像工程師一樣思考

李佩寧

在STEM領域，像工程師一樣設計、執行、反思與修正，是一種十分重要的思考與做事方式。因為工程師總會面臨各種設計與實際不符的情況，需要不斷修正才能達成目標。這種能力在生活中也常會用到。例如，學習煮飯、學習騎車、動手制作物品甚至企業管理等。并不是每一個學生都要成為工程師，但這種思維方式是學習和工作中追求精益求精的最有效的方法和路徑。

一、課程重點

通過讓學生了解并搭建橋梁中的懸臂結構，體會在工程領域中設計、執行、反思與修正的重要性，學習像工程師一樣思考。

【涉及領域】工程、幾何學、物理、數學、寫作

【建議年級】小學高年級以上

【建議時間】基礎課程170分鐘

二、課程任務

學習懸臂結構及其在生活中的應用。通過兩次搭建制作，了解設計、執行、反思與修正的工程設計循環，鍛煉同他人交流與合作的基本技能，感受如何通過不斷嘗試與改進更好地達成目標。

三、課程步驟

1.導入（15分鐘）

第一步，呈現塔吊的圖片（見圖1），讓學生辨認并思考：

（1）塔吊為什么能夠吊起重物？

（2）吊起重物時有沒有最大重量的限制？

（3）吊臂的遠端還是近端更能承重？為什么？

（4）[高年級拓展問題]塔吊的原理和杠桿有什么相同點和不同點？

第二步，引出懸臂的概念——懸臂是只有一端固定的梁。請一名學生上前，將右臂側平舉，對照塔吊體會懸臂概念，體會哪里是梁、哪里固定、如何固定等問題。

第三步，鞏固懸臂概念，向學生提問：

（1）說說塔吊的結構原理是什么？

（2）讓學生辨認圖中的懸臂結構。（見圖2）

（3）進一步思考生活中哪些地方應用到了懸臂結構，并闡述。

（4）思考塔吊的吊臂為何有許多三角形結構，起什么作用。

2.第一個任務及評價量規（10分鐘）

宣布第一個任務，提供材料并公布評價量規（見表1）。

【任務】使用所提供的吸管和透明膠帶等材料，制作一個懸臂結構。要求只能有一根吸管固定在桌面上（如果將吸管切割為兩段以上，則不能再算作一根吸管）。懸臂至少伸出桌邊30厘米，能夠在15厘米處懸掛10個鉤碼。

【材料】吸管20根，窄透明膠帶1卷，鉤碼1盒，米尺1條，剪刀1把。

3.第一次制作（25分鐘）

各小組領取實驗材料進行搭建。教師發現做得較好的組，可鼓勵其他組學生觀摩。教師使用以下啟發式問題進行引導。

（1）吸管之間有哪些連接方式？（套接，插接，粘接）

（2）吸管的那個部位受力最大？如何將受力分散？（桌邊和吸管接觸的位置受力最大，可以通過管道加粗、管內嵌套、設計三角結構等方式將受力分散）

（3）吸管搭建的懸臂結構受到哪些方面的力？（重力，拉力，支持力等）

（4）參考實際生活中的例子，除了受力，懸臂還會受哪些方面的擾動？（還會受到垂直于懸臂的平面內多個方向的力的擾動）

（5）怎么克服各個方向的擾動？（可以通過多種方式強化結構來減輕擾動）

（6）懸臂結構可以下垂么？（可以）

（7）下垂幅度較大好還是較小好？（分情況）

（8）下垂是否有利于整體的結構穩定？（有利于穩定，這也是鋼結構建筑抗震的原因，如舊金山金門大橋在1989年7.1級大地震中的表現）

4.總結和反思第一次任務（25分鐘）

每一個小組完成任務，教師都要進行測試（見圖3）。全部小組完成后，讓各小組派代表結合以下問題進行匯報。

（1）你們小組是怎么分工的？

（2）你們小組的懸臂包含了那些結構元素？

（3）實驗中出現了哪些問題？怎么解決的？

（4）怎樣更少地使用吸管以節省材料？

（5）[高年級拓展問題]畫出懸臂結構在不同受力點下的力學圖示。

5.第二個任務及評價量規（15分鐘）

宣布第二個任務，重新設計原來的結構，完成更高的目標，提供材料并出示評價量規（見表2）。

【任務】使用盡量少的材料，搭建一個至少長45厘米的懸臂，能夠在25-30厘米處懸掛10個鉤碼。吸管可以接觸桌子的任何部分，但只能有一根吸管固定在桌面上（這一根吸管不可切割為多段）。

【材料】吸管50根、大頭針50根、寬透明膠帶10厘米、鉤碼1盒、米尺1條、剪刀1把

各小組通過討論，改進原來的設計。填寫工作單，憑工作單上畫好的設計圖在教師處領取材料。

6.重新建造懸臂（45分鐘）

各小組進行搭建。發現比較好的組后，教師要鼓勵其他組學生前去觀摩。教師使用以下的啟發式問題或提示句進行引導。

（1）你們圖紙上的計劃行得通嗎？

（2）是否應該在搭建過程中不斷測試承重情況？

（3）你們在搭建中做了哪些改變和調整？

（4）你從其他組的結構中學到了什么？

（5）記得把你們組在進行過程中遇到的問題記錄下來。

（6）遇到問題后，想想如何解決。

7.總結與討論（20分鐘）

對完成任務的小組，教師測試結構。所有小組完成后，各小組上臺匯報，內容包括設計思路、問題和解決方案、具體搭建過程的分工、所設計的懸臂在生活中的實際應用等。展示優秀作品，包括承重量較大的、承重/結構設計較好的、外觀設計感好的作品，全班討論這些設計中的優秀之處，以及還可以改進的地方。可參考以下提問。

（1）哪些組的結構好用？怎樣使懸臂的承重更大？

（2）你認為哪個組的設計最好？為什么？

（3）你們的結構過一段時間后還能完好無損嗎？為什么？

8.寫作（15分鐘）

如果下次再制作懸臂結構，你會做出哪些改變？試著寫出來。

（責任編輯 郭向和）