從動手做活動看STEAM項目學習中的創造性思維發展

“科技動手做”提出一項模擬工程問題來讓學生解決，是一項開放性的科學教育活動。它集工程創意、物理、數學、藝術于一體，充分體現出STEAM的課程相互融合的特征，對創造性思維的發展有著明晰的線索。

通過多年的活動輔導、觀察與總結，我們從結構、材料、工藝角度提出了作品設計的一般方法，同時嘗試以事例來探討在作品設計中創造性思維發展的過程與積極作用：結構設計是關鍵所在，是創意表現的最突出形式，其次是材料的選擇和利用，要注重追究工藝，不僅是高質量作品的保證，更是思維精致的體現。

一、創造性思維來源于基礎理論之上的規律性把握

首先，我們來看一個小小的工程問題：

以竹子、木材、膠水制作一個承重裝置，承載裝置最低點不低于25cm，上面放置30kg杠鈴片，支撐10秒即算成功。質輕者取勝。

你能想象得出它最終可以創造出什么樣的奇跡嗎？

最終，一件11g木結構作品成功地將30kg杠鈴片支撐了10秒，完成了該問題的終極挑戰。

這一幕上演在“2014蜀山區校園科技動手做”活動現場。

“校園科技動手做”活動因工程問題的開放，活動簡便易行等特點，影響力日益擴大，目前已成為一項深受學生喜愛的科技活動。

其實，無論是模擬工程問題，還是現實工程問題，在問題解決上都具有相似性，都要遵循一定的方法和過程。以橋梁建造來說，首先需要滿足一定的跨度，并設計一定的承載能力要求，工程師將根據不同設計要求來確定橋梁的最終形態。不同形態的橋梁，有著各自的力學特點，例如板橋、拱橋、斜拉橋、桁架橋等。其次，橋梁需要確定建筑材料。不同的材料屬性不同，例如石材、鋼混和鋼鐵。最后，橋梁的建造還將通過建造工藝來實現，如預制、模板等工藝都可以提高建造效率，提升工程質量。

結合多年的輔導經驗，并從歷年優秀作品設計中汲取營養，我們嘗試從結構、材料和工藝三個角度來試述模擬工程問題的一般解決方法。一是便于輔導老師、參與活動的學生有章可循，有的放矢；二則通過一些典型作品剖析，窺見設計者是如何創造性地解決工程難題的。

二、從結構創意打開創造之窗

從歷年活動的優秀作品和輔導經驗來看，結構設計是重中之重，是創意表現的最突出形式。

如2007年吸管筏設計活動，給定100根吸管，10根方便筷，細繩4m，皮筋50根，保持1分鐘平衡，承載砝碼質量最大者獲勝（砝碼不得沒入水中）。

對于這樣一個工程問題，我們首先聯想到竹筏結構。但在嘗試制作的時候，問題出來了：砝碼放置的平衡性難以控制，吸管閥容易側翻。其次，設計者還需要挑戰承載極限。那么這個問題如何解決？

當年的活動中出現了這樣一個絕佳的作品，如下圖。

該作品采用中部下沉式的雙筏結構，部分砝碼放置在V字型槽口內，其余放置在筏子兩側。這種結構設計從降低重心角度出發，完美地解決了吸管閥的平衡性。而當年采用簡單的平鋪式結構的作品，在質量承載沖刺時候，多數因平衡問題導致側翻。

我們來看一下核心問題的解決過程：砝碼增加導致筏子側翻，顯示這是一個平衡問題。那么通過擺放砝碼能杜絕這個問題再次發生嗎？顯然，偶然因素太多，因此擺放方式不能根本解決平衡問題。這時，我們需要停下來，對生活中的事例或現象進行一些搜索，哪些情形下出現過平衡控制的問題，又是如何解決的？例如，我們可以聯想到運動員在平衡木上行走，高空自行車表演等。這樣，我們可以走出反復試驗的死胡同，從結構上去確立解決問題的根本辦法。從現象入手，確立解決問題的方向，再從生活經驗中捕捉問題的解決方法，最終將方法遷移到當前問題的解決中來。學生在活動中，思維歷經一次由發散到聚合的完整過程，并從中得到了一種問題解決的模式。

三、激發創造思維，提高對材料的開發性應用

我們知道，在航天航空項目中，材料科技至關重要。同樣，在一些動手做項目中，除結構設計之外，對材料及其屬性的認識也是至關重要的。文中開始出現的承載器例子最為典型。

當初我們在帶領學生開展活動時，通過集思廣益確定了承載器的基本結構后，團隊開始想辦法減輕承載器的質量。按照我們的想法，能找到那種質輕且又堅硬的木材最好。學生在網絡上按圖索驥，查到了常用于航模上的巴沙木和泡桐木。隨后，我們就在淘寶上訂購了不同規格的木材。泡桐木的確是最輕的，但質地實在疏松，做出來的承載器結構強度大幅下降，非常容易崩潰。最終，實驗確定了邊長為8mm規格的巴沙木最佳，并在結構上再次進行了優化，樣品達到了14g。在賽前的一個晚上，教練員群里有人莫名其妙地問了一句：只要支撐10秒吧？而當時，并沒有人太在意這句話。

現場制作賽時，一件11.6g的作品出現了。如此輕盈的支架能否承載如此重量，很多人拭目以待。當裁判員讀到10秒的時候，現場一片掌聲。就在大家歡呼時刻，作品開始出現晃動，隨后幾秒垮塌。現場一陣沉默后，更加熱烈的掌聲響起來。精確到秒的設計令在場的師生為之嘆服！

這件作品與筆者學校作品在結構和工藝上基本相似，區別最大的是他們采用的是3mm的硬質木材（也是航模用材）。在結構相似的情況下，質地均勻的硬質木材是承載器穩定性的保證。在用材上，他們比我們更勝一籌。

在此次活動中，另外幾個學校的作品也讓我們開了眼界：一件用水煮木片工藝制成的單筒望遠鏡形狀的作品，一件用鏤空蘆葦桿制成的大三棱形作品，另一件是用兩片薄板交叉成十字，外形為寶瓶形狀的作品。他們都達到了用材考究、質地輕盈、結構巧妙的高水準。

回顧這次活動，除結構之外，材料選擇成為追逐的焦點。絕大部分作品都采用輕盈的木材，但一些個案給予我們新的啟示。如上面作品中使用的木片經過水煮后解決了彎曲和韌性問題，青蘆葦桿采用干燥方法控制好水分。他們通過改變既有木材的干燥程度改變了材料的韌性，提高了材料的強度。

在另一些動手做項目中，項目的材料是有限的。我們可以通過頭腦風暴的方法，對材料進行開發性使用：例如為增加作品的長度或高度，我們可以將制作材料進行適度裁剪、拼接；細鐵絲既可作捆扎材料，也可作繩索或者配重使用。如此等等不一而論。

四、精良的工藝是創造性思維的穩定劑

動手做的作品一般為現場完成，即便前期作品設計完美，但在極限的測試狀態下，由于工藝制作不佳導致作品出現瑕疵，結果都可能會是毀滅性的。制作方法科學，工藝精良是作品質量穩定的有力保證。

在上面的承載器項目制作中，當年有好幾所學校都采用了模具方法，有腳手架形式的（材料依附在微型腳手架上粘接），有嵌入式模具（見下圖）的。其中，嵌入式模具最為簡便，制作快速，尺寸準確。兩種模具設計思想都來源于工程實際。

圖紙設計也是一種提高工藝精度的常見方法。即將所有用料尺寸都標注在圖紙上或者畫在加工材料上。圖紙、模板工藝是兩種常見的提高制作精度的方法。此外，還有一些加工技巧，例如要連接兩塊較大的木料，釘釘子是一種方法，用木鉆打孔再擰入自攻螺絲效率會更高；借助一根規則的圓管加工圓紙筒會更方便快捷；膠水粘接之后用吹風機可以使膠水更快發揮作用等。

“科技動手做”項目，在加工工藝上，技巧較多。但制作精度、制作效率、工藝可靠性卻是我們恒久追求的。把工藝要求羅列出來，帶著學生去逐項評估，我們就能發現工藝上的不足之處甚至是作品設計方面的缺陷。追究工藝，是思維精致的體現。

五、科學浪漫主義讓創造思維永葆青春

動手做活動只是解決一項模擬工程問題，與解決現實生活中的工程問題還存在一些距離。因此，動手做的作品往往還有一種超現實主義的特點，尤其是在結構上看起來并不合乎實際工程存在或者需要。但正因為只是一項模擬工程，結構上存在適度的夸張或者變形并不違背科學原理，相反，這可能更是一種科學浪漫主義的表現。

如上圖，這座竹筷橋兼具桁架橋和拱橋雙重特色。橫置的三棱臺結構作為橋面，注意最頂端的一條棱被彎曲形成一條單拱，有效地抵御了橋面承重時向下的形變。

上圖是一座平衡的吊塔。由限定材料數量的木條和雪糕棍完成，要求其中一端能承重50g砝碼并能支撐到10秒。該作品將雪糕棒剖開使用，使得跨度達到了令人驚訝的2m多。它不僅力學結構穩定，而且造型優美舒展，是對結構、材料和工藝的一個完美詮釋。