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很多科普读物上经常会提到，纳米材料被誉为21世纪最有前途的新型材料。当组成材料的微粒尺寸达到纳米级（1纳米=10-9米）时，会产生许多让人意想不到的奇特的光、电、磁、热、力和化学等方面的性质。如将金属制成纳米粉末后就变成了黑色，且不导电，机械强度也大幅度提高。
事实上，21世纪可以说是材料尤其是新材料的世纪。不仅是纳米材料，各种材料在不同状态下性能的改变都可能决定一项工程或一项发明的成败，而后者可能会推动整个人类文明的飞跃。因此，了解材料的性能，在社会经济条件的允许下恰当使用材料是非常必要且具有重要意义的。材料性能学指出，分析材料性能包含四要素——表征（规律）、机理、影响因素和测试，要由此来阐述每一种材料性能，注重基本理论和工程应用的结合，并注意到不同材料的共性和个性，才能完整表现一种特定的材料。其中，测试是非常重要的一环。
一、课程重点
本课程通过让学生了解材料性能的概念以及科学家进行科学实验的方法，培养学生对有效运用工具、记录数据并最终得出科学结论的完整过程的认识。同时，营造学生可以在动手实践中深入感受和理解科学实验的课堂氛围。
【涉及领域】工程学、物理学、设计、艺术
【建议年级】小学中年级
【建议时间】125分钟
二、課程任务
让学生学习科学家进行实验的步骤和基本方法，激发学生了解现象、学习科学的兴趣，引导学生用文字记录实验数据和实验现象，并做出分析。
三、课程步骤
1.导入（15分钟）
第一步：介绍进行科学实验的基本方法和材料性能的概念，询问学生对材料性能的认识。科学的实验方法主要包括六个重要步骤：一是观察，即对事实和事件的详细记录;二是对问题进行定义，定义是有确切程序可操作的;三是提出假设，即提出对一种事物或一种关系的暂时性解释;四是检验，即收集证据和检验假设，要能提供假设所需的客观条件，并找到方法来测量相关参数;五是发表研究结果，即科学信息必须公开透明，真正的科学关注的是解决问题;六是建构理论。
材料的性能可分为两类。一是特征性能，属于材料本身固有的性质。包括常见的如热学性能（如热容、熔沸点等）、力学性能（如拉伸强度、抗冲强度等）、电学性能（如电导率、电阻率等）、磁学性能（铁磁性）、光学性能（如光的反射、折射以及发光等性质）、化学性能（如耐腐蚀性、催化性能等），不常见的如耐疲劳强度、介电性能、离子交换性能等（选择了解即可）。二是功能物性，指在一定条件和一定限度内对材料施加某种作用时，通过材料将这种作用转化为另一形式功能的性质。包括热电转换性能（如热敏电阻）、光热转换性能（如太阳能平板型集热器）、光电转换性能（如太阳能电池）、力电转换性能、磁光转换性能、电光转换性能、声光转换性能等，主要用于能量转换。
之后，让学生判断“是否能够挡雨遮风”属于材料的哪一类性能（答案是透性，应当属于特征性能）。
第二步：简单介绍透性的产生原因。透性的好坏取决于物体的致密程度——是否允许水分子在短时间内穿透过去。水分子间存在很强的氢键作用，使其具有一定的粘性和张力，这使得水并不容易通过细小的孔洞。须强调的是，许多物体只是短时间内的透性不好，不代表水永远不能穿过去。这也是要进行实验验证的原因。
2.宣布任务一及评价量规（10分钟）
【宣布任务】需要测定给定的几种很薄的物质材料的透性，让学生设计实验，制定评价标准，完成实验，并列出结果。宣布任务后，呈现评价量规（见表1）。
【材料】水、移液器、绘图纸、报纸、各种材料的织物（如丝绸、棉布、人造纤维布等）、蜡纸、塑料薄膜、毛根、手工棒、剪刀、胶水、胶带
宣布任务和评价量规后，教师要继续询问各组如下一些问题。
（1）以什么作为测量透性的评价标准？
（2）对被测试的各种材料要进行什么准备？是否需要进行必要的形变或者其他处理？
（3）哪些变量需要被统一严格控制以保证实验结果的可靠性？（如温度）
（4）怎样用图表表示实验结果？必须要记录哪些数据？是否还需要其他测量工具以使测量更准确？
询问后，给各组少量时间进行沟通准备。每个人都要写下自己的想法和实验计划，然后小组讨论执行什么样的实验计划。
3.任务一的执行（20分钟）
正式执行实验任务。要求学生依照评价量规，并应考虑以下内容。
（1）你的预测是什么？你们组的预测是什么？怎样用一句话或者很少的文字概括？
（2）你的设计是什么？你们组的设计是什么？分为几步？
（3）你们组以什么作为测量透性的评价标准？
（4）实验执行时应该注意哪些方面？
（5）如果要进行多次实验，而使用的材料有限，有什么注意事项？
（6）如何用图表呈现观察结果？是否在实验前就设计了图表的框架？框架包括哪些内容？为何如此设计？
（7）小组的分工如何？
4.总结和反思（25分钟）
全部小组完成后，组织讨论以下问题。
（1）最终哪种材料是透性最好的？哪种是最差的？
（2）如果要制作雨伞或者其他雨具，透性最差的那种材料是否为最佳选择？为什么？除了透性，还应考虑什么因素？
（3）材料科学家怎样描述他们的研究和研究结果？
5.宣布任务二及评价量规（10分钟）
【宣布任务】让学生选择最佳材料制作一把小雨伞，并写一句广告词来强调雨伞的性能。宣布任务后，呈现评价量规（见表2）。
【材料】水、移液器、绘图纸、报纸、各种材料的织物、蜡纸、塑料薄膜、毛根、手工棒、剪刀、胶水、胶带
宣布任务和评价量规后，教师要继续询问如下一些问题。
（1）雨伞的伞骨有什么特点？雨伞张开后是如何保证伞骨和伞骨之间的距离相等而不会无法完全展开？这些特点是否容易借鉴？为什么？
（2）你制作的雨伞能否经受较大的雨水从上向下的冲击？怎样解决这一问题？
询问后，给予少量时间让各组进行沟通准备。每个人都要写下自己的想法和设计方案，然后小组讨论使用哪种设计方案、如何撰写说明书、以什么样的形式呈现说明书。
6.任务二的执行（20分钟）
正式执行制作任务。要求学生依照评价量规，并应考虑以下内容。
（1）你们组选取了什么材料制作小雨伞的伞面？为什么这样选择？
（2）除了考虑透性，你们还思考了哪些问题？得出了什么结论或者遇到了什么问题？
（3）小雨伞制作的难点在哪里？是否可以通过改进设计而予以解决？
（4）小组的分工如何？
7.总结和反思（25分钟）
全部小组完成后，组织讨论以下问题。
（1）如果将小雨伞改装成小遮阳伞，还需要进行哪些调整？为什么？
（2）如果要制作可多次重复利用的雨衣，哪种材料较适合？需要考虑哪些方面？为什么？（如从透水性、透气性、疲劳强度、材料强韧性等方面进行考察）
（3）如果我们要成立一家公司，通过制作这种小雨伞来盈利，你觉得还有哪些方面需要继续调查和实验？为什么？
事实上，21世纪可以说是材料尤其是新材料的世纪。不仅是纳米材料，各种材料在不同状态下性能的改变都可能决定一项工程或一项发明的成败，而后者可能会推动整个人类文明的飞跃。因此，了解材料的性能，在社会经济条件的允许下恰当使用材料是非常必要且具有重要意义的。材料性能学指出，分析材料性能包含四要素——表征（规律）、机理、影响因素和测试，要由此来阐述每一种材料性能，注重基本理论和工程应用的结合，并注意到不同材料的共性和个性，才能完整表现一种特定的材料。其中，测试是非常重要的一环。
一、课程重点
本课程通过让学生了解材料性能的概念以及科学家进行科学实验的方法，培养学生对有效运用工具、记录数据并最终得出科学结论的完整过程的认识。同时，营造学生可以在动手实践中深入感受和理解科学实验的课堂氛围。
【涉及领域】工程学、物理学、设计、艺术
【建议年级】小学中年级
【建议时间】125分钟
二、課程任务
让学生学习科学家进行实验的步骤和基本方法，激发学生了解现象、学习科学的兴趣，引导学生用文字记录实验数据和实验现象，并做出分析。
三、课程步骤
1.导入（15分钟）
第一步：介绍进行科学实验的基本方法和材料性能的概念，询问学生对材料性能的认识。科学的实验方法主要包括六个重要步骤：一是观察，即对事实和事件的详细记录;二是对问题进行定义，定义是有确切程序可操作的;三是提出假设，即提出对一种事物或一种关系的暂时性解释;四是检验，即收集证据和检验假设，要能提供假设所需的客观条件，并找到方法来测量相关参数;五是发表研究结果，即科学信息必须公开透明，真正的科学关注的是解决问题;六是建构理论。
材料的性能可分为两类。一是特征性能，属于材料本身固有的性质。包括常见的如热学性能（如热容、熔沸点等）、力学性能（如拉伸强度、抗冲强度等）、电学性能（如电导率、电阻率等）、磁学性能（铁磁性）、光学性能（如光的反射、折射以及发光等性质）、化学性能（如耐腐蚀性、催化性能等），不常见的如耐疲劳强度、介电性能、离子交换性能等（选择了解即可）。二是功能物性，指在一定条件和一定限度内对材料施加某种作用时，通过材料将这种作用转化为另一形式功能的性质。包括热电转换性能（如热敏电阻）、光热转换性能（如太阳能平板型集热器）、光电转换性能（如太阳能电池）、力电转换性能、磁光转换性能、电光转换性能、声光转换性能等，主要用于能量转换。
之后，让学生判断“是否能够挡雨遮风”属于材料的哪一类性能（答案是透性，应当属于特征性能）。
第二步：简单介绍透性的产生原因。透性的好坏取决于物体的致密程度——是否允许水分子在短时间内穿透过去。水分子间存在很强的氢键作用，使其具有一定的粘性和张力，这使得水并不容易通过细小的孔洞。须强调的是，许多物体只是短时间内的透性不好，不代表水永远不能穿过去。这也是要进行实验验证的原因。
2.宣布任务一及评价量规（10分钟）
【宣布任务】需要测定给定的几种很薄的物质材料的透性，让学生设计实验，制定评价标准，完成实验，并列出结果。宣布任务后，呈现评价量规（见表1）。
【材料】水、移液器、绘图纸、报纸、各种材料的织物（如丝绸、棉布、人造纤维布等）、蜡纸、塑料薄膜、毛根、手工棒、剪刀、胶水、胶带
宣布任务和评价量规后，教师要继续询问各组如下一些问题。
（1）以什么作为测量透性的评价标准？
（2）对被测试的各种材料要进行什么准备？是否需要进行必要的形变或者其他处理？
（3）哪些变量需要被统一严格控制以保证实验结果的可靠性？（如温度）
（4）怎样用图表表示实验结果？必须要记录哪些数据？是否还需要其他测量工具以使测量更准确？
询问后，给各组少量时间进行沟通准备。每个人都要写下自己的想法和实验计划，然后小组讨论执行什么样的实验计划。
3.任务一的执行（20分钟）
正式执行实验任务。要求学生依照评价量规，并应考虑以下内容。
（1）你的预测是什么？你们组的预测是什么？怎样用一句话或者很少的文字概括？
（2）你的设计是什么？你们组的设计是什么？分为几步？
（3）你们组以什么作为测量透性的评价标准？
（4）实验执行时应该注意哪些方面？
（5）如果要进行多次实验，而使用的材料有限，有什么注意事项？
（6）如何用图表呈现观察结果？是否在实验前就设计了图表的框架？框架包括哪些内容？为何如此设计？
（7）小组的分工如何？
4.总结和反思（25分钟）
全部小组完成后，组织讨论以下问题。
（1）最终哪种材料是透性最好的？哪种是最差的？
（2）如果要制作雨伞或者其他雨具，透性最差的那种材料是否为最佳选择？为什么？除了透性，还应考虑什么因素？
（3）材料科学家怎样描述他们的研究和研究结果？
5.宣布任务二及评价量规（10分钟）
【宣布任务】让学生选择最佳材料制作一把小雨伞，并写一句广告词来强调雨伞的性能。宣布任务后，呈现评价量规（见表2）。
【材料】水、移液器、绘图纸、报纸、各种材料的织物、蜡纸、塑料薄膜、毛根、手工棒、剪刀、胶水、胶带
宣布任务和评价量规后，教师要继续询问如下一些问题。
（1）雨伞的伞骨有什么特点？雨伞张开后是如何保证伞骨和伞骨之间的距离相等而不会无法完全展开？这些特点是否容易借鉴？为什么？
（2）你制作的雨伞能否经受较大的雨水从上向下的冲击？怎样解决这一问题？
询问后，给予少量时间让各组进行沟通准备。每个人都要写下自己的想法和设计方案，然后小组讨论使用哪种设计方案、如何撰写说明书、以什么样的形式呈现说明书。
6.任务二的执行（20分钟）
正式执行制作任务。要求学生依照评价量规，并应考虑以下内容。
（1）你们组选取了什么材料制作小雨伞的伞面？为什么这样选择？
（2）除了考虑透性，你们还思考了哪些问题？得出了什么结论或者遇到了什么问题？
（3）小雨伞制作的难点在哪里？是否可以通过改进设计而予以解决？
（4）小组的分工如何？
7.总结和反思（25分钟）
全部小组完成后，组织讨论以下问题。
（1）如果将小雨伞改装成小遮阳伞，还需要进行哪些调整？为什么？
（2）如果要制作可多次重复利用的雨衣，哪种材料较适合？需要考虑哪些方面？为什么？（如从透水性、透气性、疲劳强度、材料强韧性等方面进行考察）
（3）如果我们要成立一家公司，通过制作这种小雨伞来盈利，你觉得还有哪些方面需要继续调查和实验？为什么？