致其转速不同，从而影响电动机上连接的风扇风速不同，纸屑、灰尘吸起效果不同。那电动机的种类是否是影响吸尘器吸纸效果的因素呢，该怎么研究？要注意什么？

生讨论后得出：将每分钟转速不同的不同种类的电动机连接入同一个吸尘器的电路中，保持连接入电路的电池种类、电池数量、纸屑、扇叶大小、瓶子形状、瓶身长短等所有其它条件保持不变，看吸尘器吸纸、吸尘效果是否一样。

（2）实验验证：将不同种类的小电动机连接入同一个吸尘器的电路中，其它条件都保持一样，观察清理效果。实验发现：转速快的电动机风力的确大一些，清理纸屑、灰尘的效果也更好一些。

（3）师：实验现象说明了什么？

生：电动机的种类的确也是影响吸尘器吸纸、吸尘效果的一个因素，将转速快的这类电动机连接入吸尘器后，吸纸、吸尘效果会更好些。

3.3.4比较风扇叶大小对吸尘器吸纸、吸尘效果的影响。

准备大小不同的风扇叶（如图7）、1个自制简易吸尘器。

（1）师：关于扇叶大小是否会影响吸尘器的吸纸、吸尘效果，大家觉得可以怎样来研究？

生讨论后得出：可以进行对比实验，在其它条件都相同的情况下，将大小不同的扇叶分别安装在同一个小电动机上并连接入同一个吸尘器的电路中，再比较吸纸、吸尘效果。

（2）师：大家猜测一下，哪种清理纸屑和灰尘的效果会好些？

学生猜测：扇叶大的可能会更好些。

（3）实验验证：把大扇叶和小扇叶分别安装在同一个小电动机上并连入同一个吸尘器的电路中，观察吸尘器吸纸、吸尘效果，发现在电动机上安装大扇叶时吸尘器清理效果更好些。

（4）师：实验现象说明了什么？

生：扇叶大小的确是影响吸尘器吸纸、吸尘效果的一个因素。

（5）师：但在实际选择使用的扇叶时还需要注意什么？

生讨论得出：要根据实际的瓶子大小选择扇叶，扇叶的直径要稍小于瓶身的直径，不然会影响扇叶的转动，从而影响吸尘器的吸纸、吸尘效果。

3.4吸尘器吸引缝衣针的研究

师：我们全班同学自制的吸尘器都遇到了下面这个问题，就是吸尘器无法吸起缝衣针，你们觉得可能是什么原因？

有同学提出：我们试了很多次，即使当简易吸尘器吸力已经达到最大，吸尘器依然吸不起缝衣针，所以我们觉得我们自己做的吸尘器之所以吸不起缝衣针是因为其本身动力的限制，它不像我们家用的连接220伏电压的吸尘器动力那么足。

师：那能否利用我们刚学的《能量》单元的知识来解决这个问题，让我们自制的简易吸尘器也能吸起缝衣针或清理缝衣针类的细小的铁质垃圾呢？你们有什么好办法？

因为刚学过六年级上册第3单元《能量》单元，学生们一下子就想到可以用电磁铁来帮助简易吸尘器清理缝衣针。

3.4.1研究电磁铁磁性有无对吸引缝衣针效果的影响

（1）师：那如何借助电磁铁来清理缝衣针呢？

生：我们可以在吸尘器的小电动机的电路中串联连接入一个电磁铁，电路通的时候电磁铁可以吸起缝衣针，电路断的时候缝衣针会从吸尘器中掉落，从而可以方便的清理缝衣针。

（2）实验验证：在吸尘器的小电动机的电路中串联连接入电磁铁后，电磁铁的电路通时吸尘器吸起缝衣针，电路断时缝衣针自动掉落。

（3）师：实验现象说明了什么？

生：利用电磁铁的确可以清理缝衣针。

3.4.2关于解决电磁铁使用时会发烫的问题研究

（1）师：你们在实际使用电磁铁帮助吸尘器清理缝衣针时有遇到什么问题吗？

生1：电磁铁电路接通时间久后很容易发烫，手握的时候会烫手。

生2：我们的电磁铁吸引缝衣针的力量好像不够大，电磁铁刚吸起缝衣针还没来得及转移到垃圾桶，缝衣针就掉了。

（2）师：针对同学们提出的实际使用时遇到的问题，我们一个个来解决。先来看关于电磁铁发烫而烫手的问题，我们可以怎么解决？

生1：我觉得电磁铁发烫烫手了是因为电磁铁使用时间过长了，当电磁铁串联在小电动机的电路中时，只要吸尘器在吸纸屑、灰尘等垃圾时电磁铁也是在工作的，电磁铁的工作时间就比较长，很容易发烫。我觉得应该将电磁铁的电路和小电动机的电路并联，这样如果吸尘器单单是吸纸屑、灰尘类的垃圾，就不需要接通电磁铁的电路，电磁铁就可以休息了，等需要吸尘器清理缝衣针了再接通电磁铁的电路，清理完就断开电磁铁的电路，这样电磁铁就不容易发烫了。

生2：我们组赞同这个想法，而且我觉得电磁铁的电路和小电动机的电路并联的话，电磁铁上的电压比当电磁铁和小电动机串联时得到的电压更大些，电磁铁的磁性也更强一些，能更好的清理缝衣针。

生3：我觉得还可以给电磁铁外部包裹一些纸或塑料泡沫等包装一下，以防烫到手。

3.4.3关于电磁铁磁力大小对吸引缝衣针效果的研究

（1）师：那关于“电磁铁吸引缝衣针的力量不够大”的问题，除了刚才同学们提到的将电磁铁和小电动机的电路并联外，还有什么其他办法？

生1：电磁铁铁钉外的导线可以多绕几圈，增大电磁铁的磁性，这样电磁铁吸引缝衣针的力量就大了。

生2：可以将电磁铁的铁钉换的更大一些，也可以增大电磁铁上的电压，给电路多安装几节电池。

生3：但电池也不能太多，因为如果电磁铁的电路是和小电动机的电路时并联的，电池多少得考虑到小电动机能承受的电压。

学生都表示赞同大家共同探讨研究出的想法。

（2）实验验证：当电磁铁铁钉上的导线多绕几圈时吸尘器对缝衣针的吸引力量大，效果好；当电磁铁的铁钉换成大铁钉，吸尘器吸引缝衣针的效果有所提升；当电磁铁的电路中电池数量增加，吸尘器吸引缝衣针效果提高很多。

（3）师：实验现象说明了什么？

生讨论后小结：吸尘器吸缝衣针效果，与电磁铁的线圈缠绕圈数、铁钉大小、连接的电池数量有关。

3.5吸尘器的装饰研究

（1）师：有同学提出，我们的简易吸尘器还不够美观，我们来欣赏一下我们生活中的吸尘器，看看我们是否可以从中找找灵感，来美化我们的自制吸尘器。

师出示生活中的造型美观的吸尘器图片（如图8），学生欣赏。

图8

（2）师：细心观察生活中这些造型美观的吸尘器，它们的哪些地方值得我们借鉴？

生交流后得出：①可以从造型上美化简易吸尘器，吸尘器在造型上可以用上如、圆形、三角形、菱形等各种形状，使吸尘器的造型美观特别。②要巧妙处理电磁铁、电池、导线、小电动机等装置在塑料瓶上的位置排布，让吸尘器看上去美观、简约。③可以从颜色上来美化简易吸尘器，给吸尘器用颜料涂上好看的颜色。④可以给吸尘器装饰上一些饰品，贴上好看的彩纸、图画或者把吸尘器美化成动物造型等。

（3）学生尝试将不同图形组合，设计自己组的吸尘器造型，定下吸尘器的整体轮廓；尝试通过在卡纸上绘画，粘贴、折叠卡纸，弯折毛根条等方式制作简易吸尘器的美化装饰物。

3.6总结

（1）师：经过一系列的研究，我们发现如何能制作出吸尘、吸纸、吸缝衣针效果好的简易吸尘器，我们来总结一下。

生交流总结：要使吸尘器吸纸、吸尘效果好，应将瓶身裁剪成15厘米至16厘米左右的长度；应在电路中多串联入几节电池；要选用转动速度快的小电动机；应选用大的扇叶。要使吸尘器吸缝衣针效果好，应使用电磁铁辅助吸尘器能吸起缝衣针，且要在电磁铁上多缠绕几圈线圈，并选用大的铁钉，连入多节电池。

（2）师：在实际制作和使用时要注意些什么，我们也来总结一下。

生交流总结：吸尘器的瓶身长度是15厘米至16厘米之间的哪个长度还得看具体的瓶子类型来定；串联入吸尘器的电路中的电池数量得考虑到小电动机所能承受电压；扇叶大小的选择还得看瓶子的大小，扇叶应少小于瓶身的直径；电池的正负极要和小电动机的连接点连接正确，不然吸尘器会出现吹风效果而不是吸尘效果；要用电磁铁的磁性有无来控制吸尘器吸、放缝衣针；电磁铁长时间连入电路中容易发烫，要将电磁铁的电路和小电动机的电路并联。

三、设计与制作：

1.设计

在完成“吸尘器”的设计任务前，老师需先要让学生了解如何编写设计方案，因此老师先向学生介绍设计方案的内容：①设计图：设计图可以有多份，包括你最初的设计和在整个过程中对此设计进行的修改。②成本预算：按照评价表仔细核算成本，如果预算较低，请解释为什么它是一个性价比高的方案；如果预算较高，描述为什么需要这么多的支出。③检验与数据：包括整个过程中所有检验的结果、生成的数据，以及基于检验结果作出的修改。

老师还介绍了设计方案中需要重点关注的问题和评价方法，提醒学生如果觉得在其他方面需要补充的可以提出来，具体评价方法如表1.

表1.评分表

教师还出示了各种材料的价位表（表2）：

表2.材料价位表

学生根据以上研究内容、评价方法、材料价位表整理相关数据，设计吸尘器并完成设计方案（如图9）中的“工程预算”和“设计图”两块内容。（附上其中一份设计方案，如图10）。

图9 图10

2.制作

教师出示塑料瓶、小电动机、电池盒、电池、纱布、扇叶（超大号、大号、中号、小号）、木棒、铁钉、导线、双面胶等材料，请学生按需选择相应的材料并用虚拟学币进行购买。

学生用虚拟学币购买好材料后，根据设计图进行制作，完成自制简易吸尘器。

四、测试与优化：

1.测试，发现的问题与不足

（1）师：大家已经完成了简易吸尘器的制作，接下来我们来实际使用测试一下，用自制的简易吸尘器来清理下教室墙角、课桌、黑板槽等处的灰尘、纸屑等垃圾，看看效果如何。

每组学生用自己组制作出来的简易吸尘器尝试吸纸屑、粉笔灰、缝衣针（尖头磨圆处理）。

（2）师：实际测试后，你们发现自制的简易吸尘器在使用时遇到了什么问题与不足呢？

有学生提出：我们组的小电动机的动力好像还不够大，瓶口内外压力差比较小，实际吸纸屑、粉笔灰的效果不太好，达不到评分标准里的满分效果，还要改进一下才行。

有学生提出：我们组的吸尘器把灰尘、纸屑吸入瓶内后，很难把瓶内的灰尘、纸屑清理出来。

有学生提出：我们的电磁铁吸缝衣针的效果还不太好，只能吸起1枚缝衣针，还要再改进一下电磁铁才行。

有学生提出：我们的吸尘器还不够美观。

有同学提出：我们的吸尘器在实际使用时，电池等部件会影响手握吸尘器，所以我们觉得吸尘器的各部分安放位置得再重新设计改进一下。

有学生提出：我们的自制简易吸尘器在使用时有些噪音，噪音可以设计地减弱一些。

2.优化

（1）师：对吸尘器吸尘、吸纸效果不理想，有什么改进的好办法呢？

生1：可以寻找到转速更快的小电动机并替换原来吸尘器中的小电动机。

生2：可以再换成更大扇叶。

其他学生都赞同地点头。

师：可以试试！

（2）师：有的同学提出他们制作的吸尘器吸入的灰尘不易倾倒清理，对于这个问题，大家有什么改进优化的好办法？

生1：是否可以在矿泉水瓶里加入过滤网，这样清理吸尘器尾部的过滤网即可。

生2：可以在矿泉水瓶侧壁开个口子，像窗一样，这样需要倾倒吸尘器里的垃圾时可以打开，需要使用吸尘器时再闭合。

（3）师：关于吸尘器的部件影响手握吸尘器，你们觉得可以怎么改进一下？

生讨论得出：可以把原本安装在瓶身上的电池安装在一块木板上，再将木板粘在不影响手握吸尘器的地方，这样实际使用时候手握着瓶身时就不会受到电池的干扰了。还可以使用有手柄的塑料瓶，实际使用时只要握手柄即可，这样很方便。

（4）师：关于有同学提到的减弱噪音，大家有什么好办法？

生1：可以在吸尘器的瓶身上包裹一些隔音棉来降低噪音。

（5）师：关于吸尘器，大家是否还有其他方面需要优化改进的？

还有学生提出来：我觉得我们可以用更环保的能源来给吸尘器提供动力，比如我们可以把干电池换成太阳能电池（如图11），太阳能电池可以将太阳能转化为电能，太阳能既环保又可以源源不断地获取，所以我觉得还可以跟换电池种类来改进优化吸尘器。
很多学生都非常用力地点头表示赞同。

师：这是个好建议，老师会在提供的材料中增加太阳能电池。

（6）师小结：对于这些建议，大家可以在自己制作的简易吸尘器上尝试优化一下，我们将对大家优化后的简易吸尘器进行展示与打分。

（7）学生修改草图，并对简易吸尘器进行改造。

五、展示与评价：

在展示交流环节，教师出示了一份项目任务评分表，列出评价标准（如表3）。

表3.项目任务作品评分表

然后每个小组都依次上台展示介绍自制的吸尘器作品，介绍自制吸尘器的设计理念、特点、设计制作中遇到的困难记如何克服和改进等，并请一名小组代表当场测试吸尘器的使用效果，用自制的吸尘器分别吸碎纸屑、粉笔灰、缝衣针（尖头磨圆处理）。

在小组汇报测试时，科学老师、数学老师、美术老师等多学科老师一起来当评委，从科学性、美观性等多角度出发进行评价，每组学生也都对其他组的作品进行打分，最后综合各科老师和各小组的评分作出最终评价，评出一等奖、二等奖、三等奖的作品（学生部分作品如图12）。

整个项目任务结束后，学生们根据自评表（如表4）对自己在整个项目任务中的表现进行自评打分，反思整个项目任务中获得的收获和不足。每位学生都很认真地回顾整个项目任务中的表现，如实地填写自评表。

表4.自评表

六、拓展与应用：

老师先跟大家分享了工程师的故事：为了解决现实问题，工程师通常会遵循一个多步骤、反复的工程过程，通过对数学、科学概念及创造性思维的时间应用来完成这个过程。这一过程的第一步是识别和定义问题。第二步是“头脑风暴”出可能的解决方案，并提出一种设计。这种设计可能会包含蓝图、绘画和材料清单等。之后，工程师就要建立模型：可能是一个一定比例的物理3D模型，可能是计算机模型。一旦建立了模型，工程师就要检验模型，确保它的表现符合预期。在检验过程中，工程师需要搜集数据、分析模型的表现。分析过程中，工程师需要与客户交流，如果模型没有像预期一样解决问题，就需要重新设计模型。工程师不会将不成功的模型视为失败，相反，他们将它看成能被用来建立最好方案的一种可能。

师：在同学们的研究过程中，大家也同工程师一般，经历了提出问题、收集资料、体验分析、设计方案、制作改进等一系列过程，终于制作出了自己较为满意的能帮助长辈清理垃圾的简易吸尘器。这个过程中，大家遇到过很多困难和问题，大家并不气馁，而是像真正的工程师一般积极动手动脑去解决问题，老师要为每一位同学的这种精神点赞。

师：当然，制作简易吸尘器只是我们解决生活中遇到的困难的一个例子，生活中我们会遇到的问题和困难还有很多，那当我们再次遇到问题时我们该怎么办？

一位学生提出：就像我们为了解决不易清理毛发等垃圾这个问题而制作简易吸尘器一样，当我们在生活中遇到新的困难和问题时，我们也要像工程师一般去积极地解决它。

在我们研究制作简易吸尘器的过程中，也有一些同学提出，我们可以利用小电动机来制作吸尘器来清理垃圾，那我们是否还可以多利用小电动机等材料来制作出更多有趣实用的作品，比如可以给刷子安装小电动机，让刷子像扫地机器人一般可以自己动起来扫地（如图13）；也可以将太阳能电池、小电动机、扇叶组合起来制作一个太阳能电扇，这样夏天出去玩也可以利用太阳来扇风了（如图14）；比如把沥水盆和小电动机组合起来，可以做一个甩干机（如图15），这样湿的毛巾、抹布等只要放进甩干机里面就能被甩干了。学生的灵感被自制简易吸尘器触发，都纷纷想要研究制作出更多有意思又实用的作品。

图13 图14 图15

有了自制简易吸尘器这个项目活动的体验，学生对如何解决问题有了一定的经验，知道该如何利用所学和探究未知来逐步解决生活中真实遇到的问题从而方便我们的生活。自制简易吸尘器这个项目开启了学生“小工程师”之路，期待他们能继续在解决生活中的问题的道路上继续前行，研究并制作出更多实用且有意义的作品，让生活更便利美好！

[参考文献]

[1]中华人民共和国教育部.科学（1-6年级）课程标准[M].北京:北京师范大学出版社.

[2]李扬.STEM教育视野下的科学课程构建[D].金华:浙江师范大学，2014.

[3]唐小为，王唯真.整合STEM发展我国基础科学教育的有效路径分析[J].教育研究，2014(9):61-68.